【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ,可將其拓?fù)浞譃橐韵聨追N形式:交交交變換器,交直交變換器和交直交直交雙直流變換器。最初的一臺(tái)高頻變壓器是由美國電力科學(xué)研究院于 1995 年完成的實(shí)驗(yàn)樣機(jī),其拓?fù)淙鐖D 所示。V mS 1S 2L 1C 0R圖 buck 型交流變換器型高頻變壓器 該拓?fù)洳捎貌桓綦x buck 型變換器，圖 中的開關(guān)為交替導(dǎo)通的雙向流動(dòng)開關(guān)。該拓?fù)涞奶攸c(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但存在的不足是每個(gè)開關(guān)都承受原邊電壓和輸出副邊電流，使得開關(guān)的驅(qū)動(dòng)、絕緣和控制都變得困難；同時(shí)，拓?fù)錄]有實(shí)現(xiàn)電氣隔離，電路不能抑制輸入的電流諧波和調(diào)整功率因數(shù)。 隨后，美國得州大學(xué) 等人于 1999 年提出了原方調(diào)制、副方解調(diào)、中間通過高頻變壓器隔離的交交交高頻變壓器，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 所示。負(fù)載U iABAS 1S 3S 1 `S 3 `S 4 S 2S 4 `S 2 `ABBAB圖 交交交變換型高頻變壓器圖 中開關(guān)均為雙向開關(guān)管，以保證能量的雙向流動(dòng)。該類變換器的優(yōu)點(diǎn)是：能實(shí)現(xiàn)電壓的基本變換，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積和重量均大幅下降。但該方案邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）12可控性不高，電壓電流應(yīng)力大，副方電壓波形僅僅是對(duì)原方電壓波形的還原，電壓波形的還原還必須保證整流模塊和逆變模塊開關(guān)同步。最具代表性的高頻變壓器為交直交直 交型雙直流環(huán)拓?fù)洌Y(jié)構(gòu)圖如圖 所示已介紹。工頻交流電通過三相 boost 變換器整流得到直流電,并經(jīng)過 DC/DC 變換后通過三相逆變得到三相交流電。該策略通過適當(dāng)?shù)目刂撇粌H可以實(shí)現(xiàn)輸入端的功率因數(shù)校正,還可以抑制諧波的雙向流動(dòng)。但是,每個(gè)獨(dú)立單元使用 20 只功率管,若采用多重化串聯(lián)技術(shù),則會(huì)造成電路成本升高,控制復(fù)雜,并且電路的故障點(diǎn)增多,從而導(dǎo)致系統(tǒng)的穩(wěn)定性不高。從總體上看,上述高頻變壓器的研究成果完成了輸電網(wǎng)電壓變換和電能傳輸?shù)幕竟δ?能夠抑制負(fù)載端和電網(wǎng)的電流諧波,同時(shí)實(shí)現(xiàn)了輸出端電壓的穩(wěn)定。但是,目前的高頻變壓器仍存在以下不足:(1)對(duì)于大功率三相整流裝置,通常采用全解耦三相功率因數(shù)校正電路抑制電流諧波,其電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略過于復(fù)雜。(2)由于開關(guān)損耗過大,開關(guān)頻率受到限制。(3)上述研究成果沒有較好地解決多重化中的模塊均壓?jiǎn)栴},當(dāng)電網(wǎng)脈動(dòng)或負(fù)載切換時(shí)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)可靠性降低。(4)輸出的三相負(fù)載通常處于不平衡狀態(tài),這就要求輸出具有共地端,即要求三相四線輸出。通常采用 2 個(gè)電容串聯(lián)取其連接點(diǎn)作為三相輸出的共地端,但存在直流利用率過低的缺點(diǎn)。邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）133 高頻變壓器的電路結(jié)構(gòu)及控制方式 高頻變壓器的基本結(jié)構(gòu)綜上文所述本文介紹輸入極，隔離極與輸出極連接起來如圖 所示，即為本文中制作的高頻變壓器的總體電路結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)為：原方輸入電流的相位可調(diào)，可以運(yùn)行于單位功率因數(shù)，且電流波形諧波較小，對(duì)電網(wǎng)污染不大；整個(gè)裝置能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)鐵芯變壓器的隔離原副方與電壓等級(jí)變換的功能，容量一定時(shí)體積比傳統(tǒng)變壓器減小；當(dāng)副方輸出逆變器采用 SPWM 脈寬波控制時(shí)，可以通過調(diào)節(jié)調(diào)制比來穩(wěn)定副方輸出電壓。圖 高頻變壓器的模型結(jié)構(gòu)圖高頻變壓器采用雙直流結(jié)構(gòu)其工作過程為：工頻交流輸入經(jīng)三相全控整流器變換為直流，再通過一個(gè)單相全橋逆變電路被調(diào)制成為高頻方波后加載至中間變壓器；耦合到變壓器二次側(cè)后，高頻方波被整流成直流電壓，再逆變?yōu)樗璧慕涣鬏敵?。該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)采用整體變換結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)明，功率器件相對(duì)較少；可以實(shí)現(xiàn)輸入端功率因數(shù)校正，同時(shí)可以抑制諧波的雙向流動(dòng)。 輸入級(jí)電路及控制方式高頻變壓器的整流電路為將系統(tǒng)交流電轉(zhuǎn)換為直流，以便下一環(huán)節(jié)的高頻C1C2L1 L2L3R2R1UiIi邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）14調(diào)制。目前采用的常規(guī)整流環(huán)節(jié)多為二極管不控整流或者晶閘管相控整流電路，因而對(duì)電網(wǎng)注入了大量的諧波以及無功，造成了嚴(yán)重的電網(wǎng)“污染” 。而將PWM技術(shù)引入整流器的控制中，可以使得整流器電網(wǎng)側(cè)電流正弦化，大大降低低次諧波，可控制功率因數(shù)為 0 至 1 之間任意值，并支持能量雙向流動(dòng)。同時(shí)，和晶閘管相控整流器一樣，其輸出直流電壓也可控。 PWM 整流器的結(jié)構(gòu)在圖 所示三相橋式 PWM 整流電路中，交流電源三相電壓 、()saVt、 經(jīng)電壓 L 和線路電阻 R 接到三相全控橋式變換器。 ~ 為 6 個(gè)()sbVtsct 1T有反并聯(lián)二極管的自關(guān)斷器件。輸出端接大電容 C 及后級(jí)電路，直流側(cè)電壓為平穩(wěn)的直流 ，三相橋式變換器交流輸入端交流相電壓為 、o ()iat、 ，電流為 、 、 ，如果交流電源電壓為()iatiataibciwtVtvssin2)(?? ())120(??bi)(?ttssc式中 為交流電源相電壓有效值。sV圖 三相橋式 PWM 整流電路則理想的交流——直流變換應(yīng)該是 )sin(2)(????wtItia 120?b邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）15（） )120sin(2)( ??????wtItic式中 是交流電源流入雙向變換器的電流有效值。 是 滯后 的功率因sI sI?sV?數(shù)角。理想的三相橋式變換器交流側(cè)相電壓應(yīng)是： )sin(2)(????wtVtvia （）120?iib )()(?ttiic式中 是三相橋式交流輸入端相電壓有效值，δ 是 落后 的相位落后角，iV sI?sV?各矢量關(guān)系如 圖。圖 各矢量關(guān)系圖電壓、電流矢量關(guān)系為 ()SSSiVRIjX??????式中電感 L 的電抗 X=ωL，圖中取橫軸為 d 軸，縱軸為 q 軸。變換器交流輸入端電壓矢量 的 d 軸分量 和 q 軸為分量 為i? idiqV ()qsiid RIFKHOF????cos ()diiq XIMNEV?n如果忽略電阻 R，則 qsiidIV?co ()無功電流 ()?sin/)s(/)( ??????isidsq IXXVI ()diiq?n邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）16有功電流 XVIiiqd?sn?復(fù)數(shù)功率 的定義是：電壓矢量 與電流共軛矢量 的乘積。圖 中，Ss? sI??I （）qdsjI????dqIj??????因此再利用（）式得到有功功率 P 和無功功率 Q： （）sdssiqsiP=3VIco=3V/Xn/?? （）q coQin?定義 是交流電源流入雙向變換器的電流， 是 滯后 的功率因數(shù)角，sI? sI?sV?圖中矢量關(guān)系為 滯后于 的角度為 角，即 為正值，因而滯后的無功電流s?s? ?為正值，滯后的無功功率 Q 為正值，表示電源輸出落后于電壓 的inqsI?? s?電流 電源向變換器輸出滯后的無功功率，若 超前 一個(gè)角度（ 在橫軸上? sI?s? sI?方） ，則 為負(fù)值，那時(shí) 為負(fù)值，Q 為負(fù)值，表示電源輸入超前于電壓 的qI sV?電流，電源向變換器輸出超前的無功功率，或交流電源從變換器處得到（輸入）滯后的無功率。當(dāng)變換器交流輸入端電壓 滯后于 時(shí)，即滯后角 δ 為正值時(shí)，式iV?s?（） 、式（）的有功電流為正值，P 為正，表示交流電源輸出有功功率，經(jīng) AC/DC 變換器輸出直流電能給直流負(fù)載，變換器工作于整流狀態(tài)；反之當(dāng)變換器交流輸入端電壓 的相位超前 時(shí)，那時(shí)滯后角 δ 為負(fù)值， 為負(fù)值，i? s? dIP 為負(fù)，表示交流電源輸入有功功率，即 AC/DC 變換器將直流電源電能變?yōu)榻涣麟娔芊此徒o交流電源，變換器工作于逆變狀態(tài)。當(dāng)電壓 較大，以致 為負(fù)時(shí)，則 為負(fù)，Q 為負(fù)，即交流iV? XVis/)co(??qI電源向 AC/DC 變換器輸出容性（超前）無功電流、無功功率、或交流電源從AC/DC 變換器輸入感性（滯后）無功電流、無功功率。當(dāng)電壓 較小， 時(shí)， 為正，Q 為正，即交流電源向 AC/DCi?cosi??sqI變換器輸出感性（滯后）無功功率、無功功率，或交流電源從 AC/DC 變換器輸入容性（超前）無功電流、無功功率。因此，兩個(gè)交流電源如圖 中的和 ,它們之間的有功電流 、有功功率 P 總是從相位超前的電源流向相位sV?i dI滯后的電源。電壓數(shù)值高的電源才有可能向電壓低的電源輸出滯后的感性無功電流 和感性無功功率 Q。qI因此由式() 、式()、式()可知，控制 的大小和 相對(duì)于 的iV? i?sV?相位角 δ，即可控制 、 的大小和正、負(fù)值，控制 P 的大小和方向(正、負(fù))。dIq邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）17圖 中在一定的負(fù)載阻抗情況下，輸出直流電壓 的大小取決于有功功oV率 P 與負(fù)載消耗的功率 之間的平穩(wěn)關(guān)系，增大 P， 自然升高，反之， 降oP oV低，在一定的負(fù)載情況，保持 P 恒定， 隨之恒定不變，調(diào)節(jié) P 也就調(diào)節(jié)控制oV了輸出電壓 。oV綜上所述，只要能對(duì)圖 中的 AC/DC 變換器進(jìn)行實(shí)時(shí)、適當(dāng)?shù)目刂疲苁棺儞Q器交流端的三相電壓為互差 的正弦波，控制三相變換器交流側(cè)電120?壓 的大小和相位，那么圖 所示的變換器就是一個(gè)理想的 AC—DC 雙向i?功率變換器。 PWM 整流器控制整流電路可分為電壓型和電流型兩大類，目前研究和應(yīng)用較多的是電壓型PWM 整流電路。單相全橋工作原理：按照正弦信號(hào)波和三角波相比較的方法對(duì)圖 中的 進(jìn)行 SPWM 控制，就可以在橋的交流輸入端 AB 產(chǎn)生一個(gè) SPWM 波1V4。 中含有和正弦信號(hào)波同頻率且幅值成比例的基波分量，以及和三角波ABu載波有關(guān)的頻率很高的諧波，而不含有低次諧波。由于 的濾波作用， 脈動(dòng)SLSi很小，可以忽略，所以當(dāng)正弦信號(hào)波的頻率和電源頻率相同時(shí)， 也為與電源Si頻率相同的正弦波。在 一定的情況下， 的幅值和相位僅由 中基波分量suSi ABu的幅值及其與 的相位差來決定，改變 的幅值和相位，就可以使 和ABfus ABfuSi同相位、反相位， 比 超前 90176。,或使 與 的相位差為所需要的角度。當(dāng)s Sis Sis滯后的相角為 ?，和完全同相位，電路工作在整流狀態(tài)，且功率因數(shù)為 1，是PWM 整流電路最基本的工作狀態(tài)。圖 單相全橋電路負(fù)載LsRsV1VD13ABV2 V4VD2D4VD3邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）18整流運(yùn)行狀態(tài)：當(dāng) 0 時(shí)，由 、 、 、 和 、 、 、su2V4D1SL3V1D4分別組成了兩個(gè)升壓斬波電路。以包含 的升壓斬波電路為例，當(dāng) 導(dǎo)通SL 2時(shí)， 通過 、 向 儲(chǔ)能，當(dāng) 關(guān)斷時(shí)， 中儲(chǔ)存的能量通過 、su2V4DSL2S 1向直流側(cè)電容 C 充電。當(dāng) 0 時(shí)，由 、 、 、 和 、 、4 su132S4 分別組成了兩個(gè)升壓斬波電路，工作原理和 0 時(shí)類似。3S su電壓型 PWM 整流電路是升壓型整流電路，其輸出直流電壓可以從交流電源電壓峰值附近向高調(diào)節(jié)，使用時(shí)要注意電力半導(dǎo)體器件的保護(hù)；同時(shí)也要注意，向低調(diào)節(jié)就會(huì)使電路性能惡化，以至不能工作。 三相 PWM 整流電路是最基本的 PWM 整流電路之一，電路圖如圖 所示。 電路的工作原理也和前述的單相全橋電路相似，只是從單相擴(kuò)展到三相。對(duì)電路進(jìn)行 SPWM 控制，在橋的交流輸入端 A、B 和 C 可得到 SPWM 電壓，對(duì)各相電壓按相量圖進(jìn)行控制，就可以使各相電流 、 、 為正弦波且和電aibci壓相位相同，功率因數(shù)近似為 1。 圖 三相橋式 PWM 整流電路 PWM 整流電路的控制方式根據(jù)有沒有引入電流反饋可以將這些控制方法分為兩種，沒有引入交流電流反饋的稱為間接電流控制，引入交流電流反饋的稱為直接電流控制。間接電流 控制也稱為相位和幅值控制，按整流運(yùn)行的相量關(guān)系來控制整*du流橋交流輸入端電壓，使得輸入電流和電壓同相位，從而得到功率因數(shù)為 1 的控制效果。控制系統(tǒng)的閉環(huán)是整流器直流側(cè)電壓控制環(huán)。直接電流控制：通過運(yùn)算求出交流輸入電流指令值，再引入交流電流反饋，通過對(duì)交流電流的直接LRV1 VD1AV4 V6VD4D6VD3VD2VD5uaubuciaibic CBC udc3 5邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）19控制而使其跟蹤指令電流值。控制系統(tǒng)是一個(gè)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，其外環(huán)是直流電壓控制環(huán)，內(nèi)環(huán)是交流電流控制環(huán)。指令信號(hào)和實(shí)際交流電流信號(hào)比較后，通過滯環(huán)對(duì)器件進(jìn)行控制，便可使實(shí)際交流輸入電流跟蹤指令值。采用滯環(huán)電流比較的直接電流控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電流響應(yīng)速度快，控制運(yùn)算中未使用電路參數(shù)，系統(tǒng)魯棒性好，因而獲得了較多的應(yīng)用。 隔離級(jí)電路及控制方式 隔離環(huán)節(jié)的功能為將輸入的直流電流轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l信號(hào)，經(jīng)過高頻變壓器升壓或者降壓，并藕合到副方，在副方再將交流信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流電流輸出。在這里，高頻變壓器的作用有兩個(gè)：一是實(shí)現(xiàn)原方系統(tǒng)和副方系統(tǒng)的隔離，二是實(shí)現(xiàn)電壓等級(jí)變