三相雙Buck斬波器的研究

鄭帥，唐群

（國網(wǎng)湖南省電力公司永州供電分公司，湖南永州425002）

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三相雙Buck斬波器的研究

鄭帥，唐群

（國網(wǎng)湖南省電力公司永州供電分公司，湖南永州425002）

摘要：三相交流斬波器廣泛應(yīng)用于調(diào)壓場合，傳統(tǒng)的三相交流斬波拓?fù)涔β使苤苯酉噙B，存在直通問題，需要在PWM控制信號(hào)中加入死區(qū)，會(huì)導(dǎo)致波形畸變和輸出電感過電壓等問題。三相雙Buck拓?fù)淇朔酥蓖▎栴}，具有自然換流特性，無需設(shè)置死區(qū)，解決了波形畸變和輸出電感過電壓等問題。分析三相雙Buck斬波器的工作模態(tài)，通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析的正確性。

關(guān)鍵詞：雙Buck；斬波；死區(qū)

1　引言

交流直接斬波電路必須遵循嚴(yán)格的換流時(shí)序，控制方式比較復(fù)雜，開關(guān)器件換流時(shí)存在較大電壓尖峰。為解決傳統(tǒng)交流斬波器死區(qū)續(xù)流產(chǎn)生過電壓等問題，本文根據(jù)以往的研究成果對(duì)雙Buck變換器拓?fù)溥M(jìn)行了研究，將其串聯(lián)在電網(wǎng)與負(fù)荷之間，系統(tǒng)輸出電壓就可以穩(wěn)定運(yùn)行，解決了斬波器死區(qū)續(xù)流過電壓問題，可以為負(fù)荷提供優(yōu)質(zhì)的電能。以此將單相雙Buck拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)建三相雙Buck斬波系統(tǒng)，以適用于更為普遍的三相調(diào)壓領(lǐng)域。

2　三相雙Buck斬波電路

雙Buck交流斬波電路具有Buck直流斬波自然換流的特性，避免了由于設(shè)置死區(qū)導(dǎo)致波形畸變和輸出電感過電壓等問題，在單相雙Buck交流斬波電路的基礎(chǔ)上，構(gòu)建三相交流雙Buck斬波電路。三相交流雙Buck斬波拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，每一相的雙Buck交流斬波的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)際上是在傳統(tǒng)Buck斬波器的基礎(chǔ)上，將IGBT器件和二極管的同向串聯(lián)組合（二極管的陰極接IGBT的漏極或者二極管的陽極接IGBT的源極），阻斷了IGBT器件在開通時(shí)的電流反向流動(dòng)，這樣就使IGBT器件和串聯(lián)二極管組成了一個(gè)具有單向性組合器件。從而在拓?fù)渖媳苊饬藗鹘y(tǒng)Buck斬波器的死區(qū)設(shè)計(jì)。同時(shí)，為了解決電源負(fù)電壓不能工作的問題，這個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)增加了一個(gè)續(xù)流電感［1］。

圖1　三相交流雙Buck斬波電路

3　基本原理

圖1所示為三相雙Buck斬波電路，每一相由兩個(gè)斬波管組成斬波組，由兩個(gè)相應(yīng)續(xù)流管組成續(xù)流通道，斬波組的開通與關(guān)斷，是由該相相電壓的正負(fù)決定［2］。各相之間的斬波管和續(xù)流管開通與關(guān)斷相互獨(dú)立。假設(shè)D為占空比、ω為角頻率，三相輸入電源是理想電源，即：

所以，可以遷移單相交流雙Buck斬波的基本原理到三相雙Buck交流斬波系統(tǒng)中，有：

4　半周期控制工作方式［3］［4］［5］

三相雙Buck斬波電路工作狀態(tài)，其實(shí)質(zhì)是每一相的兩個(gè)Buck電路交替工作在各相電源正負(fù)半周狀態(tài)。舉例闡述半周期控制的方式，以負(fù)載為純阻性負(fù)載、以A相為例，三相雙Buck交流斬波電路工作情況是在輸入電源電壓為正半周時(shí)，由斬波管VT1和VT2、二極管D1和D2、L1組成Buck電路1工作在PWM斬波狀態(tài)；在輸入電源電壓負(fù)半周時(shí)，由斬波管VT3和VT4、二極管D3和D4、L2組成Buck電路2工作在PWM斬波狀態(tài)。整個(gè)電路是由Buck電路1和Buck電路2交替工作在輸入工頻電壓的半個(gè)周期。具體分析如圖2所示。

圖2　三相雙Buck斬波電路工作模態(tài)

模態(tài)一（uia＞0，uib＜0，uic＞0）

AC相電源供能：斬波管VT1、VT2、VT7、VT8、VT9、VT10開通，VT3、VT4、VT5、VT6、VT11、VT12關(guān)斷。三相輸入電源A相電流通過D1、VT1給續(xù)流電感L1和電容C1充電，并給負(fù)載A提供能量，然后給電容C2充電，給負(fù)載B提供能量、經(jīng)過續(xù)流電感L4、D7、VT7回到電源B相。同理，三相電源C相電流通過D9、VT9給續(xù)流電感L5和電容C3充電，并給負(fù)載C提供能量，然后給電容C2充電，給負(fù)載B提供能量、經(jīng)過續(xù)流電感L4、D7、VT7回到電源B相。

模態(tài)二（uia＞0，uib＜0，uic＞0）

AC相儲(chǔ)能器件饋能：斬波管VT2、VT8、VT10開通，VT1、VT3、VT4、VT5、VT6、VT7、VT9、VT11、VT12關(guān)斷。三相輸入電源通路切斷。續(xù)流電感L1上的電流方向保持不變繼續(xù)給負(fù)載A提供能量，流經(jīng)負(fù)載A、負(fù)載B、續(xù)流電感L4、VT8、VT2，完成A相整個(gè)回路。同理，續(xù)流電感L5上的電流方向保持不變繼續(xù)給負(fù)載C提供能量，流經(jīng)負(fù)載C、負(fù)載B、續(xù)流電感L4、VT8、VT10，完成C相整個(gè)回路。

模態(tài)三（uia＞0，uib＜0，uic＜0）

A相電源供能：斬波管VT1、VT2、VT7、VT8、VT11、VT12開通，VT3、VT4、VT5、VT6、VT9、VT10關(guān)斷。同理，A相電源電流通過其斬波通路流通B、C兩相的斬波通路，其間分別給三相負(fù)載供能。

模態(tài)四（uia＞0，uib＜0，uic＜0）

A相儲(chǔ)能器件饋能：斬波管VT1、VT2、VT7、VT8、VT11、VT12開通，VT3、VT4、VT5、VT6、VT9、VT10關(guān)斷。同理，A相電感電流通過其斬波通路流通B、C兩相的斬波通路，其間分別給三相負(fù)載供能。

模態(tài)五（uia＞0，uib＞0，uic＜0）

A、B相電源供能：斬波管VT1、VT2、VT5、VT6、VT11、VT12開通，VT3、VT4、VT7、VT8、VT11、VT12關(guān)斷。同理，A、B相電源電流通過其斬波通路流通C相的斬波通路，其間分別給三相負(fù)載供能。

模態(tài)六（uia＞0，uib＞0，uic＜0）

A、B相儲(chǔ)能器件饋能：斬波管VT1、VT2、VT5、VT6、VT11、VT12開通，VT3、VT4、VT7、VT8、VT11、VT12關(guān)斷。同理，A、B相電感電流通過其斬波通路流通C相的斬波通路，其間分別給三相負(fù)載供能。

模態(tài)七（uia＜0，uib＞0，uic＜0）

B相電源供能：斬波管VT3、VT4、VT5、VT6、VT11、VT12開通，VT1、VT2、VT7、VT8、VT9、VT10關(guān)斷。同理，B相電源電流通過其斬波通路流通A、C兩相的斬波通路，其間分別給三相負(fù)載供能。

模態(tài)八（uia＜0，uib＞0，uic＜0）

B相儲(chǔ)能器件饋能：斬波管VT3、VT4、VT5、VT6、VT11、VT12開通，VT1、VT2、VT7、VT8、VT9、VT10關(guān)斷。同理，B相電感電流通過其斬波通路流通A、C兩相的斬波通路，其間分別給三相負(fù)載供能。

模態(tài)九（uia＜0，uib＞0，uic＞0）

BC相電源供能：斬波管VT3、VT4、VT5、VT6、VT9、VT10開通，VT1、VT2、VT7、VT8、VT11、VT12關(guān)斷。同理，B、C相電源電流通過其斬波通路流通A相的斬波通路，其間分別給三相負(fù)載供能。

模態(tài)十（uia＜0，uib＞0，uic＞0）

B、C相儲(chǔ)能器件饋能：斬波管VT3、VT4、VT5、VT6、VT9、VT10開通，VT1、VT2、VT7、VT8、VT11、VT12關(guān)斷。同理，B、C相電感電流通過其斬波通路流通A相的斬波通路，其間分別給三相負(fù)載供能。

模態(tài)十一（uia＜0，uib＜0，uic＞0）

C相電源供能：斬波管VT3、VT4、VT7、VT8、VT9、VT10開通，VT1、VT2、VT5、VT6、VT11、VT12關(guān)斷。同理，C相電源電流通過其斬波通路流通A、C兩相的斬波通路，其間分別給三相負(fù)載供能。

模態(tài)十二（uia＜0，uib＜0，uic＞0）

C相儲(chǔ)能器件饋能：斬波管VT3、VT4、VT7、VT8、VT9、VT10開通，VT1、VT2、VT5、VT6、VT11、VT12關(guān)斷。同理，C相電感電流通過其斬波通路流通A、C兩相的斬波通路，其間分別給三相負(fù)載供能。

5　仿真試驗(yàn)

為了驗(yàn)證由單相雙Buck交流斬波電路構(gòu)建三相雙Buck交流斬波電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方案的可行性，在Matlab仿真環(huán)境下搭建仿真模型，在本系統(tǒng)選擇載波頻率50kHz，載波幅值為1，占空比為0．8，輸出的濾波電容為4．7uF，濾波電感為0．4mH，負(fù)載為10Ω，輸入線電壓有效值為380V，頻率為50Hz。仿真模型如圖3所示，仿真結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出，三相電源經(jīng)過斬波濾波后輸出的電壓電流波形正常，電流含有豐富的諧波含量，充分驗(yàn)證了所搭建的三相雙Buck交流斬波電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制方法是正確可行的。

6　結(jié)論

本文主要對(duì)三相雙Buck交流斬波電路進(jìn)行了研究，詳細(xì)介紹了由單相雙Buck交流斬波電路構(gòu)建的三相系統(tǒng)，一一分析其工作模態(tài)，得出結(jié)論：相與相之間斬波和續(xù)流之間的控制并不存在耦合關(guān)系，所以可以分別單獨(dú)控制三相的相應(yīng)開關(guān)管。最后在Matlab仿真環(huán)境下搭建仿真模型，進(jìn)行仿真驗(yàn)證，驗(yàn)證表明該方案是正確的，控制策略可行，并實(shí)現(xiàn)了調(diào)節(jié)輸出電壓的功能。

圖3　三相雙Buck斬波電路仿真模型

圖4　三相雙Buck斬波電路仿真波形

參考文獻(xiàn)：

［1］洪峰，孫剛，蔡兆奇，王慧貞，嚴(yán)仰光．雙Buck雙向交流斬波器［J］．中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2008：28 （18）：18-22．

［2］林渭勛．現(xiàn)代電力電子技術(shù)［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006．

［3］王阿敏，張友軍，翁振明，項(xiàng)家希，吳偏偏．三相Buck型脈寬調(diào)制AC／AC交流斬波器及其控制策略［J］．電源世界，2011（05）：29-35．

［4］徐德鴻．電力電子系統(tǒng)建模及控制［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006．

［5］張興．高等電力電子技術(shù)［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011．

Research on three-phase dual Buck chopper

ZHENG Shuai，TANG Qun

（State Grid Yongzhou Power Supply Company，Yongzhou 425002，China）

Key words：dual Buck；chopper；dead zone

Abstract：The three-phase AC chopper is widely used in the voltage regulating occasions．Since the conventional three-phase AC chopper topology power tube is directly connected，it exist the problem of the straight through and needs to add the dead zone in the PWM control signals and can lead to a waveform distortion and overvoltage of the output inductor．The three-phase dual buck topology overcomes the problem of straight through，and has natural commutation properties without dead time，also can solve the voltage waveform distortion and overvoltage problem．The working mode of the three-phase double Buck chopper is analyzed．The simulation results verify the correctness of the theoretical analysis．

中圖分類號(hào)：TN710

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1005—7277（2016）02—0006—04

作者簡介：

鄭帥（1987-），男，碩士，就職于國網(wǎng)湖南省電力公司永州供電分公司，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。

收稿日期：2016-02-23