單相-三相轉(zhuǎn)換器發(fā)展及比較(有圖有表)

1、關(guān)于單相-三相轉(zhuǎn)換器的最新技術(shù)報(bào)告摘要： 在轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)與控制策略于科技著作中已經(jīng)被廣泛確立的今天，運(yùn)用電力電子器件的單相-三相轉(zhuǎn)換器已然成為一種廣為人知的技術(shù)。這些年來，關(guān)于其結(jié)構(gòu)的設(shè)想被明顯的分為兩個(gè)主要方向：1）器件數(shù)量減少的結(jié)構(gòu)；2）組件數(shù)量增加的結(jié)構(gòu)。進(jìn)行減少組件數(shù)量的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面的研究是多年來的趨勢，從某些方面看這是因?yàn)橄啾葢?yīng)用在直流環(huán)節(jié)總線上的電容元件，電力開關(guān)器件的成本過高，故而轉(zhuǎn)換器的支路有時(shí)會使用中心電容來替代。然而，隨著半導(dǎo)體器件價(jià)格的不斷減低，這種趨勢也發(fā)生了變化，特別在追求高可靠性、高效率、低失真的情況下，增加元件數(shù)量的結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為一種令人感興趣的選擇。本篇文章不僅對兩

2、種結(jié)構(gòu)進(jìn)行了全面的回顧，而且包含了單相交流-三相交流直接轉(zhuǎn)換器以及旨在降低直流環(huán)節(jié)電壓波動的轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)。本文的目的在于向?qū)蜗?三相功率轉(zhuǎn)換技術(shù)有興趣的專家學(xué)者們提供完整的最新技術(shù)現(xiàn)狀。關(guān)鍵詞：功率調(diào)節(jié)、電力電子轉(zhuǎn)換器件、脈沖寬度調(diào)制轉(zhuǎn)換器件1、 導(dǎo)言電能傳輸領(lǐng)域中，單相電網(wǎng)傳輸方案由于其成本遠(yuǎn)低于三相方案的特點(diǎn)一直被當(dāng)做對偏遠(yuǎn)地區(qū)供電的的替代方案，而在像巴西這樣需要電網(wǎng)覆蓋廣闊范圍的大國里，單相電網(wǎng)的運(yùn)用相當(dāng)普遍。另一方面，連接在三相電源中的負(fù)載表現(xiàn)出許多單相負(fù)載所沒有的優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)負(fù)載為電動機(jī)時(shí)，這些優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)的尤為明顯，比如：穩(wěn)定的轉(zhuǎn)矩、穩(wěn)定的功率、較小的尺寸等。因此，單相-三相轉(zhuǎn)換系統(tǒng)有著

3、巨大的市場需求。從應(yīng)用方面來看，每當(dāng)提及單相-三相轉(zhuǎn)換器，首先想到的就是三相電機(jī)拖動系統(tǒng)。但是，作者認(rèn)為，在農(nóng)村地區(qū)的應(yīng)用中給三相異步電動機(jī)供電不再是單相-三相轉(zhuǎn)換器的主要功能。因?yàn)殡S著農(nóng)業(yè)科技的發(fā)展，一些局部負(fù)載（比如：電力電子轉(zhuǎn)換器、電腦、通訊工具等）對電源質(zhì)量的要求有所提高，既：正弦性、對稱性、三相電壓平衡性。過去，單相-三相轉(zhuǎn)換系統(tǒng)通過連接配備自耦變壓器的無源器件來實(shí)現(xiàn)，這類系統(tǒng)有著眾所周知的缺點(diǎn)與限制。那時(shí)，運(yùn)用半導(dǎo)體功率二極管和閘流元件的電力電子器件才剛剛出現(xiàn)。在某些著作中，這些使用氣體導(dǎo)管和玻璃泡的所謂電力電子器件被稱作工業(yè)電子器件，而運(yùn)用可控硅整流元件的電力電子器件于二十世紀(jì)六

4、十年代初才開始出現(xiàn)在市場上。從固態(tài)電力電子器件出現(xiàn)起，半導(dǎo)體器件就是用來拖動電力處理器的主要技術(shù)手段。在了解之前應(yīng)用在可控整流器上的半導(dǎo)體裝置的基礎(chǔ)上將其與新的技術(shù)做比較，我們能夠成功的認(rèn)識到其中令人驚訝的技術(shù)發(fā)展。除了有關(guān)電力開關(guān)的改進(jìn)，在回路拓?fù)漕I(lǐng)域，如：三相-三相、單相-單相、三相-單相轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的創(chuàng)新活動也十分活躍。 單相-三相功率轉(zhuǎn)換器被分成兩個(gè)主要方向：1）組件數(shù)量減少的構(gòu)造；2）組件數(shù)量增加的構(gòu)造。由于電力開關(guān)器件成本過高第一個(gè)方向（減少組件數(shù)量的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)）是多年來的趨勢，故而轉(zhuǎn)換器的支路有時(shí)會使用中心電容來替代。然而，隨著半導(dǎo)體器件價(jià)格的不斷減低，這種趨勢也發(fā)生了變化，特別在追求

5、高可靠性、高效率、低失真的情況下，增加組件數(shù)量的結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為一種令人感興趣的選擇。本篇文章不僅對兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行了全面的回顧，而且包含了單相ac-三相ac直接轉(zhuǎn)換器（無直流環(huán)節(jié)電容）以及旨在降低直流環(huán)節(jié)電壓波動的轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)。 本文的目的只在于向?qū)蜗?三相功率轉(zhuǎn)換拓?fù)鋵W(xué)有興趣的專家學(xué)者們提供完整的最新技術(shù)現(xiàn)狀。 如圖（1），傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本上被分為兩大類。值得一提的是，為了方便比較，本文中對每種結(jié)構(gòu)做了新的標(biāo)識，比如：圖（1.a）被標(biāo)識為C1，圖（1.b）被標(biāo)識為C2，以此類推。圖（1）傳統(tǒng)單相-三相轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)(C1、C2) 由于其輸入輸出轉(zhuǎn)換段的所有變量都可控，C2結(jié)構(gòu)成為了單相-三相電力轉(zhuǎn)換器的

6、一種更令人感興趣的實(shí)現(xiàn)方案。而如圖（2）所示，C1結(jié)構(gòu)是一種更為廉價(jià)的解決方案，但是它的輸入電流和直流環(huán)節(jié)電壓完全不可控。圖（2.a）和（2.b）分別展示了C1和C2結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換結(jié)果。值得一提的是，這兩種結(jié)構(gòu)都被當(dāng)做新結(jié)構(gòu)的參考，既：新的拓?fù)鋵W(xué)研究旨在控制輸出波形更接近結(jié)構(gòu)C1而遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)C2。圖（2）傳統(tǒng)單相-三相轉(zhuǎn)換器實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果圖（3）描述了一種能實(shí)現(xiàn)C2控制無偏性的可行的控制策略的應(yīng)用。圖中標(biāo)有“*”的變量為引用變量。同時(shí)，由圖可知其包含三個(gè)控制單元和一個(gè)同步單元。當(dāng)控制系統(tǒng)較為復(fù)雜時(shí)，這種控制策略可以表現(xiàn)出一些優(yōu)勢。圖（3）C2結(jié)構(gòu)的控制框圖本文中提到的開關(guān)中能量的無規(guī)則分布是單相-三相

7、電力轉(zhuǎn)換器中的另一個(gè)需要特別注意的特點(diǎn)，如圖（4），單相-三相轉(zhuǎn)換器總損耗的63%出現(xiàn)在整流環(huán)節(jié)中，而剩下的37%出現(xiàn)在逆變環(huán)節(jié)中。由這些數(shù)據(jù)我們可以推測出開關(guān)所受的應(yīng)力，既：每個(gè)整流開關(guān)承受轉(zhuǎn)換器總損耗的15.7%，而每個(gè)逆變開關(guān)承擔(dān)6.1%。開關(guān)應(yīng)力為衡量電力轉(zhuǎn)換失敗概率提供了重要的參數(shù)，除了第三部分中將會講到的并聯(lián)整流系統(tǒng)，本文中涉及的所有配置方案都有這種問題（較大的分布能量損失）。圖（4）能量損耗在整流器及逆變器中分布不同型號的開關(guān)損耗估計(jì)可在文獻(xiàn)中查閱。本文中，通過回歸模型來實(shí)現(xiàn)損耗估計(jì)，這種方法已經(jīng)經(jīng)過試驗(yàn)檢測并有了相關(guān)著作。實(shí)驗(yàn)測試中使用的電力開關(guān)為由SKHI-10（SEMIKR

8、ON）驅(qū)動的雙絕緣柵雙極晶體管（IGBT）模塊CM50DY-24H（POWEREX）。該開關(guān)損耗模型包括：1）IGBT和二極管的導(dǎo)通損耗;2）IGBT的開通損失;3）IGBT關(guān)斷損耗;4）二極管關(guān)斷損耗。導(dǎo)言之后本文將分為六個(gè)部分，第二部分主要介紹減少或者消除元件的配置。另一方面，第三部分介紹增加元件數(shù)量的配置方案。單相-三相轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用將在第四部分詳細(xì)介紹。第五部分對不同結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)做出了簡明的比較，突出了每種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的主要特征。最后，將在第六部分中下結(jié)論。第二部分會分為兩個(gè)小節(jié)，本文結(jié)構(gòu)的完整圖示見圖（5）。每部分中，我們盡可能以時(shí)間順序陳述以便讓讀者能清楚了解到單相-三相變換器的發(fā)展過程。

9、圖（5）文章結(jié)構(gòu)一覽2 減少或消除元件的配置方案 在轉(zhuǎn)換信號波形質(zhì)量沒有顯著變化的前提下進(jìn)行元件數(shù)量的減少曾經(jīng)并且仍然是許多轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)者的目標(biāo)，而在放棄了許多元件的轉(zhuǎn)換器中這一前提往往沒辦法滿足。盡管如此，因?yàn)檫@類轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)，那些不是很完美的波形還是可以被接受的。A. 減少半導(dǎo)體器件數(shù)量的策略（1）直流環(huán)節(jié) 中點(diǎn)連接：直流環(huán)節(jié) 中點(diǎn)連接已經(jīng)被運(yùn)用在很多交流轉(zhuǎn)換器上以實(shí)現(xiàn)電力開關(guān)的減少。這意味著每條支路至少由兩個(gè)電力開關(guān)構(gòu)成的理論已經(jīng)不再適用。但是，只有在減少電力晶體管器件的情況下不影響設(shè)備額定值和電解電容的能量存儲，這種減少成本的方案才有意義。另一個(gè)方面，電解電容的壽命比電力開關(guān)的短，這也十

10、分重要。 直流環(huán)節(jié)電容電流諧波頻譜（圖（6.a）以及半橋結(jié)構(gòu)（圖（6.b）、（6.c）突出表現(xiàn)直流環(huán)節(jié)中點(diǎn)連接對使用壽命及轉(zhuǎn)換效率的影響。圖（6）電路結(jié)構(gòu)及電容電流的諧波頻譜由圖（6.a），直流環(huán)節(jié) 電容電流計(jì)算公式為： 其中g(shù)1到l3依次為開關(guān)qg1到ql3關(guān)斷的時(shí)間間隔，Ts為開關(guān)周期。 假定參考極電壓在Ts恒定，則時(shí)間間隔j (j = g1 to l3)可由參考極電壓表示。比如，g1可由如下公式給出： 由（1）和（2），直流環(huán)節(jié)電容電流可寫為： 其中vg = vg10 vg20。同樣的，對于輸入輸出半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，我們可以知道直流環(huán)節(jié)電流的如下關(guān)系： 由于存在基于電網(wǎng)電流和負(fù)載電流的額外分

11、量，輸入輸出半橋結(jié)構(gòu)電容電流的表達(dá)式相比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)有所不同。放大圖（6）可以看到這個(gè)額外分量。直流環(huán)節(jié)高頻功率損耗可由如下公式算出： 其中為元件在直流環(huán)節(jié)上的高階方均根電流，而ESR(100Hz)為其高頻等效串聯(lián)電阻。頻率的升高，電流紋波的減少和溫度的升高都可以使ESR降低。若頻率高于3khz，則可以認(rèn)為ESR等于其在100hz時(shí)值的0.45倍并保持不變。而的值只與有關(guān)，圖（6）分別描述了全橋結(jié)構(gòu)、輸入半橋結(jié)構(gòu)和輸出半橋結(jié)構(gòu)中直流環(huán)節(jié)電容電流的諧波頻譜。分別設(shè)定電網(wǎng)電壓和負(fù)載相電壓為1標(biāo)幺值可以得到上述仿真結(jié)果。而且可以得到如下結(jié)論：1）圖（6.a）所示結(jié)構(gòu)中，直流環(huán)節(jié)電壓為負(fù)載相電壓幅值的倍；

12、2）圖（6.c）所示拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，直流環(huán)節(jié)電壓為為負(fù)載相電壓幅值的2倍；3）圖（6.c）所示結(jié)構(gòu)中，直流環(huán)節(jié)電壓為負(fù)載相電壓幅值的倍。在C2結(jié)構(gòu)中能觀測到的低頻分量只有二次諧波分量，而在半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中可以檢測到工頻分量。另一方面，輸入、輸出半橋結(jié)構(gòu)相對于全橋結(jié)構(gòu)對高頻直流環(huán)節(jié)方均根電流分別有24%和8%的減少,這意味著半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以降低直流環(huán)節(jié)高頻能量損耗。如圖（7），為單相-三相轉(zhuǎn)換器輸在輸出頻率固定且等于電網(wǎng)頻率時(shí)的應(yīng)用，相比圖（1.a）中的結(jié)構(gòu)，盡管它大大減少了電力開關(guān)的數(shù)量，但也帶來了很多不足，比如：1）開關(guān)需要承受的電壓為單相總線電壓峰值的兩倍；2）由于電流頻率過低，直流環(huán)節(jié) 電容的

13、額定VA需要增大；3）有源輸入電流波形無法檢測。圖（7）穩(wěn)定輸出頻率的經(jīng)濟(jì)型轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)(C3、C4)在這些結(jié)構(gòu)中，機(jī)械操作受限于電網(wǎng)給定的頻率。圖（8）中含有6個(gè)開關(guān)的單相-三相轉(zhuǎn)換器與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)換器相比有許多不同和優(yōu)點(diǎn)。在應(yīng)用方面，這種轉(zhuǎn)換器可應(yīng)用于農(nóng)村地區(qū)電機(jī)拖動系統(tǒng)及高速拖動系統(tǒng)。有的學(xué)者提出了減小直流環(huán)節(jié)電容電流的同步技術(shù)，當(dāng)輸出頻率和輸入頻率相同時(shí)這種技術(shù)可行性很高。圖（8）六開關(guān)轉(zhuǎn)換器(C5)如圖（9），進(jìn)行兩個(gè)直流環(huán)節(jié)中點(diǎn)連接的回路結(jié)構(gòu)具有高頻隔離，能量流可逆，可工作在零點(diǎn)電壓處等優(yōu)點(diǎn)。圖（9）高頻隔離的轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)(C6) 圖（10）是一種由六個(gè)開關(guān)和一個(gè)二極管構(gòu)成的單相-三相轉(zhuǎn)換器

14、。而直流環(huán)節(jié)中點(diǎn)連接的實(shí)現(xiàn)也使得圖（11）所示的四線三相負(fù)載結(jié)構(gòu)得以提出。圖（10）六開關(guān)一二極管支路的雙向轉(zhuǎn)換器(C7)圖（11）半控PWM整流器及四線逆變器組成的轉(zhuǎn)換器(C8、C9)圖（12.）中的結(jié)構(gòu)可以為三相負(fù)載提供頻率恒定或者可變的電能，同時(shí)也加強(qiáng)了三相之間的聯(lián)系。這類結(jié)構(gòu)的主要功能可以總結(jié)為：1）在簡單的開環(huán)控制方案下可以實(shí)現(xiàn)對電容的減??；2）只需要傳統(tǒng)6開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)2/3的開關(guān)數(shù)量即可實(shí)現(xiàn)脈沖寬度調(diào)制。而在需要工頻運(yùn)行的應(yīng)用中，圖（12.d）的結(jié)構(gòu)有最廣泛的實(shí)用性，只要頻率變化低，額定工作頻率足夠，它的優(yōu)勢就會超過6開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖（12）其他拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(C10) 學(xué)者們致力于在保

15、證開關(guān)數(shù)目不變的前提下改變圖（8）中半橋結(jié)構(gòu)的位置，第一個(gè)理論成果如圖（13.a）所示，它在負(fù)載側(cè)采用了全橋變換而在電網(wǎng)側(cè)采用了半橋結(jié)構(gòu)，圖（13.b）的結(jié)構(gòu)位置與其恰好相反。這兩種結(jié)構(gòu)輸入輸出轉(zhuǎn)換側(cè)都有共用支路，都能帶來雙向功率流，輸入正弦電流得到的功率因數(shù)都接近于1，而且輸出電壓均可控。由于其可以選擇在輸入或者輸出側(cè)來進(jìn)行半橋連接，相比傳統(tǒng)轉(zhuǎn)換器，這種結(jié)構(gòu)擁有能夠減少輸入或輸出轉(zhuǎn)換側(cè)總諧波失真的能力。圖（13）其他拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(C11)對圖（14）中的結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較分析可得，對直流環(huán)節(jié)中點(diǎn)和輸入輸出側(cè)共享支路的使用都可以減少開關(guān)器件的數(shù)量，而其中所有結(jié)構(gòu)都有支持能量的雙向流動。圖（14）其他拓?fù)?/p>

16、結(jié)構(gòu)(C12)表（1)收錄了結(jié)構(gòu)C3到C12中半導(dǎo)體器件的額定電壓和電流，同時(shí)也就其控制復(fù)雜度及結(jié)構(gòu)框圖同傳統(tǒng)方案進(jìn)行了比較。在表中，D和S分別表示二極管和開關(guān)，既：2D表示兩個(gè)二極管而4S表示四個(gè)開關(guān)。表（1）對直流環(huán)節(jié)重點(diǎn)連接結(jié)構(gòu)的比較(2) 輸入輸出側(cè)支路共享：上一節(jié)中使用直流環(huán)節(jié)中點(diǎn)電容連接的結(jié)構(gòu)在工作時(shí)都會在電容處產(chǎn)生60hz的額外電流波動，當(dāng)使用壽命、電容應(yīng)力、電壓波動被嚴(yán)格要求的情況下，必須避免這類連接。一般而言，在不使用直流環(huán)節(jié)中點(diǎn)連接的情況下減少器件數(shù)目就意味著要對轉(zhuǎn)換器的兩級進(jìn)行支路共享。圖（15）中的結(jié)構(gòu)都在不使用直流環(huán)節(jié)中點(diǎn)連接的情況下實(shí)現(xiàn)了元件的減少。圖（15.b）中

17、的電容中點(diǎn)連接結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)多種要求，但是這類結(jié)構(gòu)只能運(yùn)用于輸出頻率恒定且等于電網(wǎng)頻率的情況中，其優(yōu)點(diǎn)在于在輸入輸出轉(zhuǎn)換側(cè)的雙向能量流，這能在電動機(jī)型負(fù)載的回饋制動工程中起到作用。圖（15）無直流環(huán)節(jié)中點(diǎn)連接的單相-三相轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)(C13、C14)圖（16）描述了一種使用同步技術(shù)的電路結(jié)構(gòu)，這種方案的應(yīng)用使得對擁有和傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相同額定電壓的三相負(fù)載供電成為了可能，這種技術(shù)甚至可以被應(yīng)用在輸入輸出轉(zhuǎn)換側(cè)有共享支路的情況中。圖（16）有一條共享支路的單相-三相轉(zhuǎn)換器（C15） 如圖（17）所示為一種可應(yīng)用于所有加油共享支路的ac-dc-ac轉(zhuǎn)換器的新結(jié)構(gòu)，在轉(zhuǎn)換器兩端頻率相同的前提下，可以使得電力轉(zhuǎn)換

18、器在減少器件的同時(shí)還能保證同傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相同的工作特性。圖（17.a），（17.b）分別表示電網(wǎng)電流的功率因數(shù)調(diào)節(jié)和直流環(huán)節(jié)電壓與輸出相電壓的控制。雖然只使用了四條支路，C15中結(jié)構(gòu)可以得到和全橋電路結(jié)構(gòu)相同的直流環(huán)節(jié)電壓。圖（17）對C15結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)測試結(jié)構(gòu) 如圖（18），為四線制的單相-三相轉(zhuǎn)換器同那些傳統(tǒng)轉(zhuǎn)換器之間的比較，這類轉(zhuǎn)換器都有一條共用支路而且都支持雙向能流。同時(shí)，表（2）對C13-C16轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)中電流及電壓的額定值與控制的復(fù)雜性進(jìn)行了歸納。圖（18）C16結(jié)構(gòu)圖表（2）對支路共享結(jié)構(gòu)的比較（3） 整流器簡化 在使用直流環(huán)節(jié)中點(diǎn)連接和支路共享技術(shù)來減少半導(dǎo)體器件數(shù)目的結(jié)構(gòu)之后，其他

19、減少半導(dǎo)體器件的策略也相繼被提出，簡化整流環(huán)節(jié)回路結(jié)構(gòu)的方法為其中的代表。如圖（19）為兩種使用單相電網(wǎng)供電的交流電機(jī)拖動系統(tǒng)，這類結(jié)構(gòu)中電機(jī)與電網(wǎng)的中性點(diǎn)直接相連，這就意味著電機(jī)每相中有1/3的電網(wǎng)電流，而這會導(dǎo)致電機(jī)損耗的增加卻不會影響其DQ電流，所以這類結(jié)構(gòu)中轉(zhuǎn)矩不能被電網(wǎng)電流所控制。 盡管如此，這類系統(tǒng)也有著可以不需要添加整流電路電感以及能減少開關(guān)數(shù)量的優(yōu)點(diǎn)。圖（19）無升壓電感元件的轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)（C17、C18）圖（20）為對C17結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果，由圖可知這種結(jié)構(gòu)達(dá)到了和C2結(jié)構(gòu)一樣的控制能力，比如：功率因數(shù)控制（如圖（20.a），直流環(huán)節(jié)電壓控制（如圖（20.b），向電機(jī)提供平衡

20、的DQ電流（如圖（20.c）。但其相電流中會出低頻諧波。圖（20）對無升壓電感結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果盡管圖（19.b）中的結(jié)構(gòu)使用了直流環(huán)節(jié)中點(diǎn)連接，但由于其主要特點(diǎn)為放棄了整個(gè)整流環(huán)節(jié)，所以仍被收錄在在本節(jié)中，關(guān)于這種結(jié)構(gòu)的正弦調(diào)制技術(shù)與空間矢量調(diào)制技術(shù)已經(jīng)被提出。最后，圖（21）展示了一種可以減少整流側(cè)元件數(shù)量的單相-三相四線制轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)。表（3）對C17-C19轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)中電流及電壓的額定值與控制的復(fù)雜性進(jìn)行了歸納。圖（21）C19結(jié)構(gòu)圖表（3）對整流器簡化結(jié)構(gòu)的比較B.舍棄直流環(huán)節(jié)電容將交流電網(wǎng)上能量直接轉(zhuǎn)換到交流負(fù)載上的矩陣轉(zhuǎn)換器是一種舍棄了直流環(huán)節(jié)電容的能量轉(zhuǎn)換器，可以被應(yīng)用在三相-三

21、相、三相-雙相、三相-單相的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)中。由于輸入電壓波動的問題，矩陣轉(zhuǎn)換原理在單相-三相轉(zhuǎn)換器中的應(yīng)用比在其他轉(zhuǎn)換器中更有挑戰(zhàn)性，A novel single- to three-phase static converter（一種新型的單相-三相靜態(tài)轉(zhuǎn)換器）的作者是這個(gè)領(lǐng)域的先驅(qū)，他提出了如圖（22.a）中的電路結(jié)構(gòu)，其缺點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)可以概括為：1）電壓頻率比例控制能力2）輸入電流接近正弦3）輸出電壓含有三次諧波分量4）電壓利用率低。圖（22）單相-三相矩陣轉(zhuǎn)換器（C20、C21）在減少元件數(shù)量方面，后人又對圖（22.a）做了深入研究與改進(jìn)，使得其半導(dǎo)體器件數(shù)量減少了33%（如圖（22.b）。雖然

22、減少了器件數(shù)量，這類結(jié)構(gòu)仍能對三相電機(jī)的幅值與頻率進(jìn)行控制，而其主要的不足在于輸入輸出間的電壓增益較低，負(fù)載電流中含有低次諧波。使用PSPICE建模仿真可以對單相-三相交交變頻器進(jìn)行研究。矩陣控制器標(biāo)準(zhǔn)配置的出現(xiàn)是為了對如圖（23）所示的單相-三相轉(zhuǎn)換器進(jìn)行設(shè)計(jì)與控制，而旨在對減少換向器數(shù)目的PWM控制策略及-調(diào)節(jié)方法也相繼出現(xiàn)。圖（24）中的單相-三相矩陣轉(zhuǎn)換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)旨在消除由雙倍工頻下單相功率瞬時(shí)波動引起的系統(tǒng)電壓電流的畸變，這類轉(zhuǎn)換器增加了三個(gè)雙向開關(guān)和一個(gè)電抗器。圖（23）C22結(jié)構(gòu)圖圖（24）C23結(jié)構(gòu)圖 由于電機(jī)上的非平衡電流，由七個(gè)閘流晶體管和一個(gè)平衡電容器構(gòu)成的交交變頻器不能被

23、應(yīng)用在需要柔性轉(zhuǎn)矩的系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)換器輸入側(cè)為電流源類型結(jié)構(gòu)也被提出來實(shí)現(xiàn)ac-ac直連的單相-三相轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)。 表（4）對C20-C23的轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)中電流及電壓的額定值與控制的復(fù)雜性進(jìn)行了歸納。表（4）對舍棄電容的轉(zhuǎn)換器的比較3 增加元件數(shù)量的配置方案在交錯(cuò)或者多級結(jié)構(gòu)中，如果能夠提高轉(zhuǎn)換器波形質(zhì)量，那么增加元件數(shù)量的結(jié)構(gòu)就是可行的。雖然在三相-三相轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中不再需要降低直流環(huán)節(jié)電壓波動，但其在單相-三相轉(zhuǎn)換器中仍可用來衡量元件的增加是否值得。研究表明電能紋波減少的頻率是電源的兩倍，這些專家進(jìn)一步提出了具有電源解耦功能的單相-三相變換器結(jié)構(gòu)以及控制方式。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于其直流環(huán)節(jié)區(qū)不需要大電抗

24、和大濾波電容，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)建立在能對電源紋波進(jìn)行有源緩沖解耦的間接矩陣變換器的基礎(chǔ)上。圖（25）含有有源緩沖器及充電回路的結(jié)構(gòu)（C24、C25）另一方面，輸入輸出兩側(cè)中半導(dǎo)體器件內(nèi)電流的不規(guī)則分部也是單相-三相轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)。在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，整流開關(guān)元件的電流及功率額定值比逆變器一側(cè)的要大?？紤]到這些因素，含有兩個(gè)并聯(lián)整流器的單相-三相轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)被提出，如圖（26）。盡管增加了器件數(shù)量，這類拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)卻有著如下的優(yōu)點(diǎn)：1）降低了整流器電流；2）交錯(cuò)技術(shù)的使用使得總諧波失真得到改進(jìn)；3）降低了直流環(huán)節(jié)電容應(yīng)力以及整流器線路的容錯(cuò)能力。并聯(lián)整流技術(shù)的使用使得整流區(qū)產(chǎn)生了算法可控的循環(huán)電流。圖（26）

25、雙整流器結(jié)構(gòu)（C26）圖（27）分別描繪了電網(wǎng)及整流器電流、點(diǎn)1與點(diǎn)2的波形放大圖。根據(jù)相同的原理，有的學(xué)者提出了由兩個(gè)并聯(lián)整流器及一條輸入輸出轉(zhuǎn)換側(cè)共用支路構(gòu)成的單相-三相轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)，如圖（28）。當(dāng)輸入輸出頻率相同時(shí)，這種結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出如下的優(yōu)勢：1）當(dāng)開關(guān)工作在相同額定功率的前提下，降低整流開關(guān)的額定功率；2）較少因?yàn)槭褂酶哳~定功率整流開關(guān)而產(chǎn)生的額外成本；3）容錯(cuò)能力的提高。圖（27）雙整流器結(jié)構(gòu)試驗(yàn)測試結(jié)構(gòu)圖（28）運(yùn)用支路共享并聯(lián)整流器的轉(zhuǎn)換器（C27）圖（29）中介紹了運(yùn)用并聯(lián)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換器構(gòu)造，表（5）對C24-C29的轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)中電流及電壓的額定值與控制的復(fù)雜性進(jìn)行了歸納。圖（29

26、）全并聯(lián)轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)（C8）表（5）對器件數(shù)目增加的轉(zhuǎn)換器的參數(shù)比較4 應(yīng)用 前文提到的許多單相-三相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)已經(jīng)被應(yīng)用于實(shí)際生活中，比如：電力轉(zhuǎn)換器被當(dāng)做有源電力濾波器來減少開關(guān)過程中的能量損耗。這些應(yīng)用將在本節(jié)中得到具體介紹。具體應(yīng)用有：1. 適用于單相-三相轉(zhuǎn)換器的有源濾波器。這類研究可能在提高對線性和非線性負(fù)載的供電質(zhì)量的同時(shí)實(shí)現(xiàn)對功率因數(shù)的矯正。同時(shí)，這類研究也深入到了三相-單相轉(zhuǎn)換器，對農(nóng)村地區(qū)供電時(shí)使用的單根導(dǎo)線接地回路系統(tǒng)是這類結(jié)構(gòu)的典型應(yīng)用。它的主要優(yōu)勢有：1）電力轉(zhuǎn)換過程損耗只占負(fù)載功率和調(diào)節(jié)直流環(huán)節(jié)電壓所需能量的一小部分；2）普通操作時(shí)直流側(cè)可以無源化。而三相負(fù)載線電壓幅值

27、受單相電壓限制是它的主要缺陷，對三相負(fù)載進(jìn)行三角連接可以將這種缺陷降到最小。圖（30）使用有源電力濾波器的轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)（C29） 為了解決低負(fù)載電壓時(shí)的一些問題，專家們試圖找到一種可以應(yīng)用于單相-三相系統(tǒng)的萬能電源濾波器，如圖（31.a）、（31.b）所示。兩者都可以對電網(wǎng)電壓失真、負(fù)載引起的諧波和能量耗損進(jìn)行補(bǔ)償，兩種回路的區(qū)別在于串聯(lián)和并聯(lián)濾波器的位置不同，既：圖（31.a）中，串聯(lián)濾波器位于電網(wǎng)測，并聯(lián)有源濾波器位于負(fù)載側(cè)，而在圖（31.b）中，它們的位置剛好相反。由于部分能量直接通過電線傳輸，這兩種結(jié)構(gòu)的過程損耗都比傳統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的低。因此，較之傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，這類構(gòu)想的額定功率更低。圖（31）

28、單相-三相裝換器做通用有源濾波器（C30）2.單相-三相轉(zhuǎn)換器還可能應(yīng)用與電力牽引中，比如：應(yīng)用于需要經(jīng)由單相電源啟動的輔助風(fēng)機(jī)和水泵中，作為電力機(jī)車的輔助交流電機(jī)，在農(nóng)村地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用等。3.單相-三相轉(zhuǎn)換技術(shù)也被應(yīng)用于熱電聯(lián)供系統(tǒng)及分步生產(chǎn)工廠中最大功率點(diǎn)跟蹤等領(lǐng)域。4.單相-三相轉(zhuǎn)換器在不間斷供電系統(tǒng)中也有所應(yīng)用。同時(shí)，增加三端機(jī)械開關(guān)的轉(zhuǎn)換器也被提出，在該系統(tǒng)中，開關(guān)狀態(tài)必須與電機(jī)運(yùn)行速度相符，有專家認(rèn)為這種轉(zhuǎn)換器可以被應(yīng)用于空調(diào)系統(tǒng)中。5.單相-三相轉(zhuǎn)換器中也可以添加容錯(cuò)系統(tǒng)。5 一般比較 本節(jié)旨在對文中提到的單相-三相轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡單的比較，比較的內(nèi)容包括應(yīng)用于結(jié)構(gòu)中的電子元件（