新型三相-单相矩阵变换器的研究与实现

摘要：提出一种新型三相-单相矩阵变换器拓扑，采用小容量功率补偿单元解决因单相交流输出脉动功率引起的三相输入电流畸变、功率因数低等问题。详细介绍了带功率补偿单元的三相-单相矩阵变换器调制策略，推导出负载与功率补偿单元上电压关系、调制比、占空比等一系列表达式；分析了三相输入电流与虚拟直流母线电流的关系，比较了有、无功率单元两种情况下的输入电流谐波含量。同时研究表明，当负载与功率补偿单元满足一定约束条件时，由单相输出功率脉动引起的输入电流畸变可得到改善。研制原理样机，实验结果表明所提出的新型三相-单相矩阵变换器拓扑结构合理，性能优良。
关键词：变换器；功率补偿单元；脉动功率

1 引言
三相-单相矩阵变换器可为单相用电设备提供单相交流电，也可将其应用在开关电源中，将三相工频交流电变换为单相高频交流电，用于谐振感应加热，还可将其应用于电气铁道辅机系统。
三相-单相矩阵变换器的三相输入电流低频谐波含量较大，单相脉动功率输出是引起这一问题的主要原因。针对这一问题，国外学者进行了相关研究。文献采用在输入侧单独串联电感元件的方法，通过合理设计，虽达到输出三相平衡电压的目标，但需要使用的电感体积和重量均较大。文献对三相一单相矩阵变换器提出了一种新的调制策略，但其三相输入电流畸变严重，谐波含量大。此处研究的新型三相-单相矩阵变换器采用小容量储能LC对单相脉动功率进行补偿，可实现输入电流正弦化，减小输入电流谐波污染。

2 新型三相-单相矩阵变换器调制策略
图1为新型三相-单相矩阵变换器等效电路。针对此处提出的新型三相-单相矩阵变换器的调制策略研究，依然可将其虚拟为整流级和逆变级两部分。图中，A，C相为负载相，为负载提供单相交流电，B，C相为功率补偿相，对单相脉动功率进行补偿；虚拟整流环节采用电流型整流调制策略，逆变级采用SPWM方式。综合虚拟整流级SVPWM和虚拟逆变级SPWM并消去中间直流环节，即可得到三相-单相矩阵变换器的控制规律。

2．1 虚拟直流母线电流
设虚拟逆变级负载相上电压调制函数为：

由式(4)可知，当输出为单相交流输出时，虚拟直流母线上的电流不仅含有直流分量，而且含有交流分量。
2．2 输入电流分析
三相输入电流经过电流型整流调制策略后可以表示为：

由上式可见，三相输入电流除含有与输入电压同频的基波电流外，还含有两个其他低频谐波电流，会对网侧电流造成污染。