高功率密度三相Vienna整流器调制技术研究

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我国航空事业在近年来得到了迅猛的发展,也对航空供电系统的性能也提出了更高的要求。航空三相整流器作为航空交流电网与机载直流电子设备间的接口设备,兼顾AC-DC变换和功率因数校正功能,其性能直接影响航空供电系统的发电效率、体积重量和电网电能质量。三相Vienna整流器具有高效率、高功率密度和高可靠性的特点,适合作为航空三相整流器的电路方案。然而,传统三相连续脉宽调制的开关损耗较高,不连续脉宽调制又存在无法调节中点电位平衡等问题,因此,研究有一种面向三相Vienna整流器,并可以兼顾减小开关损耗和中点电位调节能力的改进不连续脉宽调制策略具有重要意义。本文首先对三相Vienna整流器的电路拓扑与工作原理进行分析,然后引入开关函数,分别在abc坐标系、αβ坐标系与dq坐标系下建立了三相Vienna整流器的数学模型,并从矢量空间的扇区划分、开关序列确定和中点电位控制方法三个方面介绍了传统连续空间矢量调制的工作原理。接着介绍了不连续脉宽调制可以减小开关损耗的原理,列举了几种常见的不连续脉宽调制方式。针对不连续脉宽调制应用于三相Vienna整流器时存在不可调节中点电位与电流畸变的问题解释了相关原因,分析了一种将连续脉宽调制与不连续脉宽调制混用使用的调制策略并讨论了其优缺点。为了实现在减小开关损耗的同时调节中点电位平衡,本文提出了一种具有中点电位调节能力的不连续脉宽调制策略。该调制策略在三电平矢量空间中的每个小扇区都找到了两种对中点电位影响相反的冗余钳位模式,且每个钳位模式中选取的基本矢量不会引入额外的电流畸变。当中点电位发生偏移时,根据偏移方向选取合适的钳位模式,可以在一相开关管不动作的同时实现中点电位调节,因此在效率方面同样具有优势。为进一步验证改进不连续脉宽调制的优势,从开关损耗、交流侧电压谐波和中点电位调节能力三个方面对本文提到的几种调制策略进行对比与分析。最后,根据硬件电路设计结果搭建了额定功率为10k W的三相航空整流器实验平台,对几种调制策略的性能进行实验测试与对比分析。实验结果表明,三相Vienna整流器采用本文提出的调制策略可以稳定运行,输入侧电流谐波与功率因数满足航空供电系统的要求。且相比于连续脉宽调制和混合脉宽调制,本文提出的调制策略在效率与中点电位调节能力方面具有明显优势。
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