脈沖整流器課件

1、西南交通大學(xué)電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)Power Electronics脈沖整流器電路脈沖整流器電路西南交通大學(xué)第第1 1節(jié)節(jié) 單相脈沖整流器（四象限變換器）單相脈沖整流器（四象限變換器）1.1.電路結(jié)構(gòu)電路結(jié)構(gòu)能將輸入的交流變成直流，也可將直流逆變成交流能將輸入的交流變成直流，也可將直流逆變成交流電回饋電網(wǎng)。無論整流或逆變其電網(wǎng)側(cè)的電流與電電回饋電網(wǎng)。無論整流或逆變其電網(wǎng)側(cè)的電流與電壓同相位、波形近似正弦，功率因數(shù)接近單位值。壓同相位、波形近似正弦，功率因數(shù)接近單位值。PWMPWM整流器分為電壓型與電流型兩類。主要應(yīng)用的是整流器分為電壓型與電流型兩類。主要應(yīng)用的是電壓型電壓型)(tUN)(tU

2、N+ +2L2C- -dCNL)(tiNdU1D4D1T4T3D2T2D3T)(tUS)(tUN西南交通大學(xué)電容電容C Cd d：保證輸出電壓的恒定：保證輸出電壓的恒定交流側(cè)電感交流側(cè)電感L LN N是電路必須的。它包括外接電感與是電路必須的。它包括外接電感與變壓器漏感變壓器漏感主電路交流側(cè)的電阻主電路交流側(cè)的電阻R R，包括電感電阻和交流電源，包括電感電阻和交流電源內(nèi)阻，電路中未畫出。內(nèi)阻，電路中未畫出。當輸入側(cè)的交流電壓當輸入側(cè)的交流電壓u uN N（t t）與電流）與電流i iN N（t t）均為正）均為正弦時：弦時：tUtuNN1sin2)(tItiNN1sin2)(直流輸出與交流輸入

3、功率的瞬時值應(yīng)當相等：直流輸出與交流輸入功率的瞬時值應(yīng)當相等：西南交通大學(xué)tItUtitutiuNNNNdd11sin2sin2)()()(112)2cos1 (sin2)()()(dddNNdNNdNNdiItUIUtUIUutituti可見，直流電流可見，直流電流i id d將以將以2 2倍網(wǎng)頻脈動。要得到恒定倍網(wǎng)頻脈動。要得到恒定的輸出電壓應(yīng)當在脈沖整流器與負載間接一個由的輸出電壓應(yīng)當在脈沖整流器與負載間接一個由電感電容組成的二次諧波濾波器以平衡以電感電容組成的二次諧波濾波器以平衡以2 2倍網(wǎng)頻倍網(wǎng)頻脈動的能量，即電路中脈動的能量，即電路中L L2 2C C2 2支路。支路。西南交通大學(xué)

4、T1T4按按SPWM方式進行控制。控制正弦信號的頻方式進行控制?？刂普倚盘柕念l率與電網(wǎng)頻率相同。在脈沖整流器交流側(cè)產(chǎn)生的交率與電網(wǎng)頻率相同。在脈沖整流器交流側(cè)產(chǎn)生的交流電壓流電壓uS(t)的基波與電網(wǎng)電壓同頻率，其幅值和與的基波與電網(wǎng)電壓同頻率，其幅值和與 網(wǎng)壓的相位可控。電感網(wǎng)壓的相位可控。電感LN抑制抑制uS(t)中的高次諧波電中的高次諧波電壓所產(chǎn)生的諧波電流。因此壓所產(chǎn)生的諧波電流。因此iN(t)也是與電網(wǎng)同頻率也是與電網(wǎng)同頻率的正弦量的正弦量2. 電路的工作模式與能量關(guān)系電路的工作模式與能量關(guān)系設(shè)交流電源側(cè)的電壓與電流均為正弦。以交流電源設(shè)交流電源側(cè)的電壓與電流均為正弦。以交流電源的

5、正半周為例：的正半周為例：西南交通大學(xué)(1)(1)模式模式1 1：S S1 1S S3 3導(dǎo)通信號。此時電路方程是：導(dǎo)通信號。此時電路方程是：NNN NNddiLR iUUdt)(tUN)(tUN+ +2L2C- -dCNL)(tiNdU1D4D1T4T3D2T2D3T)(tUS)(tUNi iN N為正時，為正時，D D1 1和和D D3 3導(dǎo)通，交流側(cè)輸出能量，直流側(cè)導(dǎo)通，交流側(cè)輸出能量，直流側(cè)吸取能量，處于整流狀態(tài)，吸取能量，處于整流狀態(tài)， i iN N減小，減小，L LN N釋放能量釋放能量西南交通大學(xué)i iN N為負時，為負時，T T1 1和和T T3 3導(dǎo)通，交流側(cè)吸收能量，直流側(cè)

6、導(dǎo)通，交流側(cè)吸收能量，直流側(cè)釋放能量，處于能量反饋狀態(tài)，釋放能量，處于能量反饋狀態(tài)， i iN N增大，增大，L LN N儲能儲能NNN NNddiLR iUUdt（2 2）模式）模式2 2：S S2 2S S4 4導(dǎo)通信號。此時電路方程是：導(dǎo)通信號。此時電路方程是：)(tUN)(tUN+ +2L2C- -dCNL)(tiNdU1D4D1T4T3D2T2D3T)(tUS)(tUNi iN N為正時，為正時，T T2 2和和T T4 4導(dǎo)通，交流側(cè)與直流側(cè)均輸出能導(dǎo)通，交流側(cè)與直流側(cè)均輸出能量，量，i iN N增大，增大，L LN N儲能儲能西南交通大學(xué)i iN N為負時，為負時，D D2 2和

7、和D D4 4導(dǎo)通，交流側(cè)與直流側(cè)均吸收能導(dǎo)通，交流側(cè)與直流側(cè)均吸收能量，量，i iN N減小，減小，L LN N放能。放能。NNN NNdiLR iUdt（3 3）模式）模式3 3：S S1 1S S2 2導(dǎo)通信號。此時電路方程是：導(dǎo)通信號。此時電路方程是：)(tUN)(tUN+ +2L2C- -dCNL)(tiNdU1D4D1T4T3D2T2D3T)(tUN)(tUS直流側(cè)與交流側(cè)無能量交換，交流電源被短接直流側(cè)與交流側(cè)無能量交換，交流電源被短接西南交通大學(xué)i iN N為正時，為正時，D D1 1和和T T2 2導(dǎo)通，導(dǎo)通，i iN N增大，增大，L LN N儲能。儲能。 i iN N為負

8、時，為負時，D D2 2和和T T1 1導(dǎo)通，導(dǎo)通，i iN N減小，減小，L LN N放能。放能。NNN NNdiLR iUdt（4 4）模式）模式4 4：S S3 3S S4 4導(dǎo)通信號。此時電路方程如下導(dǎo)通信號。此時電路方程如下)(tUN)(tUN+ +2L2C- -dCNL)(tiNdU1D4D1T4T3D2T2D3T)(tUN)(tUS直流側(cè)與交流側(cè)無能量交換，交流電源被短接直流側(cè)與交流側(cè)無能量交換，交流電源被短接西南交通大學(xué)i iN N為正時，為正時，D D4 4和和T T3 3導(dǎo)通，導(dǎo)通，i iN N增大，增大，L LN N儲能。儲能。i iN N為負時，為負時，D D3 3和和

9、T T4 4導(dǎo)通，導(dǎo)通，i iN N減小，減小，L LN N放能。放能。3. 電路的工作過程電路的工作過程主開關(guān)的控制信號如圖所示主開關(guān)的控制信號如圖所示uXuYuN西南交通大學(xué)區(qū)域區(qū)域1 1：T T1 1T T2 2全為斷信號，電壓、電流為正，所以全為斷信號，電壓、電流為正，所以T T4 4D D3 3導(dǎo)通，導(dǎo)通， u uN N給給L LN N儲能。儲能。區(qū)域區(qū)域2 2：D D1 1onon，D D3 3onon，u uN N 和和L LN N給直流側(cè)供能。給直流側(cè)供能。區(qū)域區(qū)域3 3：D D1 1onon，T T2 2onon，u uN N 給給L LN N供能。供能。其它的區(qū)域分析方法相

10、同。其它的區(qū)域分析方法相同。注意電路中注意電路中 u uN N、L LN N與開關(guān)組成了與開關(guān)組成了“升壓斬波器升壓斬波器”。例如，例如，u uN N0 0時，時，T T4 4、D D3 3、D D1 1、L LN N與與u uN N組成了一個升組成了一個升壓斬波器；壓斬波器；D D1 1、T T2 2、D D3 3 、L LN N與與u uN N組成了另一個升壓組成了另一個升壓斬波器。斬波器。同理，在同理，在u uN N0 0時也有兩個等效的升壓斬波器。時也有兩個等效的升壓斬波器。西南交通大學(xué))(tUN)(tUN+ +2L2C- -dCNL)(tiNdU1D4D1T4T3D2T2D3T)(t

11、UN)(tUS)(tUN)(tUN+ +2L2C- -dCNL)(tiNdU1D4D1T4T3D2T2D3T)(tUN)(tUS西南交通大學(xué))(tUN)(tUN+ +2L2C- -dCNL)(tiNdU1D4D1T4T3D2T2D3T)(tUN)(tUS)(tUN)(tUN+ +2L2C- -dCNL)(tiNdU1D4D1T4T3D2T2D3T)(tUN)(tUS西南交通大學(xué)為了為使為了為使PWMPWM整流器能夠正確工作，必須使直流電整流器能夠正確工作，必須使直流電壓值大于交流電源電壓的幅值。壓值大于交流電源電壓的幅值。 以以u uN N0 0時，時，T T4 4、D D3 3、D D1 1

12、、L LN N與與u uN N組成的升壓斬波器組成的升壓斬波器的工作為例，當?shù)墓ぷ鳛槔?，當T T4 4導(dǎo)通時，導(dǎo)通時，u uS S經(jīng)經(jīng)T T4 4、D D3 3被短路，電感被短路，電感中的電流增大，電感儲能。當中的電流增大，電感儲能。當T T4 4關(guān)斷時，電感儲能關(guān)斷時，電感儲能經(jīng)經(jīng)D D3 3、D D1 1向直流側(cè)電容充電。若流入電容的能量大向直流側(cè)電容充電。若流入電容的能量大于流出的能量，直流電壓就要升高；反之就要降低。于流出的能量，直流電壓就要升高；反之就要降低。正確地控制開關(guān)的占空比，就能保持直流電壓達到正確地控制開關(guān)的占空比，就能保持直流電壓達到所要求的值并保持恒定。所要求的值并保持

13、恒定。 西南交通大學(xué)4. 4. 單相脈沖整流器的控制單相脈沖整流器的控制 從交流輸入側(cè)看，從交流輸入側(cè)看，PWMPWM整流器主電路可以簡化為圖整流器主電路可以簡化為圖示的等效電路。于是有如下的相量方程：示的等效電路。于是有如下的相量方程：NNSNILjUU等效電路等效電路SULUNINU整流時矢量圖整流時矢量圖NILUNUSU逆變時矢量圖逆變時矢量圖NUSUNL西南交通大學(xué)由矢量圖知，當由矢量圖知，當u uN N不變時，不變時，i iN N的幅值與相位完全由的幅值與相位完全由逆變器產(chǎn)生的逆變器產(chǎn)生的u uS S的幅值及其與的幅值及其與u uN N的相位來決定。控的相位來決定。控制制u uN N

14、、u uS S間的相位角和間的相位角和u uS S的幅值，就能夠控制交流的幅值，就能夠控制交流側(cè)的電流側(cè)的電流i iN N的大小和相位?？梢詫崿F(xiàn)的大小和相位?？梢詫崿F(xiàn)i iN N與與u uN N同相、同相、反相、超前、滯后。即通過控制，既可以使反相、超前、滯后。即通過控制，既可以使PWMPWM整整流器在功率因數(shù)為流器在功率因數(shù)為1 1的條件下整流或逆變運行；也的條件下整流或逆變運行；也可以使它成為一個等效的電容或電感，向交流電可以使它成為一個等效的電容或電感，向交流電路送出無功功率。路送出無功功率。 兩種控制策略：直接電流控制和間接電流控制，兩種控制策略：直接電流控制和間接電流控制，又稱相位幅

15、值控制又稱相位幅值控制西南交通大學(xué)(1) 間接電流控制（按矢量圖示關(guān)系控制）間接電流控制（按矢量圖示關(guān)系控制）電阻、電感上的電壓與網(wǎng)壓相加（減），構(gòu)成逆變電阻、電感上的電壓與網(wǎng)壓相加（減），構(gòu)成逆變器的控制信號。直流控制環(huán)節(jié)保證了直流電壓的恒器的控制信號。直流控制環(huán)節(jié)保證了直流電壓的恒定。如果直流電壓低于給定，則輸入電流增大，輸定。如果直流電壓低于給定，則輸入電流增大，輸入功率增大，直流電壓增高。反之則降低入功率增大，直流電壓增高。反之則降低dU*dUNULUPItsintcosRSXLPWM4QC西南交通大學(xué)dU*dUNiPItsinRS4QCPI比較比較三角波直流恒壓控制與上相同。它采用電

16、流跟蹤方式以確直流恒壓控制與上相同。它采用電流跟蹤方式以確保網(wǎng)壓與網(wǎng)泫的同相位。為方便濾波器的設(shè)計，電保網(wǎng)壓與網(wǎng)泫的同相位。為方便濾波器的設(shè)計，電流跟蹤采用了流跟蹤采用了PWMPWM方式方式(2)直接電流控制直接電流控制引入交流電流反饋、直接控制交流電流使其跟蹤指引入交流電流反饋、直接控制交流電流使其跟蹤指令電流值令電流值。西南交通大學(xué)兩種控制方案的優(yōu)缺點：兩種控制方案的優(yōu)缺點：間接電流控制的主要優(yōu)點：不需要電流互感器，間接電流控制的主要優(yōu)點：不需要電流互感器，控制成本低，電路簡單，易實現(xiàn)，靜態(tài)特性好，控制成本低，電路簡單，易實現(xiàn)，靜態(tài)特性好，且控制原理清楚。且控制原理清楚。主要缺點是：主要缺

17、點是：（1 1）自身無限流功能（無電流環(huán)），需加過流保）自身無限流功能（無電流環(huán)），需加過流保護電路護電路（2 2）系統(tǒng)從一種穩(wěn)態(tài)向另一穩(wěn)態(tài)過渡時電流中會）系統(tǒng)從一種穩(wěn)態(tài)向另一穩(wěn)態(tài)過渡時電流中會出現(xiàn)直流分量出現(xiàn)直流分量（3 3）系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)慢。）系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)慢。 西南交通大學(xué)直接電流控制的優(yōu)點：輸入交流側(cè)電流快速跟蹤電直接電流控制的優(yōu)點：輸入交流側(cè)電流快速跟蹤電流指令，動態(tài)響應(yīng)速度快，限流容易，控制精度高流指令，動態(tài)響應(yīng)速度快，限流容易，控制精度高缺點：（缺點：（1 1）輸入電流檢測需要寬頻帶的電流傳感）輸入電流檢測需要寬頻帶的電流傳感器，控制成本高。（器，控制成本高。（2 2）電流脈動大，增

18、加了注入）電流脈動大，增加了注入電網(wǎng)的諧波電網(wǎng)的諧波5 5 間接電流控制系統(tǒng)仿真間接電流控制系統(tǒng)仿真dU*dU31SUNUGent sint cosLUNI*NIK4NUNU25西南交通大學(xué)將將I IN* *與正弦項相乘得到與網(wǎng)壓同相的電流有功分量，與正弦項相乘得到與網(wǎng)壓同相的電流有功分量，將將I IN* *與余弦項相乘得到垂直于網(wǎng)壓的電壓分量，與余弦項相乘得到垂直于網(wǎng)壓的電壓分量，“4”4”的輸出模擬了電感上的電壓值。當不計電阻的輸出模擬了電感上的電壓值。當不計電阻R R時，它時，它們合成的電壓矢量必然滿足們合成的電壓矢量必然滿足LNSUUU將實際值將實際值U Ud與給定值與給定值U Ud*

19、 *比較，其差值送直流電壓調(diào)比較，其差值送直流電壓調(diào)節(jié)器節(jié)器“2”2”。如果。如果U Ud* *U Ud，表示實際消耗的直流功率，表示實際消耗的直流功率變大了，應(yīng)增大交流輸入電流。所以將變大了，應(yīng)增大交流輸入電流。所以將 “ “2”2”的輸?shù)妮敵鲎鳛榻涣麟娏鞯慕o定值出作為交流電流的給定值I IN* *。西南交通大學(xué)將實際電流將實際電流IN與給定電流與給定電流IN*比較，產(chǎn)生由于功率變比較，產(chǎn)生由于功率變化而引起的補償分量，并經(jīng)調(diào)節(jié)器化而引起的補償分量，并經(jīng)調(diào)節(jié)器“5”5”產(chǎn)生修正產(chǎn)生修正信號信號 UN，因此：，因此：NLNSUUUU可以證明，主電路中電阻的影響可以被消除可以證明，主電路中電阻的

20、影響可以被消除采用采用MATLABMATLAB的仿真如圖示。的仿真如圖示。從仿真中知，間接電流控制方式易受負載變化、從仿真中知，間接電流控制方式易受負載變化、調(diào)節(jié)器參數(shù)變化和電阻、電感參數(shù)的影響?？赡苷{(diào)節(jié)器參數(shù)變化和電阻、電感參數(shù)的影響?？赡軙霈F(xiàn)控制誤差。此外，電路的升壓倍數(shù)也要影會出現(xiàn)控制誤差。此外，電路的升壓倍數(shù)也要影響系統(tǒng)的響應(yīng)過程。響系統(tǒng)的響應(yīng)過程。西南交通大學(xué)西南交通大學(xué)6 6 直接電流控制系統(tǒng)仿真直接電流控制系統(tǒng)仿真西南交通大學(xué)+ +- -dCdU1T4T6T5T2T3T電路結(jié)構(gòu)電路結(jié)構(gòu)電容電容CdCd：保證輸出電壓：保證輸出電壓的恒定。交流側(cè)電感的恒定。交流側(cè)電感LNLN是電路

21、必須的。它包括是電路必須的。它包括外接電感與變壓器漏感。外接電感與變壓器漏感。升壓電感升壓電感與單相不同電路中不需要二次濾波支路。設(shè)三相電與單相不同電路中不需要二次濾波支路。設(shè)三相電流與三相電壓同相，波形完全正弦，直流側(cè)電壓平流與三相電壓同相，波形完全正弦，直流側(cè)電壓平直。輸入與輸出的電功率平衡，有直。輸入與輸出的電功率平衡，有)()()()()()()(111titutitutitutiUCCnBBnAAndd第第2 2節(jié)三相脈沖整流器節(jié)三相脈沖整流器西南交通大學(xué)即是即是ddoodooIUIUttttttUIUidcos3)240cos()240cos()120cos()120cos()co

22、s(cos2111111可見直流側(cè)的電流是常數(shù)，不需要二次諧波濾波器可見直流側(cè)的電流是常數(shù)，不需要二次諧波濾波器三相脈沖整流電路的工作模式分析三相脈沖整流電路的工作模式分析電路的分析比較復(fù)雜，需要將開關(guān)狀態(tài)、三相電流電路的分析比較復(fù)雜，需要將開關(guān)狀態(tài)、三相電流結(jié)合起來，結(jié)合起來，( (與逆變電路分析相同與逆變電路分析相同) )設(shè)相電流與相電設(shè)相電流與相電壓同相，均為正弦壓同相，均為正弦西南交通大學(xué)2431vavbvc西南交通大學(xué)區(qū)域區(qū)域1 1：T135T135，iaia、icic為正為正ibib為負為負+ +dCdU1T5T3T等效電路如圖。等效電路如圖。D1D5T3D1D5T3導(dǎo)通。三相電壓

23、作用在三相導(dǎo)通。三相電壓作用在三相電感上，電流增加，電感儲能電感上，電流增加，電感儲能區(qū)域區(qū)域2 2：T165T165，iaia、icic為正為正ibib為負為負等效電路如圖。等效電路如圖。D1D5D6D1D5D6導(dǎo)通。三相電源發(fā)出電能，導(dǎo)通。三相電源發(fā)出電能，電流減小，電感釋放儲能電流減小，電感釋放儲能西南交通大學(xué)+ +- -dCdU1T6T5T區(qū)域區(qū)域3 3：T162T162，iaia、icic為正為正ibib為負變到為負變到iaia為正為正ibibicic為負。等效電路如圖。注意到為負。等效電路如圖。注意到bcbc兩相間短路環(huán)流兩相間短路環(huán)流+ +- -dCdU1T6T2T西南交通大學(xué)+

24、 +- -dCdU1T6T2T區(qū)域區(qū)域3 3：T462T462，iaia為正、為正、icibicib為負等效電路如圖。為負等效電路如圖。- -dCdU4T6T2T西南交通大學(xué)按上述方法可分析出各個區(qū)域中器件的通斷狀態(tài)并按上述方法可分析出各個區(qū)域中器件的通斷狀態(tài)并確定能量的流動方向確定能量的流動方向該電路中工作模式是：該電路中工作模式是：非零狀態(tài)下的三個二極管導(dǎo)通模式非零狀態(tài)下的三個二極管導(dǎo)通模式非零狀態(tài)下的二個二極管一個開關(guān)導(dǎo)通模式非零狀態(tài)下的二個二極管一個開關(guān)導(dǎo)通模式零狀態(tài)下的二個二極管一個開關(guān)導(dǎo)通模式模式零狀態(tài)下的二個二極管一個開關(guān)導(dǎo)通模式模式工作模式與電流方向工作模式與電流方向( (例如

25、再生時例如再生時) )有關(guān)有關(guān)三相脈沖整流電路的控制三相脈沖整流電路的控制三相脈沖整流電路可分為三相脈沖整流電路可分為3 31 1相電路和相電路和3 3相兩相兩種。這里指的是后者。按照電路規(guī)則，對稱三種。這里指的是后者。按照電路規(guī)則，對稱三相電路可以用單相電路來求解相電路可以用單相電路來求解西南交通大學(xué)三相脈沖整流電路有與單相電路一樣的控制方式三相脈沖整流電路有與單相電路一樣的控制方式和電路。間接電流控制方式框圖：和電路。間接電流控制方式框圖：dU*dUCBAU,LUPI)3/2sin(kt RSXLPWM4QC)3/2cos(kt 與單相相同，該控制方式是基于電壓的矢量方程與單相相同，該控制

26、方式是基于電壓的矢量方程得到的。得到的。西南交通大學(xué)西南交通大學(xué)與單相相比，三相電路不需要二次諧波濾波器。與單相相比，三相電路不需要二次諧波濾波器。仿真系統(tǒng)與結(jié)果如下圖仿真系統(tǒng)與結(jié)果如下圖直接電流控制方式有很多種。其一為電流跟蹤方直接電流控制方式有很多種。其一為電流跟蹤方式：式：dU*dUCBAi,PI)3/2sin(kt 4QCPI比較比較三角波三角波控制系統(tǒng)的框圖如圖。它的主體也是用三個單相控制系統(tǒng)的框圖如圖。它的主體也是用三個單相控制器來實現(xiàn)對三相的控制控制器來實現(xiàn)對三相的控制西南交通大學(xué)西南交通大學(xué)在仿真系統(tǒng)中，三相電流指令用三相相電壓來模擬。在仿真系統(tǒng)中，三相電流指令用三相相電壓來模擬。從結(jié)果看，系統(tǒng)的穩(wěn)定時間比