北京交通大學(xué)+電力電子技術(shù)+第07章+脈沖變流電路

1、電力電子技術(shù)Power Electronics Technology Spring 2006電 氣 工 程 學(xué) 院 陳 洛 忠第七章 脈沖變流電路本章內(nèi)容7.1 脈沖變流器的原理及分類7.2 電壓型脈沖變流器7.3 電流型脈沖變流器7.4 電流型與電壓型脈沖變流器的性能比較7 . 1 脈沖變流器的原理及分類一、概述脈沖變流器是一種以脈寬控制（PWM）方式工作的變流器，又稱為四象限變流器與相控變流器相比具有下列優(yōu)點(diǎn)：功率因數(shù)高，交流側(cè)cos=1諧波含量低，交流側(cè)電流接近于正弦體積小、重量輕、動態(tài)響應(yīng)快二、脈沖變流器的基本思想根據(jù)PWM逆變器的工作原理，當(dāng)采用PWM控制時(shí)，直交變流器的交流側(cè)可以產(chǎn)

2、生頻率、幅值、相位都可調(diào)的波形，如us若在交流側(cè)接電源uN和阻抗（電抗）LN，并控制us的頻率與電源同頻率則有：如果控制使的端點(diǎn)在與垂直且與其端點(diǎn)相交的直線上，則可以使交流側(cè)的二、分類：按直流側(cè)的電壓和電流情況分類 1、電壓型脈沖變流器 特征：直流側(cè)電壓恒定 ，即：ud (t) = Ud ，并且 Ud UN2、電流型脈沖變流器 特征：直流側(cè)電流恒定 ，即：id (t) = Id ，并且 Id IN支撐電容Cd：用于濾波，使直流側(cè)電壓恒定二次濾波回路L2、C2：用于提供2次諧波電流通路，其諧振頻率為基波頻率的2倍交流側(cè)電感LN：用于限制交流側(cè)諧波電流7 . 2 電壓型脈沖變流器一、單相電壓型脈沖

3、變流器的結(jié)構(gòu)及工作原理 、基本結(jié)構(gòu)單相電壓型脈沖變流器主電路結(jié)構(gòu)（IGBT）、工作原理： 通過對T1T4進(jìn)行PWM控制，使電網(wǎng)電流iN(t)與電網(wǎng)電壓uN(t)保持同相（整流工況）或反相（逆變工況），同時(shí)使直流側(cè)電壓Ud恒定單相電壓型脈沖變流器主電路結(jié)構(gòu)（GTO） 假定電網(wǎng)電壓是純正弦電壓，對于基波分量，在忽略線路電阻的條件下有： 在PWM控制方式下us1的幅值和相位均可控 ，因此iN1的幅值和相位也是可控 的、相量方程 、相量圖 (a) 整流 (b) 逆變 (c) 整流、考慮線路電阻 在不同的負(fù)載電流下只要使us1相量端點(diǎn)軌跡沿直線CD運(yùn)動 就可以使iN1與uN同相或反相、基本電量關(guān)系： 設(shè)

4、uN(t)=UNmsinNt，且忽略線路電阻整流工況： uS1(t)=US1msin(Nt-) US1m=UNm/cos IN1m=UNmtan/ NLN逆變工況： uS1(t)=US1msin(Nt+) US1m=UNm/cos IN1m=UNmtan/ NLN定義調(diào)制比（調(diào)制深度）：=US1m/Ud二、變流器工作模式及能流關(guān)系根據(jù)各功率器件的工作狀態(tài)及能量流向，變流器的工作模式可分成3類12種模式：（1）A、B短接（us=0）：電源與LN交換能量（4種）（2）整流：變流器從交流電源或LN吸收能量（4種）（3）逆變：變流器向交流電源或LN泄放能量（4種）變流器工作模式及能流關(guān)系（網(wǎng)壓 uN

5、(t) 為正半波時(shí)）三、不同工況時(shí)uS、uN和iN 波形整流（牽引）理想空載逆變（再生）半導(dǎo)體器件中的電流波形 (a) 整流（牽引）工況 (b) 逆變（再生）工況四、三相電壓型脈沖變流器主電路結(jié)構(gòu)工作原理 與單相脈沖變流器相同五、電壓型脈沖變流器的控制被控量Ud：要求Ud基本保持恒定iN：要求iN與uN保持同相或反相控制方法直接電流控制 ：引入交流電流反饋 間接電流控制 ：沒有引入交流電流反饋 直流平波電感Ld：用于濾波，使直流側(cè)電流平直二次濾波回路L2、C2：用于限制直流側(cè)二次諧波電流，其諧振頻率為基波頻率的2倍交流側(cè)電容CN：用于限制交流側(cè)諧波電流交流側(cè)電感LN： 電源變壓器及線路上的分布

6、電感。 （理論上并不需要）7 . 3 電流型脈沖變流器、基本結(jié)構(gòu)單相電流型脈沖變流器主電路結(jié)構(gòu)（GTO）、工作原理：通過對T1T4進(jìn)行PWM控制，使電網(wǎng)電流iN(t)與電網(wǎng)電壓uN(t)保持同相（整流工況）或反相（逆變工況），同時(shí)使直流側(cè)電流Id恒定 假定電網(wǎng)電壓是純正弦電壓，對于基波分量 在PWM控制方式下iP1的幅值和相位均可控 ，因此iN1的幅值和相位也是可控的3、相量方程 4、相量圖(a) 整流（牽引） (b) 逆變（再生）5、基本電量關(guān)系： 設(shè)uN(t)=UNmsinNt，且忽略LN整流工況： iN1(t)=IN1msinNt iP1(t)=IP1msin(Nt-) IN1m=UNm

7、 NCN /tan IP1m=IN1m/cos 逆變工況： iN1(t)=IN1msin(Nt+) iP1(t)=IP1msin(Nt+-) IN1m=UNm NCN /tan IP1m=IN1m/cos 定義調(diào)制比（調(diào)制深度）：=IP1m/Id二、變流器工作模式及能流關(guān)系與電壓型類似，根據(jù)各功率器件的工作狀態(tài)及能量流向，變流器的工作模式也可分成3類12種模式：（1）變流器斷開（ip=0）：電源與CN交換能量（4種）（2）整流：變流器從交流電源或CN吸收能量（4種）（3）逆變：變流器向交流電源或CN泄放能量（4種）三、三相電流型脈沖變流器（GTO）三、三相電流型脈沖變流器（續(xù)）（IGBT）7.

8、4 電流型與電壓型脈沖變流器的性能比較 相同之處：兩者的交流側(cè)特性基本相同（電網(wǎng)電壓與電網(wǎng)電流同相位）都能實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行與晶閘管相控整流電路相比都能提高功率因數(shù)，都能減小諧波，減少對電網(wǎng)的污染 不同之處：電壓型(1) Id方向可變，Ud方向不可變(2) 必須采用“逆導(dǎo)型”橋臂，主管只承受正向電壓(3) 上、下橋臂主管換相順序必須是先關(guān)斷后開通，并且設(shè)置一個(gè)死區(qū)時(shí)間 ，避免上、下橋臂貫穿 短路電流型(1) Id方向不可變，Ud方向可變(2)必須采用“逆阻型”橋臂，主管必須能承受正、反向電壓(3) 相鄰橋臂主管換相順序必須是先開通后關(guān)斷，避免大電感電路突然斷開時(shí)產(chǎn)生過電壓 ，防止擊穿主管 (4)應(yīng)

9、用范圍廣(4)電流響應(yīng)速度快(5)體積大課 堂 思 考 1 、下列關(guān)于脈沖整流器的說法是否正確？ 可四象限運(yùn)行 功率因數(shù)高，可達(dá)到（接近）1 一般采用相控工作方式 交流側(cè)接電機(jī)負(fù)載 可用于太陽能并網(wǎng)發(fā)電 我國交流傳動電力機(jī)車上采用三相脈沖整流器本章小結(jié)1、脈沖整流器又稱為四象限變流器，它是一種以脈寬控制（PWM）方式工作的變流器，它既可以工作在整流狀態(tài)，也可以工作在有源逆變狀態(tài)2、脈沖整流器較之相控整流器的優(yōu)點(diǎn)3、電壓型脈沖整流器的主電路結(jié)構(gòu)、工作原理、相量方程、相量圖、正常工作的條件4、電流型脈沖整流器的主電路結(jié)構(gòu)、工作原理、相量方程、相量圖、正常工作的條件5、電壓型脈沖整流器與電流型脈沖整流器的特點(diǎn)比較習(xí) 題7-1 與相控整流器相比脈沖整流器有哪些優(yōu)點(diǎn)？7-2 畫出單相電壓型脈沖整流器的電路圖(開關(guān)管為IGBT)，寫出其基波相量方程式，并分別畫出整流、逆變和情況下的基波相量圖（不考慮線路電阻）。7-3