第5章PWM整流電路

第5章PWM整流電路第一頁，共41頁。25.1概述

5.4電壓型單相橋式PWM整流電路5.5電壓型三相橋式PWM整流電路

第5章PWM整流電路第二頁，共41頁。3

5.1.1整流電路的理想狀態(tài)

5.1.2傳統(tǒng)整流電路存在的問題5.1.3PWM整流電路的分類

5.1概述第三頁，共41頁。45.1.1整流電路的理想狀態(tài)2.輸出電壓u0≡U0(電壓型)或輸出電流i0≡I0(電流型)

3.具有雙向傳遞電能的能力

4.能實(shí)現(xiàn)輸出電壓的快速調(diào)節(jié)以保證系統(tǒng)有良好的動(dòng)態(tài)性能

5.具有較高的功率密度

6.整流電路無內(nèi)耗，即電路中所有元器件均無損耗（5-7）1.網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)λ=1其中：——為電流正弦因數(shù)——為基波位移因數(shù)所以：所有網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)校正技術(shù)（PFC——PowerFactorCorrection）是圍繞網(wǎng)側(cè)電流正弦化和等效電阻線性化展開的。第四頁，共41頁。55.1.2傳統(tǒng)整流電路存在的問題1.網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)低（5-15）相控整流電路：不控整流電路加電容濾波：圖5-1具有電容輸入濾波的單相不控整流電路

a)電路結(jié)構(gòu)b)電量波形第五頁，共41頁。65.1.2傳統(tǒng)整流電路存在的問題2.諧波電流對(duì)電網(wǎng)的危害

◆使網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)下降，降低發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的效率?！羰咕€路阻抗產(chǎn)生諧波壓降，導(dǎo)致原為正弦的網(wǎng)壓也產(chǎn)生畸變。

◆影響用電設(shè)備的正常工作?！魧?dǎo)致繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的誤動(dòng)作?！魧?duì)通信系統(tǒng)造成干擾。

3.難于實(shí)現(xiàn)快速調(diào)節(jié)第六頁，共41頁。5.1.3PWM整流電路的分類PWM整流電路按電網(wǎng)相數(shù)按工作范圍按輸出濾波按器件開關(guān)方式橋式電路（全橋、半橋）復(fù)合電路電壓型電路電流型電路硬開關(guān)電路軟開關(guān)電路按輸出電壓低壓電路中高壓電路單相電路三相電路按主電路結(jié)構(gòu)按輸入輸出間耦合方式直耦式電路磁耦式電路單象限電路多象限電路第七頁，共41頁。5.4電壓型單相橋式PWM整流電路5.4.1電壓型單相橋式PWM整流電路的理想狀態(tài)

5.4.2網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)λ=1時(shí)的電路分析

5.4.3輸出電壓U0的調(diào)節(jié)

5.4.4網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)λ=-1時(shí)的電路分析

5.4.5電路的控制第八頁，共41頁。5.4.1電壓型單相橋式PWM整流電路的理想狀態(tài)圖5-12單相電壓型PWM整流電路

a)全橋式結(jié)構(gòu)主電路b)等效電路c)半橋式結(jié)構(gòu)主電路d)工作模式理想條件：據(jù)圖5-12得：（Ⅱ）（Ⅰ）（Ⅲ）（5-79）第九頁，共41頁。5.4.1電壓型單相橋式PWM整流電路的理想狀態(tài)但:電路正常工作需要LN

（包括外接電抗器和交流電源內(nèi)部電感）

起平衡電壓的作用。忽略LN和交流電源的內(nèi)阻，即rN

=0。圖5-13單相PWM整流電路入端電量矢量圖a）rN=0,φ1=0b）

rN=0,φ1=π

則有：若LN

=0，則：（5-78）第十頁，共41頁。5.4.1電壓型單相橋式PWM整流電路的理想狀態(tài)（5-85）于是：（5-86）式中：（5-87）圖中：（5-82）（5-84）第十一頁，共41頁。5.4.2網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)λ=1時(shí)的電路分析1.電路的工作模式圖5-14不同工作模式下的等效電路(λ=1)

a)、b)工作模式Ⅰc)、e)工作模式Ⅱd)、f)工作模式Ⅲ（1）電源沿LN短路（如圖5-14a和b），電感LN處于儲(chǔ)能狀態(tài)，負(fù)載電流

由Co維持。（2）電源和LN向負(fù)載供電（如圖5-14c和d）。（3）負(fù)載和電源向LN饋電（如圖5-14e和f）。第十二頁，共41頁。5.4.2網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)λ=1時(shí)的電路分析2.λ=1時(shí)電路工作過程分析

圖5-15λ=1時(shí)電路的電量波形

第十三頁，共41頁。5.4.2網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)λ=1時(shí)的電路分析2.λ=1時(shí)電路工作過程分析

圖5-15λ=1時(shí)電路的電量波形

（Ⅱ）（Ⅰ）（Ⅲ）（5-79）（5-88）（5-89）（5-90）第十四頁，共41頁。5.4.2網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)λ=1時(shí)的電路分析（Ⅰ）（Ⅱ）（Ⅲ）（5-92）（Ⅰ）（Ⅱ）（Ⅲ）（5-91）第十五頁，共41頁。5.4.2網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)λ=1時(shí)的電路分析3.輸出電流i0的分析（5-93）其中：當(dāng)時(shí)如圖，i0的占空比與us是相同的。第十六頁，共41頁。5.4.2網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)λ=1時(shí)的電路分析（5-96）（5-97）（5-95）第十七頁，共41頁。5.4.3輸出電壓U0的調(diào)節(jié)（5-98）（5-100）（5-101）（5-102）故有：又有：所以：（5-103）由于，故有：（5-104）第十八頁，共41頁。5.4.3輸出電壓U0的調(diào)節(jié)圖5-16外擾作用下電量的矢量關(guān)系(a)負(fù)載電阻R0變化時(shí)的穩(wěn)壓分析(b)網(wǎng)壓uN變化時(shí)的穩(wěn)壓分析第十九頁，共41頁。5.4.4網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)λ=-1時(shí)的電路分析圖5-17λ=-1時(shí)電路的電量波形

圖5-18不同工作模式的等效電路(λ=-1)

a)、b)工作模式Ⅰc)、f)工作模式Ⅱe)、d)工作模式Ⅲ（1）電源沿LN短路（如圖5-18a和b），電感LN儲(chǔ)能向電網(wǎng)反饋。（2）有源負(fù)載的儲(chǔ)能向電網(wǎng)和LN轉(zhuǎn)移（如圖5-14c和d）。（3）LN中的儲(chǔ)能同時(shí)向負(fù)載和電網(wǎng)轉(zhuǎn)移（如圖5-14e和f）。第二十頁，共41頁。5.4.5電路的控制圖5-19采用間接電流控制策略的PWM整流電路

1—直流給定電壓2—直流輸出電壓檢測

3—交流輸入電壓檢測4—電壓調(diào)節(jié)器5—移相器

6—電壓變換7—標(biāo)量乘法器8—矢量加法器

9—PWM比較器10—載波發(fā)生器11—控制門12—保護(hù)電路13—脈沖分配器14—驅(qū)動(dòng)電路(5-115)(5-116)第二十一頁，共41頁。5.4.5電路的控制圖5-20采用直接電流控制策略的PWM整流電路

1—直流給定電壓2—直流輸出電壓檢測3—交流電流檢測4—電壓調(diào)節(jié)器5—交流電壓檢測

6—驅(qū)動(dòng)電路7—標(biāo)量乘法器8—電流調(diào)節(jié)器9—PWM比較器10—載波發(fā)生器第二十二頁，共41頁。3.7逆變電路的控制圖3-30采用電流滯環(huán)跟蹤控制方式的逆變電路

a)電路結(jié)構(gòu)b)等效電路c)普通比較器的控制特性d)滯環(huán)比較器的控制特性

1—正弦電流給定2—滯環(huán)比較器3—鎖存器4—驅(qū)動(dòng)電路1、電流滯環(huán)跟蹤控制第二十三頁，共41頁。5.5電壓型三相橋式PWM整流電路5.5.1電路工作原理分析

5.5.2電路的控制

5.5.3輸出直流電壓的估算第二十四頁，共41頁。5.5.1電路工作原理分析圖5-21電壓型三相半橋式PWM整流電路（5-119）（5-120）第二十五頁，共41頁。5.5.1電路工作原理分析圖5-22λ=1時(shí)三相電壓型PWM整流電路電量波形

1.控制極信號(hào)的時(shí)序分布（5-121）（5-122）（5-123）第二十六頁，共41頁。5.5.1電路工作原理分析2.橋側(cè)線電壓波形分析（5-125）（5-124）——如圖5-22c——如圖5-22d，為一單極性SPWM波3.橋側(cè)相電壓波形分析（5-126）（5-127）（5-128）第二十七頁，共41頁。5.5.1電路工作原理分析可見：1）ua01與a相調(diào)制信號(hào)ugm同相位，即：（5-129）2）ua0與uA0無論在相位和波形上均有較大差別，為了平衡電路電壓，輸入電感LN是必不可少的。（5-130）式中3）各相輸入電流的變率為時(shí)變值，即：（5-131）第二十八頁，共41頁。5.5.1電路工作原理分析4.電路的工作模式圖5-23三相電壓型PWM整流電路的工作模式a）模式M1

（3D0T）b）模式M3

（1D2T）c)模式M2（2D1T)d）模式M4（1D2T)

第二十九頁，共41頁。5.5.1電路工作原理分析5.輸入電感LN的選擇（5-132）（5-133）（5-134）——LN的下限值。設(shè)計(jì)時(shí)取由：得：由：得：（5-135）——LN的上限值。第三十頁，共41頁。5.5.2電路的控制1.標(biāo)量乘法器方案圖5-24含標(biāo)量乘法器的三相PWM整流電路控制結(jié)構(gòu)圖

1—電壓給定2—電壓調(diào)節(jié)器3—輸出直流電壓檢測4—輸入交流電壓檢測

5—交流電流檢測6—標(biāo)量乘法器7—電流調(diào)節(jié)器8—控制門9—保護(hù)電路

10—載波發(fā)生器11—SPWM信號(hào)生成和處理器第三十一頁，共41頁。5.5.2電路的控制圖5-25采用矢量控制方案的三相PWM整流電路控制結(jié)構(gòu)圖

1—電壓給定2—電壓調(diào)節(jié)器3—電流調(diào)節(jié)器

4—三角函數(shù)運(yùn)算5—同步電路6—三相/二相坐標(biāo)變換

7—二相/三相坐標(biāo)變換8—輸出直流電壓檢測

9—PWM信號(hào)生成10—載波發(fā)生器11—基波相移角給定2.矢量控制方案（5-137）（5-138）（5-139）（5-141）（5-139）（5-142）第三十二頁，共41頁。5.5.2電路的控制這一方案的確切名稱是基于d-q軸的矢量控制方案。d-q軸是一種以指定速度轉(zhuǎn)動(dòng)的二相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。關(guān)于坐標(biāo)變換始于交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中的矢量控制方案，其基本思想是：按照產(chǎn)生同樣旋轉(zhuǎn)磁場這一等效原則，通過數(shù)學(xué)上的坐標(biāo)變換，把三相交流電動(dòng)機(jī)的定子電流分解為兩個(gè)獨(dú)立分量，一個(gè)是用來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)的勵(lì)磁分量，另一個(gè)是用來產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩分量。第三十三頁，共41頁。5.5.2電路的控制圖5-26三相PWM整流等效電路及矢量圖

a)基波等效電路b)?＜0的矢量圖（5-143,150）（5-144,5-145,151）說明：當(dāng)?

=90°時(shí)，電路被稱為靜止無功功率發(fā)生器（SVG——StaticVarGenerator），又稱靜止同步補(bǔ)償器

（STATCOM——StaticSynchronousCompensator）。（5-148）（5-149）（5-154）（5-155）（5-157）（5-158）第三十四頁，共41頁。5.5.3輸出直流電壓的估算?=0（整流運(yùn)行）時(shí)，輸出電壓U0的估算：為雙極性SPWM波，則：（5-164）由平均值模型分析法得：（5-162）又，而無基波分量，則：（5-165）所以又，則：（5-167）第三十五頁，共41頁。應(yīng)用舉例1、輕型高壓直流輸電2、風(fēng)力發(fā)電第三十六頁，共41頁。應(yīng)用舉例3、柔性交流輸電SVG（或STATCOM）第三十七頁，共41頁。應(yīng)用舉例控制測量變量參數(shù)設(shè)置變流器1變流器2并聯(lián)變壓器串聯(lián)變壓器acacURefZRefsRefQRefIUsUpqU+UpqUdc統(tǒng)一潮流控制器（UPFC——UnifiedPowerFlowController）靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM)靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器(SSSC)第三十八頁，共41頁。應(yīng)用舉例◆UPFC中兩個(gè)背靠背的兩個(gè)變流器共用一個(gè)直流母線和一個(gè)儲(chǔ)能電容。有功功率可以在兩個(gè)變流器的兩個(gè)交流端子之間在任一方向自由流動(dòng)，每個(gè)變流器的交流輸出端也可獨(dú)立地產(chǎn)生或吸收無功功率?！鬠PFC中變流器2的功能是通過串聯(lián)變壓器給線路注入幅值Upq和相角均可控的電壓矢量U