第七章脈沖整流

第七章脈沖整流2023/5/2北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院7-1第1頁，共66頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/2北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院7-2本章內(nèi)容7.1概述7.2電壓型脈沖整流器7.3電流型脈沖整流器7.4電流型脈沖整流器與電壓型脈沖整流器的性能特點(diǎn)比較7.5脈沖整流器的應(yīng)用第2頁，共66頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/2北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院7-37.1概述一、脈沖整流器的發(fā)展背景相控整流器的不足☆功率因數(shù)低諧波含量大提高相控整流器功率因數(shù)的措施☆多段橋（多重化）；全控橋工作于半控狀態(tài)；斬控整流（強(qiáng)迫換相）。第3頁，共66頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/2北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院7-41、多段橋——串聯(lián)變流器的順序控制

順序控制基本思想：將幾個變流器串聯(lián)，根據(jù)輸出電壓的要求對它們進(jìn)行不同的控制，其中只有一個變流器處于相控狀態(tài)，其余變流器處于續(xù)流或滿輸出狀態(tài)。第4頁，共66頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/2北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院7-5SS3BSS4BSS8SS9不等分三段半控橋多段橋的應(yīng)用——交—直電力機(jī)車主電路第5頁，共66頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/2北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院7-62、全控橋工作于半控狀態(tài)——可控續(xù)流（提高位移因數(shù)）第6頁，共66頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/2北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院7-73、強(qiáng)迫換相(1)熄滅角控制獲超前相移因數(shù)，對整個電力系統(tǒng)有利。第7頁，共66頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/2北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院7-8(2)對稱角控制：使位移因數(shù)為1第8頁，共66頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/2北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院7-9（3）脈沖寬度控制（PWM脈沖整流）： 使位移因數(shù)達(dá)到1，并同時(shí)提高畸變因數(shù)第9頁，共66頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/2北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院7-10二、脈沖整流器的特點(diǎn)脈沖整流器是一種以脈寬控制（PWM）方式工作的整流器，又稱為四象限變流器與相控整流器相比具有下列優(yōu)點(diǎn)☆：功率因數(shù)高，交流側(cè)cosψ=±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。概述第10頁，共66頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/2北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院7-11三、脈沖整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)生頻率、幅值、相位都可調(diào)的波形，如us1；概述若在交流側(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：第11頁，共66頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/2北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院7-12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

——脈沖整流器的基本思想概述第12頁，共66頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/2北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院7-13四、分類：按直流側(cè)的電壓和電流情況分類

1、電壓型脈沖整流器特征：直流側(cè)電壓恒定，即：ud(t)=Ud，并且Ud

UN（正常工作的條件☆）概述UduN第13頁，共66頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/2北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院7-142、電流型脈沖整流器特征：直流側(cè)電流恒定，即：id(t)=Id，并且Id

IN（正常工作的條件☆）概述IdiN第14頁，共66頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/2北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院7-15概述五、PWM整流器的發(fā)展史E120機(jī)車的電源側(cè)變流器德國BBC公司于1974年生產(chǎn)出第一臺交流傳動電力機(jī)車——E120機(jī)車，將四象限變流器作為其電源側(cè)變流器。第15頁，共66頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/2北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院7-16概述第16頁，共66頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/2北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院7-17概述第17頁，共66頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/2北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院7-18支撐電容Cd：用于濾波，使直流側(cè)電壓恒定。交流側(cè)電感LN：用于實(shí)現(xiàn)對PWM整流器交流側(cè)電壓us1的調(diào)節(jié)從而實(shí)現(xiàn)對功率因數(shù)的調(diào)節(jié)，同時(shí)也限制交流側(cè)諧波電流。7.2電壓型脈沖整流器一、單相電壓型脈沖整流器的結(jié)構(gòu)１、基本結(jié)構(gòu)2、各元件的作用☆第18頁，共66頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/2北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院7-19二次濾波回路L2、C2：用于提供2次諧波電流通路，限制直流側(cè)二次諧波電流，從而減小ud中的二次諧波電壓。其諧振頻率為基波頻率的2倍。2、各元件的作用☆第19頁，共66頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/2北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院7-20電壓型脈沖整流器二、工作原理：通過對T1~T4進(jìn)行PWM控制，使電網(wǎng)電流iN(t)的基波分量與電網(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。第20頁，共66頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/2北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院7-21電壓型脈沖整流器控制方法被控量Ud：要求Ud基本保持恒定iN1：要求iN1與uN保持同相或反相控制方法間接電流控制直接電流控制

第21頁，共66頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/2北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院7-22

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的幅值和相位也可控。（1）相量方程☆

電壓型脈沖整流器1、間接電流控制——根據(jù)相量方程（相量圖）產(chǎn)生合適的Us1。第22頁，共66頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/2北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院7-23（2）相量圖☆（功率因數(shù)=±1時(shí)）

(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。電壓型脈沖整流器第23頁，共66頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/2北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院7-24（3）基本電量關(guān)系：

設(shè)uN(t)=UNmsinωNt，且忽略線路電阻整流工況：IN1m=UNmtanφ/ωNLN——得φ US1m=UNm/cosφ——得US1m

uS1(t)=US1msin(ωNt-φ)——得uS1(t)電壓型脈沖整流器第24頁，共66頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/2北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院7-25（4）uS、uN和iN波形☆整流（牽引）電壓型脈沖整流器第25頁，共66頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/2北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院7-26逆變工況： IN1m=UNmtanφ/ωNLN US1m=UNm/cosφ uS1(t)=US1msin(ωNt+φ)

電壓型脈沖整流器第26頁，共66頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/2北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院7-27uS、uN和iN波形☆逆變（再生）電壓型脈沖整流器第27頁，共66頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/2北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院7-28uS、uN和iN波形☆理想空載電壓型脈沖整流器第28頁，共66頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/2北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院7-29電壓型脈沖整流器2、直接電流控制——電流跟蹤控制第29頁，共66頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/2北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院7-30三、整流器工作模式及能流（能量傳遞）關(guān)系根據(jù)各功率器件的工作狀態(tài)及能量流向，整流器在一個工作周期內(nèi)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：整流器從交流電源或LN吸收能量（4種）（3）逆變：整流器向交流電源或LN泄放能量（4種）電壓型脈沖整流器第30頁，共66頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/2北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院7-31整流器工作模式及能流關(guān)系（網(wǎng)壓uN(t)為正半波時(shí)）電壓型脈沖整流器第31頁，共66頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/2北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院7-32整流器工作模式及能流關(guān)系（網(wǎng)壓uN(t)為正半波時(shí)）電壓型脈沖整流器第32頁，共66頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/2北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院7-33四、三相電壓型脈沖整流器主電路結(jié)構(gòu)工作原理與單相脈沖整流器相同電壓型脈沖整流器第33頁，共66頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/2北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院7-34平波電感Ld：用于濾波，使直流側(cè)電流平直。交流側(cè)電容CN：用于調(diào)節(jié)交流側(cè)電流IN1從而實(shí)現(xiàn)對功率因數(shù)的調(diào)節(jié)并限制交流側(cè)諧波電流。7.3電流型脈沖整流器１、基本結(jié)構(gòu)2、各元件的作用☆第34頁，共66頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/2北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院7-35二次濾波回路L2、C2：用于限制直流側(cè)二次諧波電壓，從而減小id中的二次諧波電流。其諧振頻率為基波頻率的2倍。交流側(cè)電感LN：電源變壓器及線路上的分布電感。（理論上并不需要）第35頁，共66頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/2北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院7-363、工作原理：通過對T1~T4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。電流型脈沖整流器第36頁，共66頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/2北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院7-37

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。（1）相量方程

電流型脈沖整流器間接電流控制——根據(jù)相量方程（圖）產(chǎn)生合適的IP1。第37頁，共66頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/2北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院7-38（2）相量圖（功率因數(shù)=±1時(shí)）(a)整流（牽引）(b)逆變（再生）電流型脈沖整流器第38頁，共66頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/2北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院7-39（3）基本電量關(guān)系：

設(shè)uN(t)=UNmsinωNt，且忽略LN整流工況：iN1(t)=IN1msinωNt iP1(t)=IP1msin(ωNt-φ) IN1m=UNmωNCN

/tanφ IP1m=IN1m/cosφ 逆變工況：iN1(t)=IN1msin(ωNt+π) iP1(t)=IP1msin(ωNt+π-φ) IN1m=UNmωNCN

/tanφ IP1m=IN1m/cosφ 定義調(diào)制比（調(diào)制深度）：α=IP1m/Id

電流型脈沖整流器第39頁，共66頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/2北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院7-40電壓型脈沖整流器直接電流控制第40頁，共66頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/2北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院7-414、整流器工作模式及能流（能量傳遞）關(guān)系根據(jù)各功率器件的工作狀態(tài)及能量流向，整流器在一個工作周期內(nèi)的工作模式也可分成3類12種模式：（1）整流器斷開（ip=0）：電源與CN交換能量（4種）（2）整流：整流器從交流電源或CN吸收能量（4種）（3）逆變：整流器向交流電源或CN泄放能量（4種）電流型脈沖整流器第41頁，共66頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/2北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院7-425、三相電流型脈沖整流器（GTO）電流型脈沖整流器第42頁，共66頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/2北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院7-435、三相電流型脈沖整流器（續(xù)）（IGBT模塊）電流型脈沖整流器第43頁，共66頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/2北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院7-447.4電流型脈沖整流器與電壓型脈沖整流器的性能特點(diǎn)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。第44頁，共66頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/2北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院7-45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；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；第45頁，共66頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/2北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院7-46不同之處：電壓型(3)上、下橋臂主管換相順序必須是“先關(guān)后開”，并且設(shè)置一個死區(qū)時(shí)間，避免上、下橋臂貫穿短路。電流型(3)相鄰橋臂主管換相順序必須是“先開后關(guān)”，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)用范圍廣。(4)電流響應(yīng)速度快；(5)體積大。第46頁，共66頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/2北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院7-477.5脈沖整流器的應(yīng)用

在電力機(jī)車上的應(yīng)用E120型交流傳動電力機(jī)車晶閘管T1~T4是主管，TF1~TF4為輔管，它們與電容電感LC一起構(gòu)成主管的強(qiáng)迫換流電路。第47頁，共66頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/2北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院7-48在電力機(jī)車上的應(yīng)用脈沖整流器的應(yīng)用第48頁，共66頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/2北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院7-49用作有源電子負(fù)載用于直流電源試驗(yàn)，可以將待試設(shè)備的輸出能量反饋到電網(wǎng)，節(jié)約能源。脈沖整流器的應(yīng)用第49頁，共66頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/2北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院7-50可再生能源和儲能系統(tǒng)與電網(wǎng)間的互聯(lián)可再生能源（風(fēng)能、太陽能、潮汐發(fā)電、水力發(fā)電等）不能直接并入電網(wǎng)。太陽能發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)脈沖整流器的應(yīng)用第50頁，共66頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/2北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院7-51

補(bǔ)充1—靜止無功發(fā)生器（SVG）

所謂靜止無功發(fā)生器（SVG）是指采用PWM整流器來進(jìn)行動態(tài)無功補(bǔ)償?shù)难b置。其拓樸結(jié)構(gòu)如下：脈沖整流器的應(yīng)用第51頁，共66頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/2北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院7-52電壓型SVG基本原理

通過調(diào)節(jié)PWM變流電路交流側(cè)輸出電壓的相位和幅值，或者直接控制其交流側(cè)電流，使該電路吸收或發(fā)出滿足要求的無功電流，從而實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償。脈沖整流器的應(yīng)用第52頁，共66頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/2北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院7-53理想系統(tǒng)（不考慮SVG的損耗）工作情況分析

此情況下SVG不從電網(wǎng)吸收有功功率，SVG交流側(cè)電壓UI與電網(wǎng)電壓US同相，改變UI的大小就可以控制SVG從電網(wǎng)吸收的電流的性質(zhì)（超前或滯后）。脈沖整流器的應(yīng)用第53頁，共66頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/2北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院7-54(b)圖：當(dāng)SVG輸出電壓的幅值大于系統(tǒng)電壓幅值時(shí)，系統(tǒng)電流超前電網(wǎng)電壓90o運(yùn)行，因此，SVG吸收超前的無功功率，起著電容器的作用。脈沖整流器的應(yīng)用第54頁，共66頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/2北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院7-55(c)圖：而當(dāng)SVG輸出電壓的幅值小于系統(tǒng)電壓幅值時(shí)，系統(tǒng)電流滯后電網(wǎng)電壓90o運(yùn)行，SVG吸收滯后的無功功率，起電抗器的作用。脈沖整流器的應(yīng)用第55頁，共66頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/2北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院7-56補(bǔ)充2—電力有源濾波器（APF）脈沖整流器的應(yīng)用第56頁，共66頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/2北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院7-57課堂思考

1、下列關(guān)于脈沖整流器的說法是否正確？①可四象限運(yùn)行②功率因數(shù)高，可達(dá)到（接近）±1

③一般采用相控工作方式 ④交流側(cè)接電機(jī)負(fù)載⑤可用于太陽能并網(wǎng)發(fā)電⑥我國交流傳動電力機(jī)車上采用三相脈沖整流器第57頁，共66頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/2北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院7-58課堂思考

2、右圖為單相電壓型脈沖整流器的相關(guān)波形，從這些波形可以看出此時(shí)脈沖整流器工作在：①整流工況 ②逆變工況 ③空載工況第58頁，共66頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/2北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院7-593、下圖為

脈沖整流器的電路框圖（1）主電路中的橋臂是屬于逆阻型橋臂還是屬于逆導(dǎo)型橋臂？（2）上下橋臂控制應(yīng)遵循什么原則？（3）此電路的直流側(cè)能否接電流型逆變器？（4）此電路的直流側(cè)能否接蓄電池？

課堂思考

第59頁，共66頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/2北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院7-604、電壓型脈沖整流器的直流側(cè)電壓必須滿足什么條件整流器才能正常工作？

課堂思考

5、有一個交—直—交型交流傳動系統(tǒng)，其電機(jī)側(cè)逆變器采用三相電壓型逆變器，其電源側(cè)變流器可采用？①單相電壓型脈沖整流器②三相電壓型脈沖整流器③單相電流型脈沖整流器④三相電流型脈沖整流器第60頁，共66頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/2北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院7-616、單相電壓型PWM整流器的的直流側(cè)一般要加L—C濾波電路，該濾波電路是：①并聯(lián)諧振電路，諧振頻率等于交流側(cè)電網(wǎng)頻率②并聯(lián)諧振電路，諧振頻率等于交流側(cè)電網(wǎng)頻率的2倍 ③串聯(lián)諧振電路，諧振頻率等于交流側(cè)電網(wǎng)頻率④串聯(lián)諧振電路，諧振頻率等于交流側(cè)電網(wǎng)頻率的2倍課堂思考

第61頁，共66頁，2023年，2月20日，