脉冲整流器学习.pptx

第第1 1节节 单相脉冲整流器（四象限变换器）单相脉冲整流器（四象限变换器）1.1.电路结构电路结构能将输入的交流变成直流，也可将直流逆变成交流能将输入的交流变成直流，也可将直流逆变成交流电回馈电网。无论整流或逆变其电网侧的电流与电电回馈电网。无论整流或逆变其电网侧的电流与电压同相位、波形近似正弦，功率因数接近单位值。压同相位、波形近似正弦，功率因数接近单位值。PWMPWM整流器分为电压型与电流型两类。主要应用的是整流器分为电压型与电流型两类。主要应用的是电压型电压型+-第1页/共42页电容电容C Cd d：保证输出电压的恒定：保证输出电压的恒定交流侧电感交流侧电感L LN N是电路必须的。它包括外接电感与是电路必须的。它包括外接电感与变压器漏感变压器漏感主电路交流侧的电阻主电路交流侧的电阻R R，包括电感电阻和交流电源，包括电感电阻和交流电源内阻，电路中未画出。内阻，电路中未画出。当输入侧的交流电压当输入侧的交流电压u uN N（t t）与电流）与电流i iN N（t t）均为正）均为正弦时：弦时：直流输出与交流输入功率的瞬时值应当相等：直流输出与交流输入功率的瞬时值应当相等：第2页/共42页可见，直流电流可见，直流电流i id d将以将以2 2倍网频脉动。要得到恒定倍网频脉动。要得到恒定的输出电压应当在脉冲整流器与负载间接一个由的输出电压应当在脉冲整流器与负载间接一个由电感电容组成的二次谐波滤波器以平衡以电感电容组成的二次谐波滤波器以平衡以2 2倍网频倍网频脉动的能量，即电路中脉动的能量，即电路中L L2 2C C2 2支路。支路。第3页/共42页T1T4按按SPWM方式进行控制。控制正弦信号的频方式进行控制。控制正弦信号的频率与电网频率相同。在脉冲整流器交流侧产生的交率与电网频率相同。在脉冲整流器交流侧产生的交流电压流电压uS(t)的基波与电网电压同频率，其幅值和与的基波与电网电压同频率，其幅值和与 网压的相位可控。电感网压的相位可控。电感LN抑制抑制uS(t)中的高次谐波电中的高次谐波电压所产生的谐波电流。因此压所产生的谐波电流。因此iN(t)也是与电网同频率的也是与电网同频率的正弦量正弦量2.电路的工作模式与能量关系电路的工作模式与能量关系设交流电源侧的电压与电流均为正弦。以交流电源设交流电源侧的电压与电流均为正弦。以交流电源的正半周为例：的正半周为例：第4页/共42页(1)(1)模式模式1 1：S S1 1S S3 3导通信号。此时电路方程是：导通信号。此时电路方程是：+-i iN N为正时，为正时，D D1 1和和D D3 3导通，交流侧输出能量，直流侧导通，交流侧输出能量，直流侧吸取能量，处于整流状态，吸取能量，处于整流状态，i iN N减小，减小，L LN N释放能量释放能量第5页/共42页i iN N为负时，为负时，T T1 1和和T T3 3导通，交流侧吸收能量，直流侧导通，交流侧吸收能量，直流侧释放能量，处于能量反馈状态，释放能量，处于能量反馈状态，i iN N增大，增大，L LN N储能储能（2 2）模式）模式2 2：S S2 2S S4 4导通信号。此时电路方程是：导通信号。此时电路方程是：+-i iN N为正时，为正时，T T2 2和和T T4 4导通，交流侧与直流侧均输出能导通，交流侧与直流侧均输出能量，量，i iN N增大，增大，L LN N储能储能第6页/共42页i iN N为负时，为负时，D D2 2和和D D4 4导通，交流侧与直流侧均吸收能导通，交流侧与直流侧均吸收能量，量，i iN N减小，减小，L LN N放能。放能。（3 3）模式）模式3 3：S S1 1S S2 2导通信号。此时电路方程是：导通信号。此时电路方程是：+-直流侧与交流侧无能量交换，交流电源被短接直流侧与交流侧无能量交换，交流电源被短接第7页/共42页i iN N为正时，为正时，D D1 1和和T T2 2导通，导通，i iN N增大，增大，L LN N储能。储能。i iN N为负时，为负时，D D2 2和和T T1 1导通，导通，i iN N减小，减小，L LN N放能。放能。（4 4）模式）模式4 4：S S3 3S S4 4导通信号。此时电路方程如下导通信号。此时电路方程如下+-直流侧与交流侧无能量交换，交流电源被短接直流侧与交流侧无能量交换，交流电源被短接第8页/共42页i iN N为正时，为正时，D D4 4和和T T3 3导通，导通，i iN N增大，增大，L LN N储能。储能。i iN N为负时，为负时，D D3 3和和T T4 4导通，导通，i iN N减小，减小，L LN N放能。放能。3.电路的工作过程电路的工作过程主开关的控制信号如图所示主开关的控制信号如图所示uXuYuN第9页/共42页区域区域1 1：T T1 1T T2 2全为断信号，电压、电流为正，所以全为断信号，电压、电流为正，所以T T4 4D D3 3导通，导通，u uN N给给L LN N储能。储能。区域区域2 2：D D1 1onon，D D3 3onon，u uN N 和和L LN N给直流侧供能。给直流侧供能。区域区域3 3：D D1 1onon，T T2 2onon，u uN N 给给L LN N供能。供能。其它的区域分析方法相同。其它的区域分析方法相同。注意电路中注意电路中 u uN N、L LN N与开关组成了与开关组成了“升压斩波器升压斩波器”。例如，例如，u uN N0 0时，时，T T4 4、D D3 3、D D1 1、L LN N与与u uN N组成了一个升组成了一个升压斩波器；压斩波器；D D1 1、T T2 2、D D3 3 、L LN N与与u uN N组成了另一个升压组成了另一个升压斩波器。斩波器。同理，在同理，在u uN N0 0时也有两个等效的升压斩波器。时也有两个等效的升压斩波器。第10页/共42页+-+-第11页/共42页+-+-第12页/共42页为了为使为了为使PWMPWM整流器能够正确工作，必须使直流电整流器能够正确工作，必须使直流电压值大于交流电源电压的幅值。压值大于交流电源电压的幅值。以以u uN N0 0时，时，T T4 4、D D3 3、D D1 1、L LN N与与u uN N组成的升压斩波器的组成的升压斩波器的工作为例，当工作为例，当T T4 4导通时，导通时，u uS S经经T T4 4、D D3 3被短路，电感中被短路，电感中的电流增大，电感储能。当的电流增大，电感储能。当T T4 4关断时，电感储能经关断时，电感储能经D D3 3、D D1 1向直流侧电容充电。若流入电容的能量大于流向直流侧电容充电。若流入电容的能量大于流出的能量，直流电压就要升高；反之就要降低。正出的能量，直流电压就要升高；反之就要降低。正确地控制开关的占空比，就能保持直流电压达到所确地控制开关的占空比，就能保持直流电压达到所要求的值并保持恒定。要求的值并保持恒定。第13页/共42页4.4.单相脉冲整流器的控制单相脉冲整流器的控制 从交流输入侧看，从交流输入侧看，PWMPWM整流器主电路可以简化为图整流器主电路可以简化为图示的等效电路。于是有如下的相量方程：示的等效电路。于是有如下的相量方程：等效电路等效电路整流时矢量图整流时矢量图逆变时矢量图逆变时矢量图第14页/共42页由矢量图由矢量图知，当知，当u uN N不变时，不变时，i iN N的幅值与相位完全由的幅值与相位完全由逆变器产生的逆变器产生的u uS S的幅值及其与的幅值及其与u uN N的相位来决定。控的相位来决定。控制制u uN N、u uS S间的相位角和间的相位角和u uS S的幅值，就能够控制交流的幅值，就能够控制交流侧的电流侧的电流i iN N的大小和相位。可以实现的大小和相位。可以实现i iN N与与u uN N同相、同相、反相、超前、滞后。即通过控制，既可以使反相、超前、滞后。即通过控制，既可以使PWMPWM整整流器在功率因数为流器在功率因数为1 1的条件下整流或逆变运行；也的条件下整流或逆变运行；也可以使它成为一个等效的电容或电感，向交流电可以使它成为一个等效的电容或电感，向交流电路送出无功功率。路送出无功功率。两种控制策略：直接电流控制和间接电流控制，两种控制策略：直接电流控制和间接电流控制，又称相位幅值控制又称相位幅值控制第15页/共42页(1)间接电流控制（按矢量图示关系控制）间接电流控制（按矢量图示关系控制）电阻、电感上的电压与网压相加（减），构成逆变电阻、电感上的电压与网压相加（减），构成逆变器的控制信号。直流控制环节保证了直流电压的恒器的控制信号。直流控制环节保证了直流电压的恒定。如果直流电压低于给定，则输入电流增大，输定。如果直流电压低于给定，则输入电流增大，输入功率增大，直流电压增高。反之则降低入功率增大，直流电压增高。反之则降低PIRSXLPWM4QC第16页/共42页PIRS4QCPI比较三角波直流恒压控制与上相同。它采用电流跟踪方式以确直流恒压控制与上相同。它采用电流跟踪方式以确保网压与网泫的同相位。为方便滤波器的设计，电保网压与网泫的同相位。为方便滤波器的设计，电流跟踪采用了流跟踪采用了PWMPWM方式方式(2)直接电流控制直接电流控制引入交流电流反馈、直接控制交流电流使其跟踪指引入交流电流反馈、直接控制交流电流使其跟踪指令电流值令电流值。第17页/共42页两种控制方案的优缺点：两种控制方案的优缺点：间接电流控制的主要优点：不需要电流互感器，间接电流控制的主要优点：不需要电流互感器，控制成本低，电路简单，易实现，静态特性好，控制成本低，电路简单，易实现，静态特性好，且控制原理清楚。且控制原理清楚。主要缺点是：主要缺点是：（1 1）自身无限流功能（无电流环），需加过流保）自身无限流功能（无电流环），需加过流保护电路护电路（2 2）系统从一种稳态向另一稳态过渡时电流中会）系统从一种稳态向另一稳态过渡时电流中会出现直流分量出现直流分量（3 3）系统动态响应慢。）系统动态响应慢。第18页/共42页直接电流控制的优点：输入交流侧电流快速跟踪电直接电流控制的优点：输入交流侧电流快速跟踪电流指令，动态响应速度快，限流容易，控制精度高流指令，动态响应速度快，限流容易，控制精度高缺点：（缺点：（1 1）输入电流检测需要宽频带的电流传感器，）输入电流检测需要宽频带的电流传感器，控制成本高。（控制成本高。（2 2）电流脉动大，增加了注入电网的）电流脉动大，增加了注入电网的谐波谐波5 5 间接电流控制系统仿真间接电流控制系统仿真第19页/共42页将将I IN*与正弦项相乘得到与网压同相的电流有功分量，与正弦项相乘得到与网压同相的电流有功分量，将将I IN*与余弦项相乘得到垂直于网压的电压分量，与余弦项相乘得到垂直于网压的电压分量，“4 4”的输出模拟了电感上的电压值。当不计电阻的输出模拟了电感上的电压值。当不计电阻R R时，它们合成的电压矢量必然满足时，它们合成的电压矢量必然满足将实际值将实际值U Ud与给定值与给定值U Ud*比较，其差值送直流电压调比较，其差值送直流电压调节器节器“2 2”。如果。如果U Ud*U Ud，表示实际消耗的直流功率，表示实际消耗的直流功率变大了，应增大交流输入电流。所以将变大了，应增大交流输入电流。所以将 “2 2”的输的输出作为交流电流的给定值出作为交流电流的给定值I IN*。第20页/共42页将实际电流将实际电流IN与给定电流与给定电流IN*比较，产生由于功率变比较，产生由于功率变化而引起的补偿分量，并经调节器化而引起的补偿分量，并经调节器“5 5”产生修正产生修正信号信号 UN，因此：，因此：可以证明，主电路中电阻的影响可以被消除可以证明，主电路中电阻的影响可以被消除采用采用MATLABMATLAB的仿真如图示。的仿真如图示。从仿真中知，间接电流控制方式易受负载变化、从仿真中知，间接电流控制方式易受负载变化、调节器参数变化和电阻、电感参数的影响。可能调节器参数变化和电阻、电感参数的影响。可能会出现控制误差。此外，电路的升压倍数也要影会出现控制误差。此外，电路的升压倍数也要影响系统的响应过程。响系统的响应过程。第21页/共42页第22页/共42页6 6 直接电流控制系统仿真直接电流控制系统仿真第23页/共42页+-电路结构电路结构电容电容CdCd：保证输出电压：保证输出电压的恒定。交流侧电感的恒定。交流侧电感LNLN是电路必须的。它包括是电路必须的。它包括外接电感与变压器漏感。外接电感与变压器漏感。升压电感升压电感与单相不同电路中不需要二次滤波支路。设三相电与单相不同电路中不需要二次滤波支路。设三相电流与三相电压同相，波形完全正弦，直流侧电压平流与三相电压同相，波形完全正弦，直流侧电压平直。输入与输出的电功率平衡，有直。输入与输出的电功率平衡，有第第2 2节三相脉冲整流器节三相脉冲整流器第24页/共42页即是即是可见直流侧的电流是常数，不需要二次谐波滤波器可见直流侧的电流是常数，不需要二次谐波滤波器三相脉冲整流电路的工作模式分析三相脉冲整流电路的工作模式分析电路的分析比较复杂，需要将开关状态、三相电流电路的分析比较复杂，需要将开关状态、三相电流结合起来，结合起来，(与逆变电路分析相同与逆变电路分析相同)设相电流与相电设相电流与相电压同相，均为正弦压同相，均为正弦第25页/共42页2431vavbvc第26页/共42页区域区域1 1：T135T135，iaia、icic为正为正ibib为负为负+等效电路如图。等效电路如图。D1D5T3D1D5T3导通。三相电压作用在三相导通。三相电压作用在三相电感上，电流增加，电感储能电感上，电流增加，电感储能区域区域2 2：T165T165，iaia、icic为正为正ibib为负为负等效电路如图。等效电路如图。D1D5D6D1D5D6导通。三相电源发出电能，导通。三相电源发出电能，电流减小，电感释放储能电流减小，电感释放储能第27页/共42页+-区域区域3 3：T162T162，iaia、icic为正为正ibib为负变到为负变到iaia为正为正ibibicic为负。等效电路如图。注意到为负。等效电路如图。注意到bcbc两相间短路环流两相间短路环流+-第28页/共42页+-区域区域3 3：T462T462，iaia为正、为正、icibicib为负等效电路如图。为负等效电路如图。-第29页/共42页按上述方法可分析出各个区域中器件的通断状态并按上述方法可分析出各个区域中器件的通断状态并确定能量的流动方向确定能量的流动方向该电路中工作模式是：该电路中工作模式是：非零状态下的三个二极管导通模式非零状态下的三个二极管导通模式非零状态下的二个二极管一个开关导通模式非零状态下的二个二极管一个开关导通模式零状态下的二个二极管一个开关导通模式模式零状态下的二个二极管一个开关导通模式模式工作模式与电流方向工作模式与电流方向(例如再生时例如再生时)有关有关三相脉冲整流电路的控制三相脉冲整流电路的控制三相脉冲整流电路可分为三相脉冲整流电路可分为3131相电路和相电路和3 3相两种。相两种。这里指的是后者。按照电路规则，对称三相电这里指的是后者。按照电路规则，对称三相电路可以用单相电路来求解路可以用单相电路来求解第30页/共42页三相脉冲整流电路有与单相电路一样的控制方式三相脉冲整流电路有与单相电路一样的控制方式和电路。间接电流控制方式框图：和电路。间接电流控制方式框图：PIRSXLPWM4QC与单相相同，该控制方式是基于电压的矢量方程与单相相同，该控制方式是基于电压的矢量方程得到的。得到的。第31页/共42页第32页/共42页与单相相比，三相电路不需要二次谐波滤波器。与单相相比，三相电路不需要二次谐波滤波器。仿真系统与结果如下图仿真系统与结果如下图直接电流控制方式有很多种。其一为电流跟踪方直接电流控制方式有很多种。其一为电流跟踪方式：式：PI4QCPI比较三角波控制系统的框图如图。它的主体也是用三个单相控制系统的框图如图。它的主体也是用三个单相控制器来实现对三相的控制控制器来实现对三相的控制第33页/共42页第34页/共42页在仿真系统中，三相电流指令用三相相电压来模拟。在仿真系统中，三相电流指令用三相相电压来模拟。从结果看，系统的稳定时间比间接电流控制的系统从结果看，系统的稳定时间比间接电流控制的系统短，电路的响应更快，同样主电路不需要二次谐波短，电路的响应更快，同样主电路不需要二次谐波滤波器。但由于其控制的原理，它的电流纹波比前滤波器。但由于其控制的原理，它的电流纹波比前者大，若要减小纹波，需要提高开关频率。者大，若要减小纹波，需要提高开关频率。直接电流控制方式的另一种实现方式（采用坐标变换直接电流控制方式的另一种实现方式（采用坐标变换理论）理论）第35页/共42页PQPQ电流控制方式的核心是将三相电流变换成为两电流控制方式的核心是将三相电流变换成为两相，再用无功理论分解出有功和无功分量。控制相，再用无功理论分解出有功和无功分量。控制系统使交流输入的无功保持为零，则输入端的功系统使交流输入的无功保持为零，则输入端的功率因数必然是率因数必然是1 1。其矢量图如图所示。其矢量图如图所示。第36页/共42页三相电路中的有功电流矢量三相电路中的有功电流矢量i iP P无功电流矢量无功电流矢量i iQ Q分别为分别为电流矢量电流矢量i i在矢量在矢量u u及其法线上的投影及其法线上的投影:三相电路的瞬时无功功率三相电路的瞬时无功功率q q和瞬时有功功率和瞬时有功功率p p分别为电分别为电压矢量压矢量u u的模与瞬时无功电流的模与瞬时无功电流i iq q与有功电流与有功电流i ip p的乘积：的乘积：当三相电路的瞬时无功功率当三相电路的瞬时无功功率q q为零时，整流器工作在为零时，整流器工作在单位功率因数状态。此时交流电源只向整流器提供单位功率因数状态。此时交流电源只向整流器提供有功功率有功功率p p。当它逆变运行时，也只向电网回馈有功。当它逆变运行时，也只向电网回馈有功功率。功率。第37页/共42页第38页/共42页第第3 3节节 无功功率补偿电路无功功率补偿电路 脉冲整流器可以实现静止补偿器脉冲整流器可以实现静止补偿器STATCOMSTATCOM的功能的功能第39页/共42页第40页/共42页第41页/共42页感谢您的观看！第42页/共42页