脉冲整流器.ppt

西南交通大学电力电子技术电力电子技术(jsh)Power Electronics脉冲整流器电路脉冲整流器电路第一页，共四十三页。西南交通大学第第1 1节节 单相单相(dn xin)(dn xin)脉冲整流器（四象限变换器）脉冲整流器（四象限变换器）1.1.电路电路(dinl)(dinl)结结构构能将输入的交流变成直流，也可将直流逆变能将输入的交流变成直流，也可将直流逆变(n bin)(n bin)成交成交流电回馈电网。无论整流或逆变流电回馈电网。无论整流或逆变(n bin)(n bin)其电网侧的电流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。与电压同相位、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。主要应用的是电压整流器分为电压型与电流型两类。主要应用的是电压型型+-第二页，共四十三页。西南交通大学电容电容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是电路必须是电路必须(bx)(bx)的。它包括外接电感与变的。它包括外接电感与变压器漏感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内阻，包括电感电阻和交流电源内阻，电路中未画出。电路中未画出。当输入当输入(shr)(shr)侧的交流电压侧的交流电压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：直流输出直流输出(shch)(shch)与交流输入功率的瞬时值应当相等：与交流输入功率的瞬时值应当相等：第三页，共四十三页。西南交通大学可见，直流电流可见，直流电流i id d将以将以2 2倍网频脉动。要得到恒定的倍网频脉动。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电感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容组成的二次谐波滤波器以平衡以2 2倍网频脉动的倍网频脉动的能量能量(nngling)(nngling)，即电路中，即电路中L L2 2C C2 2支路。支路。第四页，共四十三页。西南交通大学T1T4按按SPWM方式进行控制。控制正弦方式进行控制。控制正弦(zhngxin)信号的频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流电压率与电网频率相同。在脉冲整流器交流侧产生的交流电压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 网压的相网压的相位可控。电感位可控。电感LN抑制抑制uS(t)中的高次谐波电压所产生的中的高次谐波电压所产生的谐波电流。因此谐波电流。因此iN(t)也是与电网同频率的正弦量也是与电网同频率的正弦量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(gun x)设交流电源侧的电压与电流均为正弦。以交流电源的正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：半周为例：第五页，共四十三页。西南交通大学(1)(1)模式模式1 1：S S1 1S S3 3导通信号。此时导通信号。此时(c sh)(c sh)电路方程是：电路方程是：+-i iN N为正时，为正时，D D1 1和和D D3 3导通，交流侧输出导通，交流侧输出(shch)(shch)能量，直流侧吸能量，直流侧吸取能量，处于整流状态，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六页，共四十三页。西南交通大学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，直流侧释放能量，导通，交流侧吸收能量，直流侧释放能量，处于能量反馈处于能量反馈(fnku)(fnku)状态，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导通信导通信(tng xn)(tng xn)号。此时电路方程是：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导通，交流侧与直流侧均输出(shch)(shch)能能量，量，i iN N增大，增大，L LN N储能储能第七页，共四十三页。西南交通大学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导通，交流侧与直流侧均吸收(xshu)(xshu)能能量，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导通信导通信(tng xn)(tng xn)号。此时电路方程是：号。此时电路方程是：+-直流侧与交流侧无能量直流侧与交流侧无能量(nngling)(nngling)交换，交流电源被短交换，交流电源被短接接第八页，共四十三页。西南交通大学i iN N为正时为正时(zhn sh)(zhn sh)，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。此时电路方程导通信号。此时电路方程(fngchng)(fngchng)如如下下+-直流侧与交流直流侧与交流(jioli)(jioli)侧无能量交换，交流侧无能量交换，交流(jioli)(jioli)电电源被短接源被短接第九页，共四十三页。西南交通大学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(zn d)(zn d)，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主开关的控制(kngzh)信号如图所示信号如图所示uXuYuN第十页，共四十三页。西南交通大学区域区域1 1：T T1 1T T2 2全为断信号，电压全为断信号，电压(diny)(diny)、电流为正，所以、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与开关与开关(kigun)(kigun)组成了组成了“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组成了一个升压斩波组成了一个升压斩波器；器；D D1 1、T T2 2、D D3 3 、L LN N与与u uN N组成了另一个升压斩波器。组成了另一个升压斩波器。同理，在同理，在u uN N0 0时也有两个时也有两个(lin)(lin)等效的升压斩波器。等效的升压斩波器。第十一页，共四十三页。西南交通大学+-+-第十二页，共四十三页。西南交通大学+-+-第十三页，共四十三页。西南交通大学为了为了(wi le)(wi le)为使为使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工作组成的升压斩波器的工作为例，当为例，当T T4 4导通时，导通时，u uS S经经T T4 4、D D3 3被短路，电感中的电流增被短路，电感中的电流增大，电感储能。当大，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，直流电压就要升高要升高(shn o)(shn o)；反之就要降低。正确地控制开关的占空比，；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要求的值并保持恒定。就能保持直流电压达到所要求的值并保持恒定。第十四页，共四十三页。西南交通大学4.4.单相单相(dn xin)(dn xin)脉冲整流器的控制脉冲整流器的控制 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示整流器主电路可以简化为图示的等效电路。于是的等效电路。于是(ysh)(ysh)有如下的相量方程：有如下的相量方程：等效电路等效电路整流整流(zhngli)时时矢量图矢量图逆变时矢量图逆变时矢量图第十五页，共四十三页。西南交通大学由矢量图知，当由矢量图知，当u uN N不变时，不变时，i iN N的幅值与相位完全由逆的幅值与相位完全由逆变器产生的变器产生的u uS S的幅值及其与的幅值及其与u uN N的相位来决定。控制的相位来决定。控制u uN N、u uS S间的相位角和间的相位角和u uS S的幅值，就能够控制交流侧的电流的幅值，就能够控制交流侧的电流i iN N的大小的大小(dxio)(dxio)和相位。可以实现和相位。可以实现i iN N与与u uN N同相、反相、超前、同相、反相、超前、滞后。即通过控制，既可以使滞后。即通过控制，既可以使PWMPWM整流器在功率因数为整流器在功率因数为1 1的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，向交流电路送出无功功率。或电感，向交流电路送出无功功率。两种控制策略：直接电流控制和间接两种控制策略：直接电流控制和间接(jin ji)电流控制，又电流控制，又称相位幅值控制称相位幅值控制第十六页，共四十三页。西南交通大学(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），构成逆变器的控制电阻、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定。如果直流电压信号。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，输入功率低于给定，则输入电流增大，输入功率(gngl)增大，直流电压增大，直流电压增高。反之则降低增高。反之则降低PIRSXLPWM4QC第十七页，共四十三页。西南交通大学PIRS4QCPI比较比较三角波直流恒压控制与上相同。它采用电流直流恒压控制与上相同。它采用电流(dinli)(dinli)跟踪方式以确保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，电流网压与网泫的同相位。为方便滤波器的设计，电流(dinli)(dinli)跟跟踪采用了踪采用了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引入交流电流反馈(fnku)、直接控制交流电流使其跟踪指、直接控制交流电流使其跟踪指令电流值令电流值。第十八页，共四十三页。西南交通大学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，控制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，且控制原成本低，电路简单，易实现，静态特性好，且控制原理清楚。理清楚。主要缺点主要缺点(qudin)(qudin)是：是：（1 1）自身无限流功能（无电流环），需加过流保护）自身无限流功能（无电流环），需加过流保护电路电路（2 2）系统从一种稳态向另一稳态过渡时电流中会出现直）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流分量（3 3）系统动态响应慢。）系统动态响应慢。第十九页，共四十三页。西南交通大学直接电流控制的优点：输入直接电流控制的优点：输入(shr)(shr)交流侧电流快速跟踪电流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 间接间接(jin ji)(jin ji)电流控制系统仿真电流控制系统仿真第二十页，共四十三页。西南交通大学将将I IN*与正弦项相乘得到与网压同相的电流与正弦项相乘得到与网压同相的电流(dinli)(dinli)有功分有功分量，将量，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，时，它们合成的电压矢量必然满足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节比较，其差值送直流电压调节器器“2”“2”。如果。如果U Ud*U Ud，表示实际消耗的直流功率变大，表示实际消耗的直流功率变大了，应增大交流输入电流。所以了，应增大交流输入电流。所以(suy)(suy)将将“2”“2”的输出的输出作为交流电流的给定值作为交流电流的给定值I IN*。第二十一页，共四十三页。西南交通大学将实际电流将实际电流IN与给定电流与给定电流IN*比较，产生由于功率变化而引比较，产生由于功率变化而引起的补偿分量起的补偿分量(fn ling)(fn ling)，并经调节器，并经调节器“5”“5”产生修正信号产生修正信号 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(binhu)(binhu)、调节器参数变化调节器参数变化(binhu)(binhu)和电阻、电感参数的影响。可和电阻、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响能会出现控制误差。此外，电路的升压倍数也要影响系统的响应过程。系统的响应过程。第二十二页，共四十三页。西南交通大学第二十三页，共四十三页。西南交通大学6 6 直接电流控制系统直接电流控制系统(kn zh x tn)(kn zh x tn)仿真仿真第二十四页，共四十三页。西南交通大学+-电路结构电路结构电容电容CdCd：保证输出：保证输出(shch)(shch)电压电压的恒定。交流侧电感的恒定。交流侧电感LNLN是电是电路必须的。它包括外接电感路必须的。它包括外接电感与变压器漏感。升压电感与变压器漏感。升压电感与单相不同与单相不同(b tn)(b tn)电路中不需要二次滤波支路。设三相电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，直流侧电压平直。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，有输入与输出的电功率平衡，有第第2 2节三相节三相(sn xin)(sn xin)脉冲整流器脉冲整流器第二十五页，共四十三页。西南交通大学即是即是可见直流侧的电流可见直流侧的电流(dinli)(dinli)是常数，不需要二次谐波滤波是常数，不需要二次谐波滤波器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、三相电流结电路的分析比较复杂，需要将开关状态、三相电流结合起来，合起来，(与逆变与逆变(n bin)(n bin)电路分析相同电路分析相同)设相电流与相电设相电流与相电压同相，均为正弦压同相，均为正弦第二十六页，共四十三页。西南交通大学2431vavbvc第二十七页，共四十三页。西南交通大学区域区域(qy)(qy)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电导通。三相电压作用在三相电感上，电流增加感上，电流增加(zngji)(zngji)，电感储能，电感储能区域区域(qy)(qy)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，电流减导通。三相电源发出电能，电流减小，电感释放储能小，电感释放储能第二十八页，共四十三页。西南交通大学+-区域区域(qy)(qy)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+-第二十九页，共四十三页。西南交通大学+-区域区域(qy)(qy)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。-第三十页，共四十三页。西南交通大学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量的流动方向该电路中工作该电路中工作(gngzu)(gngzu)模式是：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3 31 1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，对称这里指的是后者。按照电路规则，对称(duchn)(duchn)三相三相电路可以用单相电路来求解电路可以用单相电路来求解第三十一页，共四十三页。西南交通大学三相脉冲整流三相脉冲整流(zhngli)(zhngli)电路有与单相电路一样的控制方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：式和电路。间接电流控制方式框图：PIRSXLPWM4QC与单相相同，该控制方式是基于与单相相同，该控制方式是基于(jy)(jy)电压的矢量方程电压的矢量方程得到的。得到的。第三十二页，共四十三页。西南交通大学第三十三页，共四十三页。西南交通大学与单相相比，三相电路不需要二次谐波滤波器。仿与单相相比，三相电路不需要二次谐波滤波器。仿真系统真系统(xtng)(xtng)与结果如下图与结果如下图直接电流控制方式直接电流控制方式(fngsh)(fngsh)有很多种。其一为电流跟踪方式有很多种。其一为电流跟踪方式(fngsh)(fngsh)：PI4QCPI比较比较三角波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器来实现(shxin)(shxin)对三相的控制对三相的控制第三十四页，共四十三页。西南交通大学第三十五页，共四十三页。西南交通大学在仿真系统中，三相电流指令用三相相电压来模拟。从在仿真系统中，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短，电结果看，系统的稳定时间比间接电流控制的系统短，电路路(dinl)(dinl)的响应更快，同样主电路的响应更快，同样主电路(dinl)(dinl)不需要二次谐波不需要二次谐波滤波器。但由于其控制的原理，它的电流纹波比前者大，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。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（采用坐标直接电流控制方式的另一种实现方式（采用坐标(zubio)(zubio)变换理变换理论）论）第三十六页，共四十三页。西南交通大学PQPQ电流控制方式的核心是将三相电流变换成为电流控制方式的核心是将三相电流变换成为(chngwi)(chngwi)两相，再用无功理论分解出有功和无功分量。两相，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，则输入端的控制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功率因数必然是1 1。其矢量图如图所示。其矢量图如图所示。第三十七页，共四十三页。西南交通大学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无功无功(w n)(w n)电流矢量电流矢量i iQ Q分别为电分别为电流矢量流矢量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:三相电路的瞬时三相电路的瞬时(shn sh)(shn sh)无功功率无功功率q q和瞬时和瞬时(shn sh)(shn sh)有功功率有功功率p p分分别为电压矢量别为电压矢量u u的模与瞬时的模与瞬时(shn sh)(shn sh)无功电流无功电流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，整流器工作在单位功率为零时，整流器工作在单位功率因数状态。此时因数状态。此时(c sh)(c sh)交流电源只向整流器提供有功功率交流电源只向整流器提供有功功率p p。当它逆变运行时，也只向电网回馈有功功率。当它逆变运行时，也只向电网回馈有功功率。第三十八页，共四十三页。西南交通大学第三十九页，共四十三页。西南交通大学第第3 3节节 无功功率补偿无功功率补偿(bchng)(bchng)电路电路 脉冲脉冲(michng)(michng)整流器可以实现静止补偿器整流器可以实现静止补偿器STATCOMSTATCOM的功能的功能第四十页，共四十三页。西南交通大学第四十一页，共四十三页。西南交通大学第四十二页，共四十三页。内容(nirng)总结电力电子技术Power Electronics脉冲整流器电路。PWM整流器分为(fn wi)电压型与电流型两类。控制正弦信号的频率与电网频率相同。（2）模式2：S2S4导通信号。（4）模式4：S3S4导通信号。为了为使PWM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。将实际值Ud与给定值Ud*比较，其差值送直流电压调节器“2”。可以证明，主电路中电阻的影响可以被消除第四十三页，共四十三页。