pwm脉冲整流.pptx

脉冲整流2024/3/24 周日北京交通大学电气工程系7-1本本 章章 内内 容容7.17.1脉冲整流电路的基本原理及分类脉冲整流电路的基本原理及分类7.27.2电压型脉冲整流电路电压型脉冲整流电路7.37.3电流型脉冲整流电路电流型脉冲整流电路7.47.4电流型与电压型脉冲整流电路的性能比较电流型与电压型脉冲整流电路的性能比较7.57.5脉冲整流电路的应用脉冲整流电路的应用脉冲整流2024/3/24 周日北京交通大学电气工程系7-27.1 脉冲整流电路的原理及分类脉冲整流电路的原理及分类概述概述脉冲整流器是一种以脉宽控制方式（脉冲整流器是一种以脉宽控制方式（PWM）工作的变流器，又称为四象限变流器工作的变流器，又称为四象限变流器与相控整流器相比具有下列优点：与相控整流器相比具有下列优点：功率因数高，可达到功率因数高，可达到1；谐波含量低，减少对电网污染；谐波含量低，减少对电网污染；体积小、重量轻和动态响应速度高体积小、重量轻和动态响应速度高 脉冲整流2024/3/24 周日北京交通大学电气工程系7-3脉冲变流器的基本思想脉冲变流器的基本思想基本原理基本原理理想情况下：理想情况下：脉冲整流2024/3/24 周日北京交通大学电气工程系7-4分类：分类：按直流侧的电压和电流情况分类按直流侧的电压和电流情况分类 电压型脉冲整流器电压型脉冲整流器 特征：直流侧电压恒定特征：直流侧电压恒定，即：，即：ud(t)=Ud，并，并且要求且要求Ud UN 输出电流输出电流 基本结构基本结构脉冲整流2024/3/24 周日北京交通大学电气工程系7-5电流型脉冲整流器电流型脉冲整流器 特征：直流侧电流恒定特征：直流侧电流恒定 ，即：，即：i id(t)=Id，并，并且且要求要求Id IN 输出电压输出电压 基本结构基本结构脉冲整流2024/3/24 周日北京交通大学电气工程系7-67.2 电压型脉冲整流电路电压型脉冲整流电路单相电压型脉冲变流器主电路结构（单相电压型脉冲变流器主电路结构（IGBT）脉冲整流2024/3/24 周日北京交通大学电气工程系7-77.2 电压型脉冲整流电路电压型脉冲整流电路（续）（续）单相电压型脉冲变流器主电路结构（单相电压型脉冲变流器主电路结构（GTO）脉冲整流2024/3/24 周日北京交通大学电气工程系7-8脉冲整流2024/3/24 周日北京交通大学电气工程系7-9主要方程式及相量图主要方程式及相量图简化主电路简化主电路对于基波分量，在忽略线路电阻的条件下对于基波分量，在忽略线路电阻的条件下 在在PWM控制方式下，控制方式下，us1的幅值和相位均可控的幅值和相位均可控，因此，因此i iN1的幅值和相位也是可控的幅值和相位也是可控 的。的。脉冲整流2024/3/24 周日北京交通大学电气工程系7-10功率因数不等于功率因数不等于1时的基波相量图时的基波相量图 (a)整流整流 (b)逆变逆变脉冲整流2024/3/24 周日北京交通大学电气工程系7-11功率因数等于功率因数等于1时的基波相量图时的基波相量图 (a)整流整流 (b)逆变逆变 (c)考虑线路电阻考虑线路电阻结论：在不同负载电流下，只要使结论：在不同负载电流下，只要使us1相量的端点轨相量的端点轨迹沿直线迹沿直线CD运动，就可以使运动，就可以使i iN1与与uN同相或反相。同相或反相。脉冲整流2024/3/24 周日北京交通大学电气工程系7-12电量关系：电量关系：设设 u uN N(t)=U(t)=UNmNmsinsinN Nt t，且忽略，且忽略线路电阻线路电阻整流工况：整流工况：uS1(t)=US1m sin(Nt-)US1m =UNm/cos IN1m N1m=UNm tan/NLN逆变工况：逆变工况：uS1(t)=US1msin(Nt+)US1m =UNm/cos IN1m N1m =UNm tan/NLN 脉冲整流2024/3/24 周日北京交通大学电气工程系7-13基本能量关系基本能量关系（网压（网压 uN(t)为正半波时）为正半波时）脉冲整流2024/3/24 周日北京交通大学电气工程系7-14基本能量关系基本能量关系（网压（网压 uN(t)为正半波时）（续）为正半波时）（续）脉冲整流2024/3/24 周日北京交通大学电气工程系7-15不同工况时不同工况时 uS、uN 和和 i iN 波形分析波形分析整流整流（牵引牵引）脉冲整流2024/3/24 周日北京交通大学电气工程系7-16逆变逆变（再生再生）理想空载理想空载脉冲整流2024/3/24 周日北京交通大学电气工程系7-17电压型三相脉冲整流器电压型三相脉冲整流器主电路结构主电路结构工作原理工作原理 与单相脉冲变流器相同与单相脉冲变流器相同脉冲整流2024/3/24 周日北京交通大学电气工程系7-18电压型脉冲整流电路的控制电压型脉冲整流电路的控制被控量被控量Ud：要求：要求Ud基本保持恒定基本保持恒定i iN：要求：要求i iN与与uN保持同相或反相保持同相或反相控制方法控制方法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 间接电流控制间接电流控制：没有引入交流电流反馈：没有引入交流电流反馈 脉冲整流2024/3/24 周日北京交通大学电气工程系7-19直接电流控制直接电流控制电流跟踪控制电流跟踪控制双闭环双闭环控制系统控制系统根据外环的比较结果确定参考电流幅值和极性根据外环的比较结果确定参考电流幅值和极性根据内环的比较结果确定功率开关的通根据内环的比较结果确定功率开关的通/断状态断状态v 特点：特点：控制系统简单；控制系统简单；电流响应快；电流响应快；开关频率不固定，开关频率不固定，滤波困难。滤波困难。脉冲整流2024/3/24 周日北京交通大学电气工程系7-20间接电流控制间接电流控制相位和幅值控制相位和幅值控制单闭环单闭环控制系统控制系统电压环的比较结果确定参考电流幅值和极性电压环的比较结果确定参考电流幅值和极性根据相量关系计算出各相根据相量关系计算出各相us 的相位的相位和幅值和幅值US1m通过通过PWM控制确定功率开关的通控制确定功率开关的通/断状态断状态v 特点：特点：开关频率固定，开关频率固定，滤波容易；滤波容易；电流响应较慢；电流响应较慢；控制效果与参数控制效果与参数（L）的计算精）的计算精度有关。度有关。脉冲整流2024/3/24 周日北京交通大学电气工程系7-217.3 电流型脉冲整流电路电流型脉冲整流电路单相电流型脉冲整流器主电路结构（单相电流型脉冲整流器主电路结构（GTO）脉冲整流2024/3/24 周日北京交通大学电气工程系7-22三相电流型脉冲整流器主电路结构（三相电流型脉冲整流器主电路结构（IGBT）脉冲整流2024/3/24 周日北京交通大学电气工程系7-23主要方程式及相量图主要方程式及相量图简化主电路（忽略简化主电路（忽略LN）对于基波分量对于基波分量在在PWM控制方式下控制方式下i iP1的幅值和相位均可控的幅值和相位均可控，因此因此i iN的幅值和相位也是可控的幅值和相位也是可控 的。的。脉冲整流2024/3/24 周日北京交通大学电气工程系7-24功率因数不等于功率因数不等于1时的相量图时的相量图 (a)整流整流（牵引）（牵引）(b)逆变逆变（再生）（再生）脉冲整流2024/3/24 周日北京交通大学电气工程系7-25功率因数等于功率因数等于1时的基波相量图时的基波相量图 (a)整流整流（牵引）（牵引）(b)逆变逆变（再生）（再生）在不同的负载电流下只要使在不同的负载电流下只要使=00或或=1800就可就可以使以使i iN1与与uN1同相或反相。同相或反相。脉冲整流2024/3/24 周日北京交通大学电气工程系7-26电量关系：电量关系：设设 u uN N(t)=U(t)=UnmnmsinsinN Nt t，且忽略，且忽略LN整流工况：整流工况：i iN1(t)=IN1m sinNt i iP1(t)=IP1m sin(Nt )IN1m =UNm NCN/tan IP1m P1m=I IN1m N1m/cos 逆变工况：逆变工况：i iN1(t)=IN1m sin(Nt+)i iP1(t)=IP1m sin(Nt+)IN1m =UNm NCN /tan IP1m P1m=I IN1m N1m/cos 脉冲整流2024/3/24 周日北京交通大学电气工程系7-27基本能量关系基本能量关系uN、i iN 和和i iP波形波形脉冲整流2024/3/24 周日北京交通大学电气工程系7-28三相电流型脉冲整流器（三相电流型脉冲整流器（GTO）脉冲整流2024/3/24 周日北京交通大学电气工程系7-29三相电流型脉冲整流器（三相电流型脉冲整流器（IGBT）脉冲整流2024/3/24 周日北京交通大学电气工程系7-307.4 电流型与电压型电流型与电压型脉冲整流电路的性能比较脉冲整流电路的性能比较 相同之处：相同之处：两者的交流侧输出特性基本相同；两者的交流侧输出特性基本相同；都能实现四象限运行；都能实现四象限运行；与晶闸管相控整流电路相比都能提高功率因数；与晶闸管相控整流电路相比都能提高功率因数；都能减少谐波，减少对电网的污染都能减少谐波，减少对电网的污染。脉冲整流2024/3/24 周日北京交通大学电气工程系7-31不同之处：不同之处：电压型电压型(1)Id方向可变，方向可变，Ud方向不方向不可变；可变；(2)必须有反向电流通路；必须有反向电流通路；主管只需承受正向电压；主管只需承受正向电压；(3)上、下桥臂换流，先断上、下桥臂换流，先断后通，设置死区时间后通，设置死区时间，避，避免上、下桥臂贯穿免上、下桥臂贯穿 短路短路;(4)应用范围广。应用范围广。电流型电流型(1)Id方向不可变，方向不可变，Ud方向方向可变；可变；(2)没有反向电流通路，主没有反向电流通路，主管必须承受正、反向电压；管必须承受正、反向电压；(3)相邻桥臂换流，先通后相邻桥臂换流，先通后断，避免大电感突然断开，断，避免大电感突然断开，产生过电压击穿主管产生过电压击穿主管；(4)电流响应速度快；电流响应速度快；(5)体积大。体积大。脉冲整流2024/3/24 周日北京交通大学电气工程系7-327.5脉冲整流电路的应用脉冲整流电路的应用 7.5.1 在电力机车上的应用在电力机车上的应用 E120型交流型交流传动传动电力电力机车机车晶晶闸闸管管T1 T4是是主主管管，TF1TF4为辅管，它们为辅管，它们 与电容电感与电容电感LC一起构一起构 成主管的强迫换流电成主管的强迫换流电 路。路。脉冲整流2024/3/24 周日北京交通大学电气工程系7-33在电力机车上的应用在电力机车上的应用（GTO、IGBT）脉冲整流2024/3/24 周日北京交通大学电气工程系7-347.5.2 在大容量通用变频器中的应用在大容量通用变频器中的应用用于交直交系统，提高功率因数，减小谐波；用于交直交系统，提高功率因数，减小谐波；成本高于二极管整流桥。成本高于二极管整流桥。脉冲整流2024/3/24 周日北京交通大学电气工程系7-357.5.3 有源电子负载有源电子负载 直流电源的出厂实验、老化实验、输出特性实验等；直流电源的出厂实验、老化实验、输出特性实验等；以前：以前：电阻能耗放电（耗能、散热问题、占用场地）电阻能耗放电（耗能、散热问题、占用场地）现在：现在：有源电子负载（模拟功率负载，将待试设备有源电子负载（模拟功率负载，将待试设备 的输出能量反馈到电网，节约能源）的输出能量反馈到电网，节约能源）脉冲整流2024/3/24 周日北京交通大学电气工程系7-367.5.4 有源电力滤波器有源电力滤波器用于电力系统的无功补偿、谐波补偿等。用于电力系统的无功补偿、谐波补偿等。用于铁路牵引供电系统中的三相用于铁路牵引供电系统中的三相/单相变换。单相变换。脉冲整流2024/3/24 周日北京交通大学电气工程系7-377.5.5 可再生能源与电网间的互联可再生能源与电网间的互联可再生能源（风能、太阳能、潮汐发电、水可再生能源（风能、太阳能、潮汐发电、水力发电等）不可控力发电等）不可控，不能直接并入电网，不能直接并入电网。太阳能发电并网系统太阳能发电并网系统脉冲整流2024/3/24 周日北京交通大学电气工程系7-38风力发电系统风力发电系统功率正比于风速的功率正比于风速的 3 次方次方(a)采用交流调压电路采用交流调压电路简单、能量利用率低简单、能量利用率低(b)采用交直交系统采用交直交系统利用率高，功率因数高利用率高，功率因数高需要大容量的逆变器需要大容量的逆变器(c)采用双馈电机采用双馈电机利用率高，变频器容量小利用率高，变频器容量小系统复杂系统复杂脉冲整流2024/3/24 周日北京交通大学电气工程系7-397.5.6 电力储能系统电力储能系统超导线圈储能超导线圈储能蓄电池储能蓄电池储能电容储能电容储能脉冲整流2024/3/24 周日北京交通大学电气工程系7-40储能系统的作用：储能系统的作用：储能系统的作用：储能系统的作用：调节电力系统日负荷曲线调节电力系统日负荷曲线调节电力系统日负荷曲线调节电力系统日负荷曲线改善电网的稳定性和可靠性改善电网的稳定性和可靠性改善电网的稳定性和可靠性改善电网的稳定性和可靠性提高用户的电能质量提高用户的电能质量提高用户的电能质量提高用户的电能质量 脉冲整流2024/3/24 周日北京交通大学电气工程系7-41习习 题题7-1 脉冲整流器有哪些优点？脉冲整流器有哪些优点？7-2 画出单相电压型脉冲整流器的电路图，写出其画出单相电压型脉冲整流器的电路图，写出其基波相量方程式，分别画出整流、逆变和考虑线基波相量方程式，分别画出整流、逆变和考虑线路电阻情况下的基波相量图。路电阻情况下的基波相量图。7-3 仿照课堂内容，画出网压仿照课堂内容，画出网压 uN(t)为为负负半波时半波时，六，六种基本的能量传递关系。种基本的能量传递关系。脉冲整流2024/3/24 周日北京交通大学电气工程系7-427-4 画出单相电流型脉冲整流器的电路图，写出其画出单相电流型脉冲整流器的电路图，写出其主要基波相量方程式，分别画出整流和逆变情况主要基波相量方程式，分别画出整流和逆变情况下的基波相量图。下的基波相量图。7-5 比较电压型脉冲整流器和电流型脉冲整流器的比较电压型脉冲整流器和电流型脉冲整流器的异同点。异同点。