脉冲整流器学习教案.ppt

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,脉冲(michng)整流器,第一页，共43页。,第1节 单相(dn xin)脉冲整流器（四象限变换器）,1.电路(dinl)结构,能将输入的交流变成直流，也可将直流逆变(n bin)成交流电回馈电网。无论整流或逆变(n bin)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。,PWM整流器分为电压型与电流型两类。主要应用的是电压型,+,-,第1页/共42页,第二页，共43页。,电容Cd：保证输出电压的恒定,交流(jioli)侧电感LN是电路必须的。它包括外接电感与变压器漏感,主电路(dinl)交流侧的电阻R，包括电感电阻和交流电源内阻，电路(dinl)中未画出。,当输入侧的交流电压uN（t）与电流iN（t）均为正弦时：,直流输出与交流输入功率(gngl)的瞬时值应当相等：,第2页/共42页,第三页，共43页。,可见，直流电流id将以2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(jin ji)一个由电感电容组成的二次谐波滤波器以平衡以2倍网频脉动的能量，即电路中L2C2支路。,第3页/共42页,第四页，共43页。,T1T4按SPWM方式进行控制。控制正弦信号的频率(pnl)与电网频率(pnl)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(pnl)，其幅值和与 网压的相位可控。电感LN抑制uS(t)中的高次谐波电压所产生的谐波电流。因此iN(t)也是与电网同频率(pnl)的正弦量,2.电路的工作模式与能量关系,设交流电源侧的电压(diny)与电流均为正弦。以交流电源的正半周为例：,第4页/共42页,第五页，共43页。,(1)模式1：S1S3导通信号。此时电路(dinl)方程是：,+,-,iN为正时zhn sh)，D1和D3导通，交流侧输出能量，直流侧吸取能量，处于整流状态，iN减小，LN释放能量,第5页/共42页,第六页，共43页。,iN为负时，T1和T3导通，交流侧吸收能量，直流侧释放能量，处于(chy)能量反馈状态，iN增大，LN储能,（2）模式2：S2S4导通信号。此时(c sh)电路方程是：,+,-,iN为正时，T2和T4导通，交流侧与直流侧均输出(shch)能量，iN增大，LN储能,第6页/共42页,第七页，共43页。,iN为负时，D2和D4导通，交流侧与直流侧均吸收(xshu)能量，iN减小，LN放能。,（3）模式3：S1S2导通信号。此时电路(dinl)方程是：,+,-直流侧与交流(jioli)侧无能量交换，交流(jioli)电源被短接,第7页/共42页,第八页，共43页。,iN为正时，D1和T2导通，iN增大(zn d)，LN储能。,iN为负时，D2和T1导通，iN减小，LN放能。,（4）模式4：S3S4导通信号。此时电路(dinl)方程如下,+,-,直流侧与交流(jioli)侧无能量交换，交流(jioli)电源被短接,第8页/共42页,第九页，共43页。,iN为正时(zhn sh)，D4和T3导通，iN增大，LN储能。,iN为负时，D3和T4导通，iN减小，LN放能。,3.电路的工作(gngzu)过程,主开关的控制信号如图所示,u,X,u,Y,u,N,第9页/共42页,第十页，共43页。,区域1：T1T2全为断信号(xnho)，电压、电流为正，所以T4D3导通，uN给LN储能。,区域2：D1on，D3on，uN 和LN给直流侧供能。,区域3：D1on，T2on，uN 给LN供能。,其它的区域分析方法相同。,注意电路(dinl)中 uN、LN与开关组成了“升压斩波器”。例如，uN0时，T4、D3、D1、LN与uN组成了一个升压斩波器；D1、T2、D3、LN与uN组成了另一个升压斩波器。,同理，在uN0时也有两个(lin)等效的升压斩波器。,第10页/共42页,第十一页，共43页。,+,-,+,-,第11页/共42页,第十二页，共43页。,+,第12页/共42页,第十三页，共43页。,为了为使PWM整流器能够(nnggu)正确工作，必须使直流电压值大于交流电源电压的幅值。,以uN0时，T4、D3、D1、LN与uN组成的升压斩波器的工作为例，当T4导通时，uS经T4、D3被短路，电感(din n)中的电流增大，电感(din n)储能。当T4关断时，电感(din n)储能经D3、D1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。,第13页/共42页,第十四页，共43页。,4.单相脉冲(michng)整流器的控制,从交流输入侧看，PWM整流器主电路可以(ky)简化为图示的等效电路。于是有如下的相量方程：,等效电路,整流(zhngli)时矢量图,逆变时矢量图,第14页/共42页,第十五页，共43页。,由矢量图知，当uN不变时，iN的幅值与相位完全由逆变器产生的uS的幅值及其与uN的相位来决定。控制uN、uS间的相位角和uS的幅值，就能够控制交流侧的电流iN的大小和相位。可以实现iN与uN同相、反相、超前、滞后。即通过控制，既可以使PWM整流器在功率因数(n l yn sh)为1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，向交流电路送出无功功率。,两种控制策略：直接电流(dinli)控制和间接电流(dinli)控制，又称相位幅值控制,第15页/共42页,第十六页，共43页。,(1)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），构成逆变器的控制信号(xnho)。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，输入功率增大，直流电压增高。反之则降低,PI,R,S,X,L,PWM,4QC,第16页/共42页,第十七页，共43页。,PI,R,S,4QC,PI,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保网压与网泫的同相位。为方便(fngbin)滤波器的设计，电流跟踪采用了PWM方式,(2)直接电流控制,引入交流(jioli)电流反馈、直接控制交流(jioli)电流使其跟踪指令电流值。,第17页/共42页,第十八页，共43页。,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，控制成本低，电路简单，易实现，静态特性好，且控制原理清楚。,主要缺点是：,（1）自身无限(wxin)流功能（无电流环），需加过流保护电路,（2）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,（3）系统动态响应慢。,第18页/共42页,第十九页，共43页。,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,缺点：（1）输入电流检测(jin c)需要宽频带的电流传感器，控制成本高。（2）电流脉动大，增加了注入电网的谐波,5 间接电流控制系统(kn zh x tn)仿真,第19页/共42页,第二十页，共43页。,将IN*与正弦项相乘得到与网压同相的电流有功分量，将IN*与余弦项相乘得到垂直于网压的电压分量，“4”的输出模拟了电感(din n)上的电压值。当不计电阻R时，它们合成的电压矢量必然满足,将实际值Ud与给定(i dn)值Ud*比较，其差值送直流电压调节器“2”。如果Ud*Ud，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“2”的输出作为交流电流的给定(i dn)值IN*。,第20页/共42页,第二十一页，共43页。,将实际电流IN与给定电流IN*比较，产生由于功率(gngl)变化而引起的补偿分量，并经调节器“5”产生修正信号UN，因此：,可以证明，主电路中电阻的影响可以被消除,采用MATLAB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、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(wch)。此外，电路的升压倍数也要影响系统的响应过程。,第21页/共42页,第二十二页，共43页。,第22页/共42页,第二十三页，共43页。,6 直接(zhji)电流控制系统仿真,第23页/共42页,第二十四页，共43页。,+,-,电路结构,电容Cd：保证输出电压的恒定。交流侧电感(din n)LN是电路必须的。它包括外接电感(din n)与变压器漏感。升压电感(din n),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(diny)同相，波形完全正弦，直流侧电压(diny)平直。输入与输出的电功率平衡，有,第2节三相(sn xin)脉冲整流器,第24页/共42页,第二十五页，共43页。,即是,可见直流侧的电流是常数(chngsh)，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,电路的分析比较复杂，需要将开关状态、三相电流结合起来，(与逆变(n bin)电路分析相同)设相电流与相电压同相，均为正弦,第25页/共42页,第二十六页，共43页。,2,4,3,1,v,a,v,b,v,c,第26页/共42页,第二十七页，共43页区域(qy)1：T135，ia、ic为正ib为负,+,等效电路如图。D1D5T3导通。三相电压作用(zuyng)在三相电感上，电流增加，电感储能,区域(qy)2：T165，ia、ic为正ib为负,等效电路如图。,D1D5D6,导通。三相电源发出电能，电流减小，电感释放储能,第27页/共42页,第二十八页，共43页。,+,-,区域3：T162，ia、ic为正ib为负变到ia为正ib,ic为负。等效电路如图。注意(zh y)到bc两相间短路环流,+,-,第28页/共42页,第二十九页，共43页。,+,-,区域(qy)3：T462，ia为正、icib为负等效电路如图。,-,第29页/共42页,第三十页，共43页。,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,该电路(dinl)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,工作模式与电流方向(例如再生时)有关,三相脉冲整流电路的控制,三相脉冲整流电路可分为31相电路和3相两种。这里指的是后者。按照电路规则，对称三相电路可以(ky)用单相电路来求解,第30页/共42页,第三十一页，共43页。,三相脉冲整流电路有与单相电路一样的控制方式(fngsh)和电路。间接电流控制方式(fngsh)框图：,PI,R,S,X,L,PWM,4QC,与单相dn xin)相同，该控制方式是基于电压的矢量方程得到的。,第31页/共42页,第三十二页，共43页。,第32页/共42页,第三十三页，共43页。,与单相(dn xin)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,直接电流(dinli)控制方式有很多种。其一为电流(dinli)跟踪方式：,PI,4QC,PI,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器来实现(shxin)对三相的控制,第33页/共42页,第三十四页，共43页。,第34页/共42页,第三十五页，共43页。,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(shjin)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。,直接电流控制方式的另一种实现方式（采用(ciyng)坐标变换理论）,第35页/共42页,第三十六页，共43页。,PQ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。控制系统使交流输入的无功保持(boch)为零，则输入端的功率因数必然是1。其矢量图如图所示。,第36页/共42页,第三十七页，共43页。,三相电路中的有功电流矢量iP无功电流矢量iQ分别(fnbi)为电流矢量i在矢量u及其法线上的投影:,三相电路的瞬时无功功率(w n n l)q和瞬时有功功率p分别为电压矢量u的模与瞬时无功电流iq与有功电流ip的乘积：,当三相电路的瞬时无功功率q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有功(yu n)功率p。当它逆变运行时，也只向电网回馈有功(yu n)功率。,第37页/共42页,第三十八页，共43页。,第38页/共42页,第三十九页，共43页。,第3节 无功功率(w n n l)补偿电路,脉冲整流器可以实现(shxin)静止补偿器STATCOM的功能,第39页/共42页,第四十页，共43页。,第40页/共42页,第四十一页，共43页。,第41页/共42页,第四十二页，共43页。,内容(nirng)总结,脉冲整流器。PWM整流器分为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。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。可以证明，主电路中电阻的影响可以被消除。直接电流控制方式的另一种实现方式（采用坐标变换理论）。PQ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(w n)理论分解出有功和无功(w n)分量。脉冲整流器可以实现静止补偿器STATCOM的功能,第四十三页，共43页。,