湖南大学现代电力电子技术(第6章).pptx
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1、 现代电力电子技术现代电力电子技术 湖南大学 电气与信息工程学院第第6章章 PWM整流器整流器 6.1 PWM6.1 PWM整流器概述整流器概述6.2 6.2 电压型单相单管电压型单相单管PWMPWM整流电路整流电路 6.3 6.3 电压型桥式电压型桥式PWMPWM整流电路整流电路6.4 6.4 三相电压型三相电压型PWMPWM整流器整流器6.5 6.5 电流型电流型PWMPWM整流器整流器6.1 PWM整流器概述整流器概述 一、传统整流电路存在的问题一、传统整流电路存在的问题由于交流电能大多数来自公共电网,因而整流电路是公共电网与电力电子装置的接口电路,其性能将影响电网的运行和电能质量。在传
2、统整流电路中,交流输入电压为正弦波,而输入电流却是非正弦波。如目前应用于微机和家电的小容量开关电源普遍采用不控整流加电容滤波的方案,只有整流桥输出电压高于电容电压时,才会有输入电流,交流输入电流非正弦。而相控电路受触发角的作用,交流输入电流一般也是非正弦的。6.1 PWM整流器概述整流器概述 传统的相控整流器虽然应用时间较长,技术也较成熟,且被广泛使用,但仍然存在很多问题:晶闸管换相引起网侧电压波形畸变。网侧谐波电流对电网产生谐波“污染”。深控时网侧功率因数降低。闭环控制时动态响应相对较慢。二极管整流器改善了整流器网侧功率因数,但仍会产生网侧谐波电流;它的不足还在于其直流电压的不可控性。6.1
3、 PWM整流器概述整流器概述 PWMPWM整整流流电电路路是是采采用用PWMPWM控控制制方方式式和和全全控控型型器器件件组组成成的的整整流流电电路路,它它能能在在不不同同程程度度上上解解决决传传统统整整流流电电路路存存在在的的问问题题。把把逆逆变变电电路路中中的的SPWMSPWM控制技术用于整流电路,就形成了控制技术用于整流电路,就形成了PWMPWM整流电路。整流电路。对交流电源侧,通过适当控制,可以使电网电流波形接近于正弦,且和输入电压同相位,电网功率因数接近于1,实现单位功率因数,最大程度地提高电网的经济效益,减少电网对周围环境的电磁污染;对直流侧,在电网电压或负载发生变化时,能够维持直
4、流中间电压的稳定,给电源侧逆变器提供良好的工作条件;可以实现牵引与再生制动工况间快速平滑地转换,实现电能双向传输;动态控制响应较快。二二 、PWMPWM整流器的优势整流器的优势6.1 PWM整流器概述整流器概述 三、三、PWMPWM整流器的拓扑结构整流器的拓扑结构按主电路结构电压源型(VSR)电流源型(ISR)直流脉动小,输入电流连续且简单易行,成为当今主要研究对象。从输出电平角度三电平型整流器两电平型整流器单相半桥单相全桥三相半桥三相全桥应用于大功率场合6.1 PWM整流器概述整流器概述 四、四、PWMPWM整流器的应用整流器的应用u交流电力传动交流电力传动交流交流传动传动电力机车电力机车四
5、象限运行四象限运行变频器变频器6.1 PWM整流器概述整流器概述 u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;以前:电阻能耗放电(耗能、散热问题、占用场地)现在: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)6.1 PWM整流器概述整流器概述 u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。用于铁路牵引供电系统中的三相/单相变换。6.1 PWM整流器概述整流器概述 u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、水力发电等)不可控,不能直接并入电网。太阳能发电并网系统6.1 PWM整流器
6、概述整流器概述 6.1 PWM整流器概述整流器概述 u电力储能系统电力储能系统超导线圈储能蓄电池储能电容储能6.2 电压型单相单管电压型单相单管PWM整流电路整流电路在不控整流电路中,输入电流呈尖脉冲形式,电流波形的畸变致使功率因数降低,大约为0.60.7。目前采用的功率因数校正方法主要为无源校正和有源校正。无源校正网络由电容、电感、电力二极管等无源器件组成,主要是通过提高整流导通角的方法来减小高次谐波。该方法控制简单,成本低,可靠性高,但体积庞大,且难以得到很高的功率因数。而有源功率因数技术可以得到很高的功率因数,已广泛应用于开关电源,交流不间断电源等领域。有源功率因数校正(Active P
7、ower Factor CorrectionAPFC)的控制策略按照输入电感电流是否连续,分为电流连续模式(CCM)和电流断续模式(DCM),交流输入电压经二极管桥式不控整流后,再经过DCDC变换,通过相应的控制使输入电流平均值自动跟随整流电压基准值,可获得较高的网侧功率因数,并保持输出电压稳定。APFC电路有两个反馈控制环:输入电流环使DCDC变换器输入电流为全波整流波形,并且与全波整流电压波形相位相同;输出电压环DCDC变换器使输出端为一个直流稳压源,达到直流电源的稳压效果。6.2 电压型单相单管电压型单相单管PWM整流电路整流电路一、电路拓扑一、电路拓扑设交流输入电压uS=USmsint
8、,则不控整流桥输出电压ud=|uS|=USm|sint|。当VF导通时,ud通过VF和R5对L储能,C放电维持负载电压uo,假定输出电容C足够大,则负载电压uo近似为一恒定的值Uo。R5为大功率低阻值的高精度取样电阻,用于检测输入电流,忽略其电压降,则在VF导通期间,diL/dt0,iL上升;在VF关断期间,diL/dt0,iL下降。6.2 电压型单相单管电压型单相单管PWM整流电路整流电路二、工作原理二、工作原理6.2 电压型单相单管电压型单相单管PWM整流电路整流电路三、电流连续模式三、电流连续模式CCMCCM模式模式载波频率fC足够高,保证电感电流iL连续,则udD=(uo-ud)(1-
9、D)式中D为VF导通占空比,则(1-D)为二极管VD0的导通占空比,设为D0,可推导D0=ud/uo=USm|sint|/Uo在BoostAPFC条件下,D0必须按正弦绝对值变化,为此控制电路采用SPWM方式,图a为调制信号波形:ugr=Ugm|sint|,图b为对应的VF栅极驱动电压ug的波形,由于是通过调制VF来实现VD0导通占空比正弦化,故ug是在ucugr时有输出波形。含Boost APFC的PWM整流电路在CCM模式下的工作波形6.2 电压型单相单管电压型单相单管PWM整流电路整流电路在控制电路中设置按正弦绝对值规律变化,并且与电路输入电压uS同相位的给定电流iref,并使电感电流i
10、L围绕iref升降,则iL近似地按正弦绝对值脉动,图5-32c为VF的漏源极电压uVF的波形,当uVF=Uo时,VF处于关断状态,电感L释放能量,iL下降;当uVF=0时,VF处于导通状态,电感L储存能量,iL上升。而由于iL=|iS|,可知输入电流iS近似于正弦波,且与uS同相位,如图d所示。含Boost APFC的PWM整流电路在CCM模式下的工作波形6.2 电压型单相单管电压型单相单管PWM整流电路整流电路四、电流断续模式(四、电流断续模式(DCMDCM模式)模式)与CCM模式相比,采用DCM控制模式具有输入电流自动跟踪电压,控制简单;开关管实现零电流开通且不承受二极管的反向恢复电流等优
11、点,但也存在电流峰值高,器件承受较大应力的缺点,适用于功率较小的场合。含Boost APFC的PWM整流电路在DCM模式下的工作波形6.2 电压型单相单管电压型单相单管PWM整流电路整流电路五、五、输出稳压控制方式输出稳压控制方式按照上述工作原理,控制电路应能进行电流跟踪以保证输入电流正弦化,同时要能实现输出直流电压uo的调节。电路中输出电压uo经R3、R4取样,作为电压调节器的反相输入,并经误差放大器放大后,与整流输出电压R1、R2取样后的信号相乘后作为电流调节器的给定值,该给定值幅值可调,波形按正弦绝对值随时间变化,且与整流后的电压波形ud同相位。6.2 电压型单相单管电压型单相单管PWM
12、整流电路整流电路主回路中的R5两端电压ui反映的是电流信号,作为反馈信号连接到电流调节器的反相输入,电流调节器对差值进行PI运算后,形成调制信号连接到SPWM比较器的反相输入,SPWM比较器的同相输入连接高频载波信号uc,其输出通过驱动电路放大后用来驱动VF。当由于负载变化或输入电压变化导致输出电压uo偏离给定值时,如uo高于给定值时,电压误差放大器的输出下降,导致乘法器输出的基准电流下降,则电流调节器的输出减小,导致占空比D缩短,VF导通时间缩短,从而使输出电压uo下降,实现直流输出的自动稳压。6.3 电压型桥式电压型桥式PWM整流电路整流电路根据负载的性质和要求,PWM整流电路可工作于单象
13、限也可工作于多象限。上面介绍的APFC整流电路属于单象限电路,其电能流传方向只从电网到负载;而下面介绍的多象限电路(含电流或电压双象限)是双向电路,即电能可在电网与负载间双向流动。电压型单相桥式PWM整流电路最早用于交流机车传动系统,为间接式变频电源提供直流中间环节,由于它能使网侧电流接近正弦波,保持网侧基波功率因数为1,因而可显著提高电网运行质量。6.3 电压型桥式电压型桥式PWM整流电路整流电路每个桥臂由一个全控器件和反并联的整流二极管组成,L为交流侧附加的电抗器,在PWM整流电路中是一个重要的元件,起平衡电压、支撑无功功率和储存能量的作用。除必须具有输入电感外,PWM整流器的电路结构和逆
14、变器是一样的。一、电路拓扑一、电路拓扑+-6.3 电压型桥式电压型桥式PWM整流电路整流电路电容电容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。它包括外接电感与变压器漏感是电路必须的。它包括外接电感与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内阻。,包括电感电阻和交流电源内阻。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)均为正弦时:)均为正弦时: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:6.3 电压型桥式电压型桥式PWM
15、整流电路整流电路可见,直流电流可见,直流电流i id d将以将以2 2倍网频脉动。要得到恒定的输出电压应当在脉倍网频脉动。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电容组成的二次谐波滤波器以平衡以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2 2倍网频脉动的能量,即电路中倍网频脉动的能量,即电路中L L2 2C C2 2支路。支路。T1T4按按SPWM方式进行控制。控制正弦信号的频率与电网频率相同。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流电压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,其的基波与电网电压同频
16、率,其幅值和与幅值和与 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6.3 电压型桥式电压型桥式PWM整流电路整流电路二、二、电路的工作模式与能量关系电路的工作模式与能量关系u模式模式1 1:S S1 1S S3 3导通信号导通信号电路方程是:电路方程是:+-i iN N为正时,为正时,D D1 1和和D D3 3导通,交流侧输出能量,直流侧吸取能量,处于整流导通,交流侧输出能量,直流侧吸取能量,处于整流状态,状态,i iN N减小,减小,L
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