第5章 PWM整流電路

1、1 5.1 5.1 概述概述 5.4 5.4 電壓型單相橋式電壓型單相橋式PWMPWM整流電路整流電路 5.5 5.5 電壓型三相橋式電壓型三相橋式PWMPWM整流電路整流電路第第5 5章章 PWMPWM整流電路整流電路2 5.1.1 5.1.1 整流電路的理想狀態(tài)整流電路的理想狀態(tài) 5.1.2 5.1.2 傳統(tǒng)整流電路存在的問題傳統(tǒng)整流電路存在的問題 5.1.3 PWM 5.1.3 PWM整流電路的分類整流電路的分類 5.1 5.1 概述概述35.1.1 5.1.1 整流電路的理想狀態(tài)整流電路的理想狀態(tài)IIII/1111coscos2.2.輸出電壓輸出電壓u u0 0UU0 0( (電壓型電

2、壓型) )或輸出電流或輸出電流i i0 0II0 0( (電流型電流型) )3.3.具有雙向傳遞電能的能力具有雙向傳遞電能的能力4.4.能實現(xiàn)輸出電壓的快速調(diào)節(jié)以保證系統(tǒng)有良好的動態(tài)性能能實現(xiàn)輸出電壓的快速調(diào)節(jié)以保證系統(tǒng)有良好的動態(tài)性能5.5.具有較高的功率密度具有較高的功率密度6.6.整流電路無內(nèi)耗，即電路中所有元器件均無損耗整流電路無內(nèi)耗，即電路中所有元器件均無損耗（5-7）222211111THDIIIIInn1.1.網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)=1=1其中：其中：為電流正弦因數(shù)為電流正弦因數(shù)1cos為基波位移因數(shù)為基波位移因數(shù) 所以：所有網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)校正技術(shù)（所以：所有網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)校正技術(shù)

3、（PFCPower Factor Correction） 是圍繞網(wǎng)側(cè)電流正弦化和等效電阻線性化展開的。是圍繞網(wǎng)側(cè)電流正弦化和等效電阻線性化展開的。45.1.2 5.1.2 傳統(tǒng)整流電路存在的問題傳統(tǒng)整流電路存在的問題1.1.網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)低網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)低coscos1（5-15）相控整流電路：相控整流電路：不控整流電路加電容濾波：不控整流電路加電容濾波：7 . 06 . 0圖5-1具有電容輸入濾波的單相不控整流電路a)電路結(jié)構(gòu)b)電量波形55.1.2 5.1.2 傳統(tǒng)整流電路存在的問題傳統(tǒng)整流電路存在的問題2 2. .諧波電流對電網(wǎng)的危害諧波電流對電網(wǎng)的危害 使網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)下降，降低發(fā)電、輸電及

4、用電設(shè)備的效率。使網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)下降，降低發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的效率。 使線路阻抗產(chǎn)生諧波壓降，導致原為正弦的網(wǎng)壓也產(chǎn)生畸變。使線路阻抗產(chǎn)生諧波壓降，導致原為正弦的網(wǎng)壓也產(chǎn)生畸變。 影響用電設(shè)備的正常工作。影響用電設(shè)備的正常工作。 導致繼電保護和自動裝置的誤動作。導致繼電保護和自動裝置的誤動作。 對通信系統(tǒng)造成干擾。對通信系統(tǒng)造成干擾。 3 , 2, 116asin1) 1(32sin3213sin13111sin1117sin715sin51sin32kknkdddtnnItItttttIi3 3. .難于實現(xiàn)快速調(diào)節(jié)難于實現(xiàn)快速調(diào)節(jié)5.1.3 PWM5.1.3 PWM整流電路的分類整流電路的

5、分類PWMPWM整流整流電路電路按電網(wǎng)相數(shù)按電網(wǎng)相數(shù)按工作范圍按工作范圍按輸出濾波按輸出濾波按器件開關(guān)方式按器件開關(guān)方式橋式電路（全橋、半橋）橋式電路（全橋、半橋）復合電路復合電路電壓型電路電壓型電路電流型電路電流型電路硬開關(guān)電路硬開關(guān)電路軟開關(guān)電路軟開關(guān)電路按輸出電壓按輸出電壓低壓電路低壓電路中高壓電路中高壓電路單相電路單相電路三相電路三相電路按主電路結(jié)構(gòu)按主電路結(jié)構(gòu)按輸入輸出間耦合方式按輸入輸出間耦合方式直耦式電路直耦式電路磁耦式電路磁耦式電路單象限電路單象限電路多象限電路多象限電路5.45.4電壓型單相橋式電壓型單相橋式PWMPWM整流電路整流電路5.4.15.4.1電壓型單相橋式電壓型

6、單相橋式PWMPWM整流電路的理想狀態(tài)整流電路的理想狀態(tài)5.4.25.4.2網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)=1=1時的電路分析時的電路分析5.4.35.4.3輸出電壓輸出電壓U U0 0的調(diào)節(jié)的調(diào)節(jié)5.4.45.4.4網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)=-1=-1時的電路分析時的電路分析5.4.55.4.5電路的控制電路的控制5.4.15.4.1電壓型單相橋式電壓型單相橋式PWMPWM整流電路的理想狀態(tài)整流電路的理想狀態(tài)圖5-12單相電壓型PWM整流電路a)全橋式結(jié)構(gòu)主電路b)等效電路c)半橋式結(jié)構(gòu)主電路d)工作模式0000sinsiniUiutIiUutUuNSNmNNmN理想條件：理想條件：01 3001

7、234024()0()()osoUS SuS SSUS S)、(S據(jù)圖據(jù)圖5-125-12得：得：（）（）（）（5-79）5.4.15.4.1電壓型單相橋式電壓型單相橋式PWMPWM整流電路的理想狀態(tài)整流電路的理想狀態(tài)但但: :電路正常工作需要電路正常工作需要L LN N （包括外接電抗器和交流電源內(nèi)部電感）（包括外接電抗器和交流電源內(nèi)部電感） 起平衡電壓的作用。起平衡電壓的作用。忽略忽略L LN N和交流電源的內(nèi)阻，即和交流電源的內(nèi)阻，即rN N =0=0。圖5-13單相PWM整流電路入端電量矢量圖a）rN=0,1=0 b） rN=0,1= 則有：則有：若若L LN N =0=0，則：，則：

8、（5-78）)2cos1 (sin020000tItUIUiiUiuuuNmNmNNNS5.4.15.4.1電壓型單相橋式電壓型單相橋式PWMPWM整流電路的理想狀態(tài)整流電路的理想狀態(tài)（5-85）于是：于是：)2cos()2cos(cos2sin)sin(000101010tIItUIUttUIUUiuiLkNmSNmSNS（5-86）式中：式中：010002cosUIUIIINmSLLk（5-87）NNNNNUILRLarctanarctan圖中：圖中：)sin(11tUumSS（5-82）（5-84）5.4.5.4.2 2網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)=1=1時的電路分析時的電路分析1.電路的工

9、作模式電路的工作模式圖5-14不同工作模式下的等效電路(=1)a)、b)工作模式c)、e)工作模式d)、f)工作模式（1 1）電源沿）電源沿L LN N短路（如圖短路（如圖5-14a5-14a和和b b），電感），電感L LN N處于儲能狀態(tài)，負載電流處于儲能狀態(tài)，負載電流 由由Co o維持。維持。（2 2）電源和）電源和L LN N向負載供電（如圖向負載供電（如圖5-14c5-14c和和d d）。）。（3 3）負載和電源向）負載和電源向L LN N饋電（如圖饋電（如圖5-14e5-14e和和f f）。）。5.4.5.4.2 2網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)=1=1時的電路分析時的電路分析2. =1

10、時電路工作過程分析時電路工作過程分析圖5-15=1時電路的電量波形5.4.5.4.2 2網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)=1=1時的電路分析時的電路分析2. =1時電路工作過程分析時電路工作過程分析圖5-15=1時電路的電量波形（）（）（）（5-79）)sin()sin(sin,sin11tUutUutIitUugmgmSSNmNNmN（5-88）（5-89）（5-90）01 3001234024()0()()osoUS SuS SSUS S)、(S5.4.5.4.2 2網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)=1=1時的電路分析時的電路分析00UuUuuuNNNL（）（）（）（5-92）00sin1(sin)01(

11、sin)0NmNNLNmNNNmNUtLdiuUt UdtLLUt UL（）（）（）（5-91）5.4.5.4.2 2網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)=1=1時的電路分析時的電路分析3.輸出電流輸出電流i0的分析的分析)(0)0(0000cccSTtDTDTtUu（5-93）2/00cccTTTD其中：其中：當當 時時)sin(tUugmg)sin()(tKtDD如圖，如圖，i0的占空比與的占空比與us是相同的。是相同的。5.4.5.4.2 2網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)=1=1時的電路分析時的電路分析00(0)()SNSouiiuU（5-96）cos)2cos(1cos2sin)sin(sin)(sin

12、1100000000tIKttIKtItDtdtITdtiTiNmDNmDNmTDNmcTccc（5-97）（5-95）00(0)()SNSouiiuU5.4.35.4.3輸出電壓輸出電壓U U0 0的調(diào)節(jié)的調(diào)節(jié))sin()sin()(1000000tmUtUUUUtDdtuTugmTcmScSc（5-98）)sin(11tUuumSSS（5-100）0101,UUmmUUmSmS或（5-101）cos,cos11mSNmNmmSUUUU或（5-102）故有：故有：又有：又有：所以：所以：cos20mUUN（5-103）由于由于 ，故有：，故有：1cosm20NUU（5-104）5.4.35.

13、4.3輸出電壓輸出電壓U U0 0的調(diào)節(jié)的調(diào)節(jié)圖5-16外擾作用下電量的矢量關(guān)系(a)(a)負載電阻負載電阻R R0 0變化時的穩(wěn)壓分析變化時的穩(wěn)壓分析coscos0110一定一定UmmUUIRRmsLNN(b)(b)網(wǎng)壓網(wǎng)壓u uN N變化時的穩(wěn)壓分析變化時的穩(wěn)壓分析coscos011一定URIUUmmUNNLmsN5.4.4網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)=-1時的電路分析圖5-17=-1時電路的電量波形圖5-18不同工作模式的等效電路(=-1)a)、b)工作模式c)、f)工作模式e)、d)工作模式（1 1）電源沿）電源沿L LN N短路（如圖短路（如圖5-18a5-18a和和b b），），電感電感L LN

14、N儲能向電網(wǎng)反饋。儲能向電網(wǎng)反饋。（2 2）有源負載的儲能向電網(wǎng)和）有源負載的儲能向電網(wǎng)和L LN N轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)移（如圖（如圖5-14c5-14c和和d d）。）。（3 3）L LN N中的儲能同時向負載和電網(wǎng)轉(zhuǎn)中的儲能同時向負載和電網(wǎng)轉(zhuǎn)移（如圖移（如圖5-14e5-14e和和f f）。）。5.4.5電路的控制圖5-19采用間接電流控制策略的PWM整流電路1直流給定電壓2直流輸出電壓檢測 3交流輸入電壓檢測4電壓調(diào)節(jié)器5移相器6電壓變換7標量乘法器8矢量加法器 9PWM比較器10載波發(fā)生器11控制門 12保護電路13脈沖分配器14驅(qū)動電路NmmLmLNmmsUUUUU12121arctan(5-1

15、15)(5-115)(5-116)(5-116)cos一定一定cos01100UmmUUUUURmsmLef5.4.5電路的控制圖5-20采用直接電流控制策略的PWM整流電路1直流給定電壓2直流輸出電壓檢測3交流電流檢測4電壓調(diào)節(jié)器5交流電壓檢測6驅(qū)動電路7標量乘法器8電流調(diào)節(jié)器9PWM比較器10載波發(fā)生器3.7 3.7 逆變電路的控制逆變電路的控制圖3-30采用電流滯環(huán)跟蹤控制方式的逆變電路a)電路結(jié)構(gòu)b)等效電路c)普通比較器的控制特性d)滯環(huán)比較器的控制特性1正弦電流給定2滯環(huán)比較器3鎖存器4驅(qū)動電路1、電流滯環(huán)跟蹤控制、電流滯環(huán)跟蹤控制5.5電壓型三相橋式PWM整流電路5.5.1電路工

16、作原理分析5.5.2電路的控制5.5.3輸出直流電壓的估算5.5.15.5.1電路工作原理分析電路工作原理分析圖5-21電壓型三相半橋式PWM整流電路NNcNbNaLLLL)32sin()32sin(sin000tUutUutUuNmCNmBNmA（5-119）（5-120）5.5.15.5.1電路工作原理分析電路工作原理分析圖5-22=1時三相電壓型PWM整流電路電量波形1.控制極信號的時序分布控制極信號的時序分布)32sin()32sin()sin(tUutUutUugmgcgmgbgmga（5-121）NNRLarctan（5-122）10AANIUR （5-123）8 . 0cmgmU

17、Um3gcffK5.5.15.5.1電路工作原理分析電路工作原理分析2.橋側(cè)線電壓波形分析橋側(cè)線電壓波形分析060030004001002/2/2/2/SUSUuSUSUuba（5-125）00baabuuu（5-124）如圖如圖5-22c5-22c如圖如圖5-22d5-22d，為一單極性，為一單極性SPWMSPWM波波3.橋側(cè)相電壓波形分析橋側(cè)相電壓波形分析cbaNNNUKu,00（5-126）cbaNcbaNNSSSSK,)3(（5-127）6 , 4 , 205 , 3 , 1001jjiiNKKS（5-128）5.5.15.5.1電路工作原理分析電路工作原理分析)sin(01tUuam

18、a可見：可見：1 1）u ua01a01與與a a相調(diào)制信號相調(diào)制信號u ugmgm同相位，即：同相位，即：（5-129）2 2）u ua0a0與與u uA0A0無論在相位和波形上均有較大差別，為了平衡電路無論在相位和波形上均有較大差別，為了平衡電路 電壓，輸入電感電壓，輸入電感L LN N是必不可少的。是必不可少的。000sinUKtUuudtdiLuaNmaAANaLa（5-130）)3(cbaaaSSSSK式中式中3 3）各相輸入電流的變率為時變值，即：）各相輸入電流的變率為時變值，即：)sin(10UKtULdtdiaNmNaA（5-131）5.5.15.5.1電路工作原理分析電路工作

19、原理分析4.電路的工作模式電路的工作模式圖5-23三相電壓型PWM整流電路的工作模式a）模式M1 （3D0T） b）模式M3 （1D2T） c)模式M2（2D1T) d）模式M4（1D2T) 5.5.15.5.1電路工作原理分析電路工作原理分析5.輸入電感輸入電感L LN N的選擇的選擇)sin(0UKtULTiaNmNcA（5-132）)32(0UULTiNmNcAm（5-133）cAmANfIUUL3/2200（5-134）L LN N的下限值。設(shè)計時取的下限值。設(shè)計時取amAmII2 . 0由：由：得：得：由：由：NccAmcALUTTITi3)sin(0得：得：)sin(30cAmcN

20、TITUL（5-135）L LN N的上限值。的上限值。5.5.25.5.2電路的控制電路的控制1.標量乘法器方案標量乘法器方案圖5-24含標量乘法器的三相PWM整流電路控制結(jié)構(gòu)圖1電壓給定2電壓調(diào)節(jié)器3輸出直流電壓檢測4輸入交流電壓檢測5交流電流檢測6標量乘法器7電流調(diào)節(jié)器8控制門9保護電路10載波發(fā)生器11SPWM信號生成和處理器5.5.25.5.2電路的控制電路的控制圖5-25采用矢量控制方案的三相PWM整流電路控制結(jié)構(gòu)圖1電壓給定2電壓調(diào)節(jié)器3電流調(diào)節(jié)器4三角函數(shù)運算5同步電路6三相/二相坐標變換7二相/三相坐標變換8輸出直流電壓檢測9PWM信號生成10載波發(fā)生器11基波相移角給定2.

21、矢量控制方案矢量控制方案) 3/4cos() 3/2cos(cos000tUutUutUumCmBmA)3/4cos()3/2cos()cos(111tUitUitUimCmBmA（5-137）（5-138）tjmCBANeUuauauU)(320200（5-139）（5-141）（5-139）（5-142）)(2)(32tjmCBANeIiaiaiI5.5.25.5.2電路的控制電路的控制 這一方案的確切名稱是基于這一方案的確切名稱是基于d-qd-q軸的矢量控制方案。軸的矢量控制方案。d-qd-q軸是軸是一種以指一種以指定速度轉(zhuǎn)動的二相旋轉(zhuǎn)坐標系。定速度轉(zhuǎn)動的二相旋轉(zhuǎn)坐標系。 關(guān)于坐標變換始

22、于交流電動機調(diào)速系統(tǒng)中的矢量控制方案，其基本關(guān)于坐標變換始于交流電動機調(diào)速系統(tǒng)中的矢量控制方案，其基本思想是：按照產(chǎn)生同樣旋轉(zhuǎn)磁場這一等效原則，通過數(shù)學上的坐標變換，思想是：按照產(chǎn)生同樣旋轉(zhuǎn)磁場這一等效原則，通過數(shù)學上的坐標變換，把三相交流電動機的定子電流分解為兩個獨立分量，一個是用來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)把三相交流電動機的定子電流分解為兩個獨立分量，一個是用來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動勢的勵磁分量磁動勢的勵磁分量 ，另一個是用來產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩分量，另一個是用來產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩分量 。 miti5.5.25.5.2電路的控制電路的控制圖5-26三相PWM整流等效電路及矢量圖a)基波等效電路b) ? 0的矢量圖tan

23、sincosdmqmdIIIII（5-143,150）（5-144,5-145,151）說明：當說明：當? =9=90 0 時，電路被稱為靜止無功功率發(fā)生器（時，電路被稱為靜止無功功率發(fā)生器（SVGSVG Static Var Generator Static Var Generator），又稱靜止同步補償器），又稱靜止同步補償器 （STATCOMStatic Synchronous CompensatorSTATCOMStatic Synchronous Compensator）。）。NdmsqsmsdsXIUUUUsincos（5-148）（5-149）dqsdsqIIUUarctanar

24、ctan（5-154）（5-155）NqsdLdsdmNNsLsNXIUUUUXI jUUUU111（5-157）（5-158）5.5.35.5.3輸出直流電壓的估算輸出直流電壓的估算?=0（整流運行）時，輸出電壓（整流運行）時，輸出電壓U0的估算：的估算：0au為雙極性為雙極性SPWMSPWM波，則：波，則：)sin(2221)(21000000tmUuUUUtDdtuTugacmTacac（5-164）由平均值模型分析法得：由平均值模型分析法得：100aauu（5-162）又又 ，而，而 無基波分量，則：無基波分量，則：0000uuuaa00 u)sin(0110tUuusmaa（5-16

25、5）所以所以1, 102mKsmmUUcos2cosNNmsmUUU又又 ，則：，則：1, 10cos22mKNmUU（5-167）應用舉例應用舉例1、輕型高壓直流輸電、輕型高壓直流輸電2、風力發(fā)電、風力發(fā)電應用舉例應用舉例3、柔性交流輸電、柔性交流輸電iL=iL.p+iL.qiS=iL.piC=iL.quaubuc驅(qū)動電路PWM信號DSTATCOM用電負荷PWM發(fā)生器調(diào)節(jié)器IL.qIC負荷無功電流計算iL.abcuabc+-PLLwtSVGSVG（或（或STATCOMSTATCOM）應用舉例應用舉例控 制測量變量參數(shù)設(shè)置變流器1變流器2并聯(lián)變壓器串聯(lián)變壓器acacURefZRefsRefQRefIUsUpqU+UpqUdc統(tǒng)一潮流控制器（統(tǒng)一潮流控制器（UPFCUnified Power Flow ControllerUPFCUnified Power Flow Controller）靜止同步補償器靜止同步補償器( (STATCOM)靜止同步串聯(lián)補償器靜止同步串聯(lián)補償器(SSSC)應用舉例應用舉例O UPFCUPFC中兩個背靠背的兩個變流器共用一個直流母線和中兩個背