三相電壓型PWM整流器及控制課件

PWM整流器的優(yōu)點PWM整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)PWM整流器的應(yīng)用領(lǐng)域PWM整流器的工作原理PWM整流器的控制PWM整流器主電路參數(shù)選擇

PWM整流器控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

PWM整流器的優(yōu)點11.PWM整流器的優(yōu)點普通交－直－交變頻調(diào)速系統(tǒng)缺點：一，由于二極管的單向?qū)щ娦阅埽芰恐荒軉蜗鄠鬏?，電機(jī)制動的再生能量無法回饋給電網(wǎng)，四象限運(yùn)行時需加制動回路。二，網(wǎng)側(cè)電流波形嚴(yán)重畸變，造成電網(wǎng)功率因數(shù)較低，由于整流采用二極管整流，因此，最高功率因數(shù)大約為0.9左右。a)不帶制動回路的情況b）帶制動回路的情況圖1普通交-直-交變頻器結(jié)構(gòu)圖1.PWM整流器的優(yōu)點缺點：a)不帶制動回路的情況2傳統(tǒng)的相控整流器雖然應(yīng)用時間較長，技術(shù)也較成熟，且被廣泛使用，但仍然存在很多問題:晶閘管換相引起網(wǎng)側(cè)電壓波形畸變。網(wǎng)側(cè)諧波電流對電網(wǎng)產(chǎn)生諧波“污染”。深控時網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)降低。閉環(huán)控制時動態(tài)響應(yīng)相對較慢。二極管整流器改善了整流器網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)，但仍會產(chǎn)生網(wǎng)側(cè)諧波電流；它的不足還在于其直流電壓的不可控性。傳統(tǒng)的相控整流器雖然應(yīng)用時間較長，技術(shù)也較成熟，且被廣泛使用3雙PWM交－直－交變頻調(diào)速系統(tǒng)對于功率因數(shù)很低的整流器，有兩種改進(jìn)方法：最直接的方法是采用無功補(bǔ)償和消除諧波的濾波器，然而這是一種事后補(bǔ)救的辦法。更為積極有效的方法是對整流器本身進(jìn)行改進(jìn)，使其盡量不產(chǎn)生諧波，且電流和電壓同相位。這種整流器稱為高功率因數(shù)整流器。PWM整流器就是一種高功率因數(shù)的整流器。圖2雙PWM結(jié)構(gòu)交直交變頻器雙PWM交－直－交變頻調(diào)速系統(tǒng)圖2雙PWM結(jié)構(gòu)交直交變頻器4

PWM整流器用全控型功率開關(guān)管取代了半控型功率開關(guān)管或二極管，以PWM斬控整流取代了相控整流或不控整流。把逆變電路中的PWM控制技術(shù)用于整流電路，就形成了PWM整流電路。它的優(yōu)勢在于：對交流電源側(cè)，通過適當(dāng)控制，可以使電網(wǎng)電流波形接近于正弦，且和輸入電壓同相位，電網(wǎng)功率因數(shù)接近于1，實現(xiàn)單位功率因數(shù)，最大程度地提高電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)效益，減少電網(wǎng)對周圍環(huán)境的電磁污染；對直流側(cè)，在電網(wǎng)電壓或負(fù)載發(fā)生變化時，能夠維持直流中間電壓的穩(wěn)定，給電源側(cè)逆變器提供良好的工作條件；可以實現(xiàn)牽引與再生制動工況間快速平滑地轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)電能雙向傳輸；動態(tài)控制響應(yīng)較快。PWM整流器用全控型功率開關(guān)管取代了半控型功率開關(guān)管或52、PWM整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)按主電路結(jié)構(gòu)電壓源型(VSR)電流源型(ISR)直流脈動小，輸入電流連續(xù)且簡單易行，成為當(dāng)今主要研究對象。從輸出電平角度三電平型整流器兩電平型整流器單相半橋單相全橋三相半橋三相全橋應(yīng)用于大功率場合2、PWM整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)按主電路結(jié)構(gòu)電壓源型(VSR)電流6圖3常用單相和三相VSR變流器結(jié)構(gòu)(a)單相半橋(b)單相全橋（C）三相半橋圖3常用單相和三相VSR變流器結(jié)構(gòu)(a)單相半橋(b)單相73、PWM整流器的用途

交流傳動有源電力濾波及無功補(bǔ)償3、PWM整流器的用途8統(tǒng)一潮流控制器

超導(dǎo)磁能存儲

統(tǒng)一潮流控制器超導(dǎo)磁能存儲9

太陽能、風(fēng)能等可再生能源的并網(wǎng)發(fā)電其它功能（新型UPS、高壓直流輸電）

太陽能、風(fēng)能等可再生能源的并網(wǎng)發(fā)電其它功能（新型UPS、高104、PWM整流器的工作原理單位功率因數(shù)的含義：整流狀態(tài)時，網(wǎng)側(cè)電壓、電流同相。逆變狀態(tài)時，網(wǎng)側(cè)電壓、電流反相。PWM整流器網(wǎng)側(cè)電流及功率因數(shù)可控。圖4PWM整流器模型電路4、PWM整流器的工作原理圖4PWM整流器模型電路11a)純電感特性運(yùn)行b)正電阻特性運(yùn)行c)純電容特性運(yùn)行d)負(fù)電阻特性運(yùn)行圖5PWM整流器交流側(cè)穩(wěn)態(tài)矢量關(guān)系a)純電感特性運(yùn)行b)正電阻特性運(yùn)行c)純電容特12PWM整流器的控制實際上是對交流側(cè)電流的控制。5、PWM整流器的控制三相VSR的控制技術(shù)按有沒有引入電流反饋可以劃分為間接電流控制（幅相控制）和直接電流控制間接電流控制5、PWM整流器的控制三相VSR的控制技術(shù)按有沒有引入電流反13它在控制系統(tǒng)中沒有引入電流閉環(huán)，而是根據(jù)電路阻抗特性，用數(shù)學(xué)的方法代替電流閉環(huán)作用。盡管它動態(tài)響應(yīng)稍慢，還存在瞬態(tài)直流電流偏移，但具有簡單的控制結(jié)構(gòu)和良好的開關(guān)特性，便于微機(jī)實現(xiàn)，而且可靠性高。另外還可省去兩個高精度電流傳感器。適用于對動態(tài)響應(yīng)要求不高場合，具有良好的工程實用價值。單相等效電路它在控制系統(tǒng)中沒有引入電流閉環(huán)，而是根據(jù)電路阻抗特性，用數(shù)學(xué)14直接電流控制電流滯環(huán)控制固定開關(guān)頻率控制電流矢量控制狀態(tài)反饋控制無差拍控制極點配置法二次型最優(yōu)控制Lyapunov方法非線性狀態(tài)反饋控制……共同特點:有電流閉環(huán)，都具有不錯的動、靜態(tài)性能。不過這些方案都需要兩個寬帶的交流電流傳感器，有的方案甚至還需要負(fù)載電流傳感器。直接電流控制共同特點:有電流閉環(huán)，都具有不錯的動、靜態(tài)性能15滯環(huán)電流控制是基于瞬時電流反饋的一種常用的非線性控制方式，將實測的三相電流與參考信號比較，然后根據(jù)比較器的輸出決定開關(guān)的狀態(tài)。優(yōu)點:電流跟蹤精度高，響應(yīng)快。缺點:開關(guān)頻率不恒定。開關(guān)頻率的變化會給驅(qū)動保護(hù)電路以及主電路的設(shè)計帶來困難，對系統(tǒng)性能也有影響。

滯環(huán)電流控制16電流矢量控制電流矢量控制可以直接控制系統(tǒng)的有功功率和無功功率，它的核心思想是對三相VSR網(wǎng)側(cè)電流的有功、無功分量進(jìn)行獨立控制。

這種控制方法電流控制精度較高，不僅在穩(wěn)態(tài)時能夠精確地跟蹤電流指令，實現(xiàn)無靜差，并且動態(tài)性能也較好。但其控制算法比較復(fù)雜。電流矢量控制這種控制方法電流控制精度較高，不僅在穩(wěn)態(tài)時能夠精17電流矢量控制坐標(biāo)變換電流矢量控制坐標(biāo)變換18三相電壓型PWM整流器及控制課件19系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)20三相電壓型PWM整流器及控制課件21PWM整流器的性能好壞不僅與其控制策略有關(guān)，還與其自身電路的參數(shù)有很重要的關(guān)系。交流側(cè)電感的選擇

6PWM整流器主電路參數(shù)選擇電感上壓降盡可能小,一般不大于電源額定電壓的30%交流側(cè)電流總畸變率THD盡可能小，一般要求低于5%在一個開關(guān)周期內(nèi)交流側(cè)電流的最大超調(diào)量盡可能小，一般要求小于交流側(cè)額定電流峰值的10%滿足瞬態(tài)電流跟蹤要求PWM整流器的性能好壞不僅與其控制策略有關(guān)，還與其自身電路的22直流側(cè)電容的選擇

直流側(cè)電容的大小既關(guān)系到整流器的成本，更關(guān)系到在各種擾動下直流母線電壓的穩(wěn)定性，進(jìn)而關(guān)系到PWM整流器的抗負(fù)載擾動性能。6PWM整流器主電路參數(shù)選擇可按典型2型系統(tǒng)設(shè)計PI調(diào)節(jié)器，同時根據(jù)udc的最大動態(tài)降落允許值決定C的下限值。直流側(cè)電容的選擇直流側(cè)電容的大小既關(guān)系到整流器的成本，更關(guān)23直流電壓的選擇

對三相VSR，當(dāng)交流側(cè)線電壓uab>0時，其電路結(jié)構(gòu)可等效為要保證整流器輸入端線電壓不含有與PWM開關(guān)頻率無關(guān)的低次諧波，直流電壓udc必須不小于交流側(cè)線電壓基波uab的最大峰值。設(shè)交流側(cè)相電壓的有效值為Up，則有|Up|≤udc

直流電壓的選擇對三相VSR，當(dāng)交流側(cè)線電壓uab>0時，其247．PWM整流器控制系統(tǒng)的實現(xiàn)系統(tǒng)硬件電路7．PWM整流器控制系統(tǒng)的實現(xiàn)25主電路

三相交流電源三相交流電抗器三相橋逆變器直流側(cè)電容控制電路

電網(wǎng)電壓同步信號檢測電路電源相電壓檢測電路直流電壓檢測電路交流側(cè)電流檢測電路驅(qū)動電路

DSP及控制電路

主電路三相交流電源控制電路電網(wǎng)電壓同步信號檢測電路電源26精品課件！精品課件！27精品課件！精品課件！28控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計29PWM整流器的優(yōu)點PWM整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)PWM整流器的應(yīng)用領(lǐng)域PWM整流器的工作原理PWM整流器的控制PWM整流器主電路參數(shù)選擇

PWM整流器控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

PWM整流器的優(yōu)點301.PWM整流器的優(yōu)點普通交－直－交變頻調(diào)速系統(tǒng)缺點：一，由于二極管的單向?qū)щ娦阅埽芰恐荒軉蜗鄠鬏?，電機(jī)制動的再生能量無法回饋給電網(wǎng)，四象限運(yùn)行時需加制動回路。二，網(wǎng)側(cè)電流波形嚴(yán)重畸變，造成電網(wǎng)功率因數(shù)較低，由于整流采用二極管整流，因此，最高功率因數(shù)大約為0.9左右。a)不帶制動回路的情況b）帶制動回路的情況圖1普通交-直-交變頻器結(jié)構(gòu)圖1.PWM整流器的優(yōu)點缺點：a)不帶制動回路的情況31傳統(tǒng)的相控整流器雖然應(yīng)用時間較長，技術(shù)也較成熟，且被廣泛使用，但仍然存在很多問題:晶閘管換相引起網(wǎng)側(cè)電壓波形畸變。網(wǎng)側(cè)諧波電流對電網(wǎng)產(chǎn)生諧波“污染”。深控時網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)降低。閉環(huán)控制時動態(tài)響應(yīng)相對較慢。二極管整流器改善了整流器網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)，但仍會產(chǎn)生網(wǎng)側(cè)諧波電流；它的不足還在于其直流電壓的不可控性。傳統(tǒng)的相控整流器雖然應(yīng)用時間較長，技術(shù)也較成熟，且被廣泛使用32雙PWM交－直－交變頻調(diào)速系統(tǒng)對于功率因數(shù)很低的整流器，有兩種改進(jìn)方法：最直接的方法是采用無功補(bǔ)償和消除諧波的濾波器，然而這是一種事后補(bǔ)救的辦法。更為積極有效的方法是對整流器本身進(jìn)行改進(jìn)，使其盡量不產(chǎn)生諧波，且電流和電壓同相位。這種整流器稱為高功率因數(shù)整流器。PWM整流器就是一種高功率因數(shù)的整流器。圖2雙PWM結(jié)構(gòu)交直交變頻器雙PWM交－直－交變頻調(diào)速系統(tǒng)圖2雙PWM結(jié)構(gòu)交直交變頻器33

PWM整流器用全控型功率開關(guān)管取代了半控型功率開關(guān)管或二極管，以PWM斬控整流取代了相控整流或不控整流。把逆變電路中的PWM控制技術(shù)用于整流電路，就形成了PWM整流電路。它的優(yōu)勢在于：對交流電源側(cè)，通過適當(dāng)控制，可以使電網(wǎng)電流波形接近于正弦，且和輸入電壓同相位，電網(wǎng)功率因數(shù)接近于1，實現(xiàn)單位功率因數(shù)，最大程度地提高電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)效益，減少電網(wǎng)對周圍環(huán)境的電磁污染；對直流側(cè)，在電網(wǎng)電壓或負(fù)載發(fā)生變化時，能夠維持直流中間電壓的穩(wěn)定，給電源側(cè)逆變器提供良好的工作條件；可以實現(xiàn)牽引與再生制動工況間快速平滑地轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)電能雙向傳輸；動態(tài)控制響應(yīng)較快。PWM整流器用全控型功率開關(guān)管取代了半控型功率開關(guān)管或342、PWM整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)按主電路結(jié)構(gòu)電壓源型(VSR)電流源型(ISR)直流脈動小，輸入電流連續(xù)且簡單易行，成為當(dāng)今主要研究對象。從輸出電平角度三電平型整流器兩電平型整流器單相半橋單相全橋三相半橋三相全橋應(yīng)用于大功率場合2、PWM整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)按主電路結(jié)構(gòu)電壓源型(VSR)電流35圖3常用單相和三相VSR變流器結(jié)構(gòu)(a)單相半橋(b)單相全橋（C）三相半橋圖3常用單相和三相VSR變流器結(jié)構(gòu)(a)單相半橋(b)單相363、PWM整流器的用途

交流傳動有源電力濾波及無功補(bǔ)償3、PWM整流器的用途37統(tǒng)一潮流控制器

超導(dǎo)磁能存儲

統(tǒng)一潮流控制器超導(dǎo)磁能存儲38

太陽能、風(fēng)能等可再生能源的并網(wǎng)發(fā)電其它功能（新型UPS、高壓直流輸電）

太陽能、風(fēng)能等可再生能源的并網(wǎng)發(fā)電其它功能（新型UPS、高394、PWM整流器的工作原理單位功率因數(shù)的含義：整流狀態(tài)時，網(wǎng)側(cè)電壓、電流同相。逆變狀態(tài)時，網(wǎng)側(cè)電壓、電流反相。PWM整流器網(wǎng)側(cè)電流及功率因數(shù)可控。圖4PWM整流器模型電路4、PWM整流器的工作原理圖4PWM整流器模型電路40a)純電感特性運(yùn)行b)正電阻特性運(yùn)行c)純電容特性運(yùn)行d)負(fù)電阻特性運(yùn)行圖5PWM整流器交流側(cè)穩(wěn)態(tài)矢量關(guān)系a)純電感特性運(yùn)行b)正電阻特性運(yùn)行c)純電容特41PWM整流器的控制實際上是對交流側(cè)電流的控制。5、PWM整流器的控制三相VSR的控制技術(shù)按有沒有引入電流反饋可以劃分為間接電流控制（幅相控制）和直接電流控制間接電流控制5、PWM整流器的控制三相VSR的控制技術(shù)按有沒有引入電流反42它在控制系統(tǒng)中沒有引入電流閉環(huán)，而是根據(jù)電路阻抗特性，用數(shù)學(xué)的方法代替電流閉環(huán)作用。盡管它動態(tài)響應(yīng)稍慢，還存在瞬態(tài)直流電流偏移，但具有簡單的控制結(jié)構(gòu)和良好的開關(guān)特性，便于微機(jī)實現(xiàn)，而且可靠性高。另外還可省去兩個高精度電流傳感器。適用于對動態(tài)響應(yīng)要求不高場合，具有良好的工程實用價值。單相等效電路它在控制系統(tǒng)中沒有引入電流閉環(huán)，而是根據(jù)電路阻抗特性，用數(shù)學(xué)43直接電流控制電流滯環(huán)控制固定開關(guān)頻率控制電流矢量控制狀態(tài)反饋控制無差拍控制極點配置法二次型最優(yōu)控制Lyapunov方法非線性狀態(tài)反饋控制……共同特點:有電流閉環(huán)，都具有不錯的動、靜態(tài)性能。不過這些方案都需要兩個寬帶的交流電流傳感器，有的方案甚至還需要負(fù)載電流傳感器。直接電流控制共同特點:有電流閉環(huán)，都具有不錯的動、靜態(tài)性能44滯環(huán)電流控制是基于瞬時電流反饋的一種常用的非線性控制方式，將實測的三相電流與參考信號比較，然后根據(jù)比較器的輸出決定開關(guān)的狀態(tài)。優(yōu)點:電流跟蹤精度高，響應(yīng)快。缺點:開關(guān)頻率不恒定。開關(guān)頻率的變化會給驅(qū)動保護(hù)電路以及主電路的設(shè)計帶來困難，對系統(tǒng)性能也有影響。

滯環(huán)電流控制45電流矢量控制電流矢量控制可以直接控制系統(tǒng)的有功功率和無功功率，它的核心思想是對三相VSR網(wǎng)側(cè)電流的有功、無功分量進(jìn)行獨立控制。

這種控制方法電流控制精度較高，不僅在穩(wěn)態(tài)時能夠精確地跟蹤電流指令，實現(xiàn)無靜差，并且動態(tài)性能也較好。但其控制算法比較復(fù)雜。電流矢量控制這種控制方法電流控制精度較高，不僅在穩(wěn)態(tài)時能夠精46電流矢量控制坐標(biāo)變換電流矢量控制坐標(biāo)變換47三相電壓型PWM整流器及控制課件48系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)49三相電壓型PWM整流器及控制課件50PWM整流器的性能好壞不僅與其控制策略有關(guān)，還與其自身電路的參數(shù)有很重要的關(guān)系。交流側(cè)電感的選擇

6PWM整流器主電路參數(shù)選擇電感上壓降盡可能小,一般不大于電源額定電壓的30%交流側(cè)電流總畸變率THD盡可能小，一般要求低于5%