第七章：脈沖變流000

第7章脈沖變流電路2/1/20231北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院本章內(nèi)容7.1

脈沖變流器的原理及分類7.2

電壓型脈沖變流器7.3

電流型脈沖變流器7.4電流型脈沖變流器與電壓型脈沖變流器的性能特點比較7.5脈沖變流器的應(yīng)用2/1/20232北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院7.1脈沖變流器的原理及分類一、概述脈沖變流器是一種以脈寬控制（PWM）方式工作的變流器，又稱為四象限變流器與相控變流器相比具有下列優(yōu)點：功率因數(shù)高，可達(dá)到±1；諧波含量低，減少對電網(wǎng)污染；體積小、重量輕、動態(tài)響應(yīng)快。2/1/20233北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院二、基本原理理想情況下：控制目標(biāo)：使交流側(cè)電流與電壓同相位輸入功率PN(t)以2倍于電網(wǎng)頻率脈動2/1/20234北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院三、分類：按直流側(cè)的電壓和電流情況分類

1、電壓型脈沖變流器（1）特征：直流側(cè)電壓恒定，即：ud(t)=Ud

，并且

Ud

UN（2）直流輸出電流：直流輸出電流id(t)以2倍于電網(wǎng)頻率脈動2/1/20235北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院（3）基本結(jié)構(gòu)支稱電容Cd：

用于濾波，使直流側(cè)電壓恒定。二次濾波回路L2、C2：

用于提供2次諧波電流通路，其諧振頻率為基波頻率的2倍。交流側(cè)電感LN：

用于限制交流側(cè)諧波電流。2/1/20236北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院2、電流型脈沖變流器（1）特征：直流側(cè)電流恒定，即：id(t)=Id，并且

Id

IN（2）直流輸出電壓：直流輸出電壓ud(t)以2倍于電網(wǎng)頻率脈動2/1/20237北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院（3）基本結(jié)構(gòu)直流平波電感Ld：

用于濾波，使直流側(cè)電流平直。二次濾波回路L2、C2：

用于限制直流側(cè)二次諧波電壓，其諧振頻率為基波頻率的2倍。交流側(cè)電容CN：用于限制交流側(cè)諧波電流。交流側(cè)電感LN：電源變壓器及線路上的分布電感。（理論上并不需要）2/1/20238北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院本章內(nèi)容7.1

脈沖變流器的原理及分類7.2

電壓型脈沖變流器7.3

電流型脈沖變流器7.4電流型脈沖變流器與電壓型脈沖變流器的性能特點比較7.5脈沖變流器的應(yīng)用2/1/20239北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院7.2電壓型脈沖變流器單相電壓型脈沖變流器主電路結(jié)構(gòu)（IGBT）2/1/202310北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院單相電壓型脈沖變流器主電路結(jié)構(gòu)（GTO）2/1/202311北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院一、主要方程式及相量圖假定電網(wǎng)電壓是純正弦電壓，對于基波分量，在忽略線路電阻的條件下

在PWM控制方式下us1的幅值和相位均可控，因此iN1的幅值和相位也是可控的。1、相量方程

2/1/202312北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院2、相量圖(a)整流

(b)逆變

(c)整流、考慮線路電阻在不同的負(fù)載電流下只要使us1相量端點軌跡沿直線CD運動就可以使iN1與uN同相或反相。2/1/202313北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院3、基本電量關(guān)系：設(shè)uN(t)=UNmsinωNt，且忽略線路電阻整流工況：uS1(t)=US1msin(ωNt-φ) US1m=UNm/cos

φ IN1m=UNmtanφ/ωNLN

逆變工況：uS1(t)=US1msin(ωNt+φ) US1m=UNm/cos

φ IN1m=UNmtanφ/ωNLN

定義調(diào)制比（調(diào)制深度）：α=US1m/Ud2/1/202314北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院二、變流器工作模式及能流關(guān)系根據(jù)各功率器件的工作狀態(tài)及能量流向，變流器的工作模式可分成3類12種模式：（1）電源斷接（us=0）：電源與LN交換能量（4種）（2）整流：變流器從交流電源或LN吸收能量（4種）（3）逆變：變流器向交流電源或LN泄放能量（4種）2/1/202315北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院變流器工作模式及能流關(guān)系（網(wǎng)壓uN

(t)為正半波時）2/1/202316北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院變流器工作模式及能流關(guān)系（網(wǎng)壓uN

(t)為正半波時）2/1/202317北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院三、不同工況時uS、uN

和iN

波形整流（牽引）2/1/202318北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院理想空載逆變（再生）2/1/202319北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院四、三相電壓型脈沖變流器主電路結(jié)構(gòu)工作原理與單相脈沖變流器相同2/1/202320北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院五、電壓型脈沖變流器的控制被控量Ud：要求Ud基本保持恒定iN：要求iN與uN保持同相或反相控制方法直接電流控制：引入交流電流反饋間接電流控制：沒有引入交流電流反饋2/1/202321北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院1、直接電流控制——電流跟蹤控制雙閉環(huán)控制系統(tǒng)根據(jù)外環(huán)的比較結(jié)果確定參考電流幅值和極性根據(jù)內(nèi)環(huán)的比較結(jié)果確定功率開關(guān)的通/斷狀態(tài)特點：控制系統(tǒng)簡單；電流響應(yīng)快；開關(guān)頻率不固定，濾波困難。2/1/202322北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院2、間接電流控制——相位和幅值控制單閉環(huán)控制系統(tǒng)電壓環(huán)的比較結(jié)果確定參考電流幅值和極性根據(jù)相量關(guān)系計算出us

的相位φ和幅值US1m通過PWM控制確定功率開關(guān)的通/斷狀態(tài)特點：開關(guān)頻率固定，濾波容易；電流響應(yīng)較慢；控制效果與參數(shù)（L）的計算精度有關(guān)。2/1/202323北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院本章內(nèi)容7.1

脈沖變流器的原理及分類7.2

電壓型脈沖變流器7.3

電流型脈沖變流器7.4電流型脈沖變流器與電壓型脈沖變流器的性能特點比較7.5脈沖變流器的應(yīng)用2/1/202324北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院7.3電流型脈沖變流器單相電流型脈沖變流器主電路結(jié)構(gòu)（GTO）2/1/202325北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院三相電流型脈沖變流器主電路結(jié)構(gòu)（IGBT）2/1/202326北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院一、主要方程式及相量圖假定電網(wǎng)電壓是純正弦電壓，對于基波分量在PWM控制方式下iP1的幅值和相位均可控，因此iN1的幅值和相位也是可控的。1、相量方程

2/1/202327北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院2、相量圖(a)整流（牽引）(b)逆變（再生）2/1/202328北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院3、基本電量關(guān)系：設(shè)uN(t)=UNmsinωNt，且忽略LN整流工況：iN1(t)=IN1msinωNt iP1(t)=IP1msin(ωNt-φ) IN1m=UNm

ωNCN

/tanφ IP1m=IN1m/cosφ 逆變工況：iN1(t)=IN1msin(ωNt+π) iP1(t)=IP1msin(ωNt+π-φ) IN1m=UNm

ωNCN

/tanφ IP1m=IN1m/cosφ 定義調(diào)制比（調(diào)制深度）：α=IP1m/Id

2/1/202329北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院二、變流器工作模式及能流關(guān)系與電壓型類似，根據(jù)各功率器件的工作狀態(tài)及能量流向，變流器的工作模式也可分成3類12種模式：（1）電源斷接（us=0）：電源與CN交換能量（4種）（2）整流：變流器從交流電源或CN吸收能量（4種）（3）逆變：變流器向交流電源或CN泄放能量（4種）2/1/202330北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院三、不同工況時uN

、

iN

和iP波形2/1/202331北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院四、三相電流型脈沖變流器（GTO）2/1/202332北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院四、三相電流型脈沖變流器（續(xù)）（IGBT）2/1/202333北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院章內(nèi)容7.1

脈沖變流器的原理及分類7.2

電壓型脈沖變流器7.3

電流型脈沖變流器7.4電流型脈沖變流器與電壓型脈沖變流器的性能特點比較7.5脈沖變流器的應(yīng)用2/1/202334北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院7.4電流型脈沖變流器與電壓型脈沖變流器的性能特點比較相同之處：兩者的交流側(cè)輸出特性基本相同；都能實現(xiàn)四象限運行；與晶閘管相控整流電路相比都能提高功率因數(shù)；都能減少諧波，減少對電網(wǎng)的污染。

2/1/202335北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院7.4電流型脈沖變流器與電壓型脈沖變流器的性能特點比較（續(xù)）不同之處：電壓型(1)Id方向可變，Ud方向不可變；(2)必須要有反向電流通路，主管只需承受正向電壓；(3)上、下橋臂主管換相順序必須是先關(guān)斷后開通，并且設(shè)置一個死區(qū)時間，避免上、下橋臂貫穿短路。電流型(1)Id方向不可變，Ud方向可變；(2)不能有反向電流通路，主管必須能承受正、反向電壓；(3)相鄰橋臂主管換相順序必須是先開通后關(guān)斷，避免大電感電路突然斷開時產(chǎn)生過電壓，防止擊穿主管。2/1/202336北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院本章內(nèi)容7.1

脈沖變流器的原理及分類7.2

電壓型脈沖變流器7.3

電流型脈沖變流器7.4電流型脈沖