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1、西南交通大学电力电子技术Power Electronics脉冲整流器电路西南交通大学第1节 单相脉冲整流器（四象限变换器）1.电路结构能将输入的交流变成直流，也可将直流逆变成交流电回馈电网。无论整流或逆变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+-西南交通大学电容Cd：保证输出电压的恒定交流侧电感LN是电路必须的。它包括外接电感与变压器漏感主电路交流侧的电阻R，包括电感电阻和交流电源内阻，电路中未画出。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的瞬时值应当相等：西南交通大学可见，直流
2、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。西南交通大学T1T4按SPWM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uS(t)的基波与电网电压同频率，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与电流均为正弦。以交流电源的正半周为例：西南交通大学(1)模式1：S1S3导通信号。此时电路方程是：+-iN为正时，D1和D3导通
3、，交流侧输出能量，直流侧吸取能量，处于整流状态， iN减小，LN释放能量西南交通大学iN为负时，T1和T3导通，交流侧吸收能量，直流侧释放能量，处于能量反馈状态， iN增大，LN储能（2）模式2：S2S4导通信号。此时电路方程是：+-iN为正时，T2和T4导通，交流侧与直流侧均输出能量，iN增大，LN储能西南交通大学iN为负时，D2和D4导通，交流侧与直流侧均吸收能量，iN减小，LN放能。（3）模式3：S1S2导通信号。此时电路方程是：+-直流侧与交流侧无能量交换，交流电源被短接西南交通大学iN为正时，D1和T2导通，iN增大，LN储能。 iN为负时，D2和T1导通，iN减小，LN放能。（4）
4、模式4：S3S4导通信号。此时电路方程如下+-直流侧与交流侧无能量交换，交流电源被短接西南交通大学iN为正时，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. 电路的工作过程主开关的控制信号如图所示uXuYuN西南交通大学区域1：T1T2全为断信号，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
5、、LN与uN组成了另一个升压斩波器。同理，在uN0时也有两个等效的升压斩波器。西南交通大学+-+-西南交通大学+-+-西南交通大学为了为使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。 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，电感中的电流增大，电感储能。当T4关断时，电感储能经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。 西南交通大学4. 单相脉冲整流器的控制 从交流输入侧看，PWM整流器主电路可
6、以简化为图示的等效电路。于是有如下的相量方程：等效电路整流时矢量图逆变时矢量图西南交通大学由矢量图知，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：直接电流控制和间接电流控制，又称相位幅值控制西南交通大学(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
7、信号。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PIRSXLPWM4QC西南交通大学PIRS4QCPI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电流反馈、直接控制交流电流使其跟踪指令电流值。西南交通大学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
8、会出现直流分量（3）系统动态响应慢。 西南交通大学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 间接电流控制系统仿真西南交通大学将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
9、电流的给定值IN*。西南交通大学将实际电流IN与给定电流IN*比较，产生由于功率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。此外，电路的升压倍数也要影响系统的响应过程。西南交通大学西南交通大学6 直接电流控制系统仿真西南交通大学+-电路结构电容Cd：保证输出电压的恒定。交流侧电感LN是电路必须的。它包括外接电感与变压器漏感。升压电感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同相，波形完全正弦，直流
10、侧电压平直。输入与输出的电功率平衡，有第2节三相脉冲整流器西南交通大学即是可见直流侧的电流是常数，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，(与逆变电路分析相同)设相电流与相电压同相，均为正弦西南交通大学2431vavbvc西南交通大学区域1：T135，ia、ic为正ib为负+等效电路如图。D1D5T3导通。三相电压作用在三相电感上，电流增加，电感储能区域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，电感释放储能西南交通大学+-区域3：T162，ia、ic为正ib为负变到ia为正ib
11、ic为负。等效电路如图。注意到bc两相间短路环流+-西南交通大学+-区域3：T462，ia为正、icib为负等效电路如图。-西南交通大学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，对称三相电路可以用单相电路来求解西南交通大学三相脉冲整流电路有与单相电路一样的控制方式和电路。间接电流控制方式框图：PIRSXLPWM4QC与
12、单相相同，该控制方式是基于电压的矢量方程得到的。西南交通大学西南交通大学与单相相比，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控制方式有很多种。其一为电流跟踪方式：PI4QCPI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对三相的控制西南交通大学西南交通大学在仿真系统中，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（采用坐标变换理论）西南交通大学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为零，则输入端的功率因数必然是1。其矢量图如图所示。西南交通大学三相电路中的有功电流矢量iP无功电流矢量iQ分别为电流矢量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功率p。当它逆变运行时，也只向电网回馈有功功率。西南交通大学西南交通大学第3节 无功功率补偿电路 脉冲整流器可以实现静止补偿器STATCOM的功能西南交通大学西南交通大学
