北京交通大学电力电子技术第07章脉冲变流电路

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1、Beijing Jiaotong University (BJTU)电力电子技术Power Electronics Technology Spring 2006电电 气气 工工 程程 学学 院院 陈陈 洛洛 忠忠Beijing Jiaotong University (BJTU)第七章第七章 脉冲变流电路脉冲变流电路Beijing Jiaotong University (BJTU)本章内容本章内容7 7 7 7.1.1 脉冲变流器的原理及分类脉冲变流器的原理及分类7.27.2 电压型脉冲变流器电压型脉冲变流器7.37.3 电流型脉冲变流器电流型脉冲变流器7.4 7.4 电流型与电压型脉冲变流

2、器的性能比较电流型与电压型脉冲变流器的性能比较Beijing Jiaotong University (BJTU)7 . 1 脉冲变流器的原理及分类脉冲变流器的原理及分类一、概述一、概述脉冲变流器是一种以脉宽控制（脉冲变流器是一种以脉宽控制（PWM）方式工）方式工作的变流器，又称为四象限变流器作的变流器，又称为四象限变流器与相控变流器相比具有下列优点：与相控变流器相比具有下列优点：v功率因数高，交流侧功率因数高，交流侧cos = =1v谐波含量低，交流侧电流接近于正弦谐波含量低，交流侧电流接近于正弦v体积小、重量轻、动态响应快体积小、重量轻、动态响应快Beijing Jiaotong Univ

3、ersity (BJTU)二、脉冲变流器的基本思想二、脉冲变流器的基本思想二、脉冲变流器的基本思想二、脉冲变流器的基本思想根据根据PWM逆变器的工作原理，当采用逆变器的工作原理，当采用PWM控制时，控制时，直直交变流器的交流侧可以产生频率、幅值、相位都交变流器的交流侧可以产生频率、幅值、相位都可调的波形，如可调的波形，如us若在交流侧接电源若在交流侧接电源uN和阻抗（电抗）和阻抗（电抗）LN，并控制，并控制us的的频率与电源同频率则有：频率与电源同频率则有：如果控制使的端点在与垂直且与其端点如果控制使的端点在与垂直且与其端点相交的直线上，则可以使交流侧的相交的直线上，则可以使交流侧的 Beij

4、ing Jiaotong University (BJTU)二、分类：按直流侧的电压和电流情况分类二、分类：按直流侧的电压和电流情况分类 1、电压型脉冲变流器、电压型脉冲变流器 特征：直流侧电压恒定特征：直流侧电压恒定 ，即：，即：ud (t) = Ud ，并，并且且 Ud UN2、电流型脉冲变流器、电流型脉冲变流器 特征：直流侧电流恒定特征：直流侧电流恒定 ，即：，即：id (t) = Id ，并，并且且 Id INBeijing Jiaotong University (BJTU)支撑电容支撑电容Cd：用于滤波，：用于滤波，使直流侧电压恒定使直流侧电压恒定二次滤波回路二次滤波回路L2、C2

5、：用于提供：用于提供2次谐波电流通路，其次谐波电流通路，其谐振频率为基波频率的谐振频率为基波频率的2倍倍交流侧电感交流侧电感LN：用于限制：用于限制交流侧谐波电流交流侧谐波电流7 . 2 电压型脉冲变流器电压型脉冲变流器一、单相电压型脉冲变流器的结构及工作原理一、单相电压型脉冲变流器的结构及工作原理 、基本结构、基本结构Beijing Jiaotong University (BJTU)单相电压型脉冲变流器主电路结构（单相电压型脉冲变流器主电路结构（IGBT）、工作原理：、工作原理： 通过对通过对T1T4进行进行PWM控制，使电网电流控制，使电网电流iN(t)与电网电与电网电压压uN(t)保持

6、同相（整流工况）或反相（逆变工况），同时保持同相（整流工况）或反相（逆变工况），同时使直流侧电压使直流侧电压Ud恒定恒定Beijing Jiaotong University (BJTU)单相电压型脉冲变流器主电路结构（单相电压型脉冲变流器主电路结构（GTO）Beijing Jiaotong University (BJTU) 假定电网电压是纯假定电网电压是纯正弦电压，对于基波分正弦电压，对于基波分量，在忽略线路电阻的量，在忽略线路电阻的条件下有：条件下有： 在在PWM控制方式下控制方式下us1的幅值和相位均可控的幅值和相位均可控 ，因，因此此iN1的幅值和相位也是可控的幅值和相位也是可控 的

7、的、相量方程、相量方程 Beijing Jiaotong University (BJTU)、相量图、相量图、相量图、相量图 (a) 整流整流 (b) 逆变逆变 (c) 整流、考虑线路电整流、考虑线路电阻阻 在不同的负载电流下只要使在不同的负载电流下只要使us1相量端点轨迹沿直线相量端点轨迹沿直线CD运动运动 就可以使就可以使iN1与与uN同相或反相同相或反相Beijing Jiaotong University (BJTU)、基本电量关系：、基本电量关系： 设设u uN N(t)=U(t)=UNmNmsinsinN Nt t，且忽略，且忽略线路电阻线路电阻整流工况：整流工况： uS1(t)=

8、US1msin(Nt-) US1m=UNm/cos IN1mN1m=U UNmNmtan/ NLN逆变工况：逆变工况： uS1(t)=US1msin(Nt+) US1m=UNm/cos IN1mN1m=U UNmNmtan/ NLN定义调制比（调制深度）：定义调制比（调制深度）：=US1m/UdBeijing Jiaotong University (BJTU)二、变流器工作模式及能流关系二、变流器工作模式及能流关系根据各功率器件的工作状态及能量流向，变流器的工根据各功率器件的工作状态及能量流向，变流器的工作模式可分成作模式可分成3类类12种模式：种模式：（1）A、B短接（短接（us=0）：电

9、源与）：电源与LN交换能量（交换能量（4种）种）（2）整流：变流器从交流电源或）整流：变流器从交流电源或LN吸收能量（吸收能量（4种）种）（3）逆变：变流器向交流电源或）逆变：变流器向交流电源或LN泄放能量（泄放能量（4种）种）Beijing Jiaotong University (BJTU)变流器工作模式及能流关系变流器工作模式及能流关系（网压（网压 uN (t) 为正半波时）为正半波时）Beijing Jiaotong University (BJTU)三、不同工况时三、不同工况时uS、uN和和i iN 波形波形整流（牵引）整流（牵引）Beijing Jiaotong Universit

10、y (BJTU)理想空载理想空载逆变逆变（再生再生）Beijing Jiaotong University (BJTU)半导体器件中的电流波形半导体器件中的电流波形 (a) 整流（牵引）工况整流（牵引）工况 Beijing Jiaotong University (BJTU) (b) 逆变（逆变（再生）工况再生）工况Beijing Jiaotong University (BJTU)四、三相电压型脉冲变流器四、三相电压型脉冲变流器主电路结构主电路结构工作原理工作原理 与单相脉冲变流器相同与单相脉冲变流器相同Beijing Jiaotong University (BJTU)五、电压型脉冲变流器

11、的控制五、电压型脉冲变流器的控制被控量被控量vUd：要求：要求Ud基本保持恒定基本保持恒定vi iN：要求：要求i iN与与uN保持同相或反相保持同相或反相控制方法控制方法v直接电流控制直接电流控制 ：引入交流电流反馈：引入交流电流反馈 v间接电流控制间接电流控制 ：没有引入交流电流反馈：没有引入交流电流反馈 Beijing Jiaotong University (BJTU)直流平波电感直流平波电感Ld：用于滤：用于滤波，使直流侧电流平直波，使直流侧电流平直二次滤波回路二次滤波回路L2、C2：用于限制直流侧二次谐波电流，：用于限制直流侧二次谐波电流，其谐振频率为基波频率的其谐振频率为基波频率

12、的2倍倍交流侧电容交流侧电容CN：用于限制交：用于限制交流侧谐波电流流侧谐波电流交流侧电感交流侧电感LN： 电源变压器及线路上的分布电感。电源变压器及线路上的分布电感。 （理论上并不需要）（理论上并不需要）7 . 3 电流型脉冲变流器电流型脉冲变流器、基本结构、基本结构Beijing Jiaotong University (BJTU)单相电流型脉冲变流器主电路结构（单相电流型脉冲变流器主电路结构（GTO）、工作原理：、工作原理：通过对通过对T1T4进行进行PWM控制，使电控制，使电网电流网电流iN(t)与电网电压与电网电压uN(t)保持同相（整流工况）保持同相（整流工况）或反相（逆变工况），

13、同时使直流侧电流或反相（逆变工况），同时使直流侧电流Id恒定恒定Beijing Jiaotong University (BJTU) 假定电网电压是纯正弦电压，对于基波分量假定电网电压是纯正弦电压，对于基波分量 在在PWM控制方式下控制方式下iP1的幅值和相位均可控的幅值和相位均可控 ，因，因此此iN1的幅值和相位也是可控的的幅值和相位也是可控的3、相量方程、相量方程 Beijing Jiaotong University (BJTU)4、相量图、相量图(a) 整流（牵引）整流（牵引） (b) 逆变（再生）逆变（再生）Beijing Jiaotong University (BJTU)5、基本

14、电量关系：、基本电量关系： 设设u uN N(t)=U(t)=UNmNmsinsinN Nt t，且忽略，且忽略LN整流工况：整流工况： i iN1(t)=IN1msinNt i iP1(t)=IP1msin(Nt-) IN1m=UNm NCN /tan IP1mP1m=I IN1mN1m/cos 逆变工况：逆变工况： i iN1(t)=IN1msin(Nt+) i iP1(t)=IP1msin(Nt+-) IN1m=UNm NCN /tan IP1mP1m=I IN1mN1m/cos 定义调制比（调制深度）：定义调制比（调制深度）：=IP1m/IdBeijing Jiaotong Unive

15、rsity (BJTU)二、变流器工作模式及能流关系二、变流器工作模式及能流关系与电压型类似，根据各功率器件的工作状态及能量流向，与电压型类似，根据各功率器件的工作状态及能量流向，变流器的工作模式也可分成变流器的工作模式也可分成3类类12种模式：种模式：（1）变流器断开（）变流器断开（ip=0）：电源与）：电源与CN交换能量（交换能量（4种）种）（2）整流：变流器从交流电源或）整流：变流器从交流电源或CN吸收能量（吸收能量（4种）种）（3）逆变：变流器向交流电源或）逆变：变流器向交流电源或CN泄放能量（泄放能量（4种）种）Beijing Jiaotong University (BJTU)三、

16、三相电流型脉冲变流器（三、三相电流型脉冲变流器（GTO）Beijing Jiaotong University (BJTU)三、三相电流型脉冲变流器（续）（三、三相电流型脉冲变流器（续）（IGBT）Beijing Jiaotong University (BJTU)7.4 电流型与电压型脉冲变流器的性能比较电流型与电压型脉冲变流器的性能比较 相同之处：相同之处：两者的交流侧特性基本相同（电网电压与电两者的交流侧特性基本相同（电网电压与电网电流同相位）网电流同相位）都能实现四象限运行都能实现四象限运行与晶闸管相控整流电路相比都能提高功率因与晶闸管相控整流电路相比都能提高功率因数，都能减小谐波，减

17、少对电网的污染数，都能减小谐波，减少对电网的污染 Beijing Jiaotong University (BJTU)不同之处：不同之处：电压型电压型(1) Id方向可变，方向可变，Ud方向不方向不可变可变(2) 必须采用必须采用“逆导型逆导型”桥桥臂，主管只承受正向电压臂，主管只承受正向电压(3) 上、下桥臂主管换相顺上、下桥臂主管换相顺序必须是先关断后开通，并序必须是先关断后开通，并且设置一个死区时间且设置一个死区时间 ，避，避免上、下桥臂贯穿免上、下桥臂贯穿 短路短路电流型电流型(1) Id方向不可变，方向不可变，Ud方向可方向可变变(2)必须采用必须采用“逆阻型逆阻型”桥臂，桥臂，主管

18、必须能承受正、反向电压主管必须能承受正、反向电压(3) 相邻桥臂主管换相顺序必相邻桥臂主管换相顺序必须是先开通后关断，避免大电须是先开通后关断，避免大电感电路突然断开时产生过电压感电路突然断开时产生过电压 ，防止击穿主管，防止击穿主管 (4)应用范围广应用范围广(4)电流响应速度快电流响应速度快(5)体积大体积大Beijing Jiaotong University (BJTU)课课 堂堂 思思 考考 1 、下列关于脉冲整流器的说法是否正确？、下列关于脉冲整流器的说法是否正确？ 可四象限运行可四象限运行 功率因数高，可达到（接近）功率因数高，可达到（接近）1 一般采用相控工作方式一般采用相控工

19、作方式 交流侧接电机负载交流侧接电机负载 可用于太阳能并网发电可用于太阳能并网发电 我国交流传动电力机车上采用三相脉冲整流器我国交流传动电力机车上采用三相脉冲整流器Beijing Jiaotong University (BJTU)本章小结本章小结1、脉冲整流器又称为四象限变流器，它是一种以脉宽、脉冲整流器又称为四象限变流器，它是一种以脉宽控制（控制（PWM）方式工作的变流器，它既可以工作在）方式工作的变流器，它既可以工作在整流状态，也可以工作在有源逆变状态整流状态，也可以工作在有源逆变状态2、脉冲整流器较之相控整流器的优点、脉冲整流器较之相控整流器的优点3、电压型脉冲整流器的主电路结构、工作

20、原理、相量、电压型脉冲整流器的主电路结构、工作原理、相量方程、相量图、正常工作的条件方程、相量图、正常工作的条件4、电流型脉冲整流器的主电路结构、工作原理、相量、电流型脉冲整流器的主电路结构、工作原理、相量方程、相量图、正常工作的条件方程、相量图、正常工作的条件5、电压型脉冲整流器与电流型脉冲整流器的特点比较、电压型脉冲整流器与电流型脉冲整流器的特点比较Beijing Jiaotong University (BJTU)习习 题题7-1 与相控整流器相比脉冲整流器有哪些优点？与相控整流器相比脉冲整流器有哪些优点？7-2 画出单相电压型脉冲整流器的电路图画出单相电压型脉冲整流器的电路图(开关管为

21、开关管为IGBT)，写出其基波相量方程式，并分别画出整，写出其基波相量方程式，并分别画出整流、逆变和情况下的基波相量图（不考虑线路电流、逆变和情况下的基波相量图（不考虑线路电阻）。阻）。7-3 仿照课堂内容，画出单相电压型脉冲整流器在仿照课堂内容，画出单相电压型脉冲整流器在网压网压 uN (t) 为负半波时的能量传递示意图，并说为负半波时的能量传递示意图，并说明明iN (t)的变化情况。的变化情况。Beijing Jiaotong University (BJTU)7-4 画出单相电流型脉冲整流器的电路图画出单相电流型脉冲整流器的电路图(开关管为开关管为GTO)，写出其基波相量方程式，分别画出整流和，写出其基波相量方程式，分别画出整流和逆变情况下的基波相量图。逆变情况下的基波相量图。7-5 比较电压型脉冲整流器和电流型脉冲整流器的比较电压型脉冲整流器和电流型脉冲整流器的异同点。异同点。