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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Spring 2006 电力电子技术Power Electronics Technology 电 气 工 程 学 院 陈 洛 忠第七章 脉冲变流电路 本章内容 .1 脉冲变流器的原理及分类7.2 电压型脉冲变流器7.3 电流型脉冲变流器7.4 电流型与电压型脉冲变流器的性能比较 7 . 1 脉冲变流器的原理及分类一、概述 Ø 脉冲变流器是一种以脉宽控制(PWM)方式工 作的变流器,又称为四象限变流器 Ø 与相控变流器相比具有下列优点: v功率因数高,交流侧cosψ=±1 v谐波含量低,交流侧电流接近于正弦 v体积小、重量轻、动态响应快二、脉冲变流器的基本思想? 根据PWM逆变器的工作原理,当采用PWM控制时, 直—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us? 若在交流侧接电源uN和阻抗(电抗)LN,并控制us的 频率与电源同频率则有: ? ? ? U N ?U s ? j?N LN I N ? ? 调节U s 的幅值和相角,就可以调节I N 的幅值和相角。 ? ? ?? 如果控制 U s 使 U s 的端点在与 U N 垂直且与其端点 相交的直线上,则可以使交流侧的 cos? ? ?1二、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 特征:直流侧电压恒定 ,即:ud (t) = Ud ,并且 Ud ? 2 UN2、电流型脉冲变流器 特征:直流侧电流恒定 ,即:id (t) = Id ,并且 Id ? 2 IN 7 . 2 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 1、基本结构支撑电容Cd:用于滤波,使直流侧电压恒定交流侧电感LN:用于限制交流侧谐波电流 二次滤波回路L2、C2:用于提供2次谐波电流通路,其 谐振频率为基波频率的2倍 iN (t)uN (t) I NU N id (t) ? ? (1? cos2?t) ud (t) U d2、工作原理: 通过对T1~T4进行PWM控制,使电网电流iN(t)与电网电 压uN(t)保持同相(整流工况)或反相(逆变工况),同时使 直流侧电压Ud恒定 ? 单相电压型脉冲变流器主电路结构(IGBT)? 单相电压型脉冲变流器主电路结构(GTO)3、相量方程 假定电网电压是纯正弦电压,对于基波分量,在忽略线路电阻的条件下有: ? ? ? ? ? j? L N U N U s1 N I N 1 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 4、相量图 (a) 整流 (b) 逆变 (c) 整流、考虑线路电阻 在不同的负载电流下只要使us1相量端点轨迹沿直线CD运动 就可以使iN1与uN同相或反相5、基本电量关系: 设uN(t)=UNmsinωNt,且忽略线路电阻 Ø 整流工况: uS1(t)=US1msin(ωNt-φ) US1m=UNm/cos φ IN1m=UNmtanφ/ ωNLN Ø 逆变工况: uS1(t)=US1msin(ωNt+φ) US1m=UNm/cos φ IN1m=UNmtanφ/ ωNLN 定义调制比(调制深度):α=US1m/Ud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 作模式可分成3类12种模式: (1)A、B短接(us=0):电源与LN交换能量(4种) (2)整流:变流器从交流电源或LN吸收能量(4种) (3)逆变:变流器向交流电源或LN泄放能量(4种)变流器工作模式及能流关系(网压 uN (t) 为正半波时)三、不同工况时uS、uN和iN 波形 Ø整流(牵引)Ø 理想空载Ø 逆变(再生)? 半导体器件中的电流波形 (a) 整流(牵引)工况 (b) 逆变(再生)工况四、三相电压型脉冲变流器 Ø主电路结构 Ø工作原理 与单相脉冲变流器相同五、电压型脉冲变流器的控制 Ø被控量 vUd:要求Ud基本保持恒定 viN:要求iN与uN保持同相或反相 Ø控制方法 v直接电流控制 :引入交流电流反馈 v间接电流控制 :没有引入交流电流反馈 7 . 3 电流型脉冲变流器1、基本结构 直流平波电感Ld:用于滤 波,使直流侧电流平直 交流侧电容CN:用于限制交 流侧谐波电流 交流侧电感LN: 电源变压器及线路上的分布电感。 (理论上并不需要) 二次滤波回路L2、C2:用于限制直流侧二次谐波电流, 其谐振频率为基波频率的2倍 iN (t)uN (t) I NU N ud (t) ? ? (1? cos2?t) id (t) Id2、工作原理:通过对T1~T4进行PWM控制,使电 网电流iN(t)与电网电压uN(t)保持同相(整流工况)或 反相(逆变工况),同时使直流侧电流Id恒定 ? 单相电流型脉冲变流器主电路结构(GTO)3、相量方程 假定电网电压是纯正弦电压,对于基波分量 ? ? ? ? j? C ? I N N N U N I P1 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4、相量图 (a) 整流(牵引) (b) 逆变(再生)5、基本电量关系: 设uN(t)=UNmsinωNt,且忽略LN Ø 整流工况: iN1(t)=IN1msinωNt iP1(t)=IP1msin(ωNt-φ) IN1m=UNm ωNCN /tan φ IP1m=IN1m/cos φ Ø 逆变工况: iN1(t)=IN1msin(ωNt+π) iP1(t)=IP1msin(ωNt+π-φ) IN1m=UNm ωNCN /tan φ IP1m=IN1m/cos φ 定义调制比(调制深度):α=IP1m/Id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, 变流器的工作模式也可分成3类12种模式: (1)变流器断开(ip=0):电源与CN交换能量(4种) (2)整流:变流器从交流电源或CN吸收能量(4种) (3)逆变:变流器向交流电源或CN泄放能量(4种)三、三相电流型脉冲变流器(GTO)三、三相电流型脉冲变流器(续)(IGBT) 7.4 电流型与电压型脉冲变流器的性能比较 ? 相同之处: Ø两者的交流侧特性基本相同(电网电压与电 网电流同相位) Ø都能实现四象限运行 Ø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,减少对电网的污染 ? 不同之处:电压型 电流型(1) Id方向可变,Ud方向不 (1) Id方向不可变,Ud方向可可变 变(2) 必须采用“逆导型”桥 (2)必须采用“逆阻型”桥臂,臂,主管只承受正向电压 主管必须能承受正、反向电压(3) 上、下桥臂主管换相顺 (3) 相邻桥臂主管换相顺序必序必须是先关断后开通,并 须是先开通后关断,避免大电且设置一个死区时间 ,避 感电路突然断开时产生过电免上、下桥臂贯穿 短路 压 ,防止击穿主管 电流响应速度快(4)应用范围广 (4) (5)体积大 课 堂 思 考 1 、下列关于脉冲整流器的说法是否正确?① 可四象限运行② 功率因数高,可达到(接近)±1 ③ 一般采用相控工作方式④ 交流侧接电机负载⑤ 可用于太阳能并网发电⑥ 我国交流传动电力机车上采用三相脉冲整流器 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 控制(PWM)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2、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、工作原理、相量 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 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 习 题7-1 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(开关管为 IGBT),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 阻)。7-3 仿照课堂内容,画出单相电压型脉冲整流器在 网压 uN (t) 为负半波时的能量传递示意图,并说 明iN (t)的变化情况。7-4 画出单相电流型脉冲整流器的电路图(开关管为 GTO),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。7-5 比较电压型脉冲整流器和电流型脉冲整流器的 异同点。 Spring 2006
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