《脉冲整流》PPT课件.ppt

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1、2023/7/29,北京交通大学电气工程学院,7-1,第 7 章 脉冲整流电路,2023/7/29,北京交通大学电气工程学院,7-2,本章内容,7.1 概述7.2 电压型脉冲整流器7.3 电流型脉冲整流器7.4 电流型脉冲整流器与电压型脉冲整流 器的性能特点比较7.5 脉冲整流器的应用,2023/7/29,北京交通大学电气工程学院,7-3,7.1 概述,一、脉冲整流器的发展背景相控整流器的不足功率因数低谐波含量大提高相控整流器功率因数的措施多段桥（多重化）；全控桥工作于半控状态；斩控整流（强迫换相）。,2023/7/29,北京交通大学电气工程学院,7-4,1、多段桥串联变流器的顺序控制,顺序控

2、制基本思想：将几个变流器串联，根据输出电压的要求对它们进行不同的控制，其中只有一个变流器处于相控状态，其余变流器处于续流或满输出状态。,2023/7/29,北京交通大学电气工程学院,7-5,SS3BSS4BSS8SS9不等分三段半控桥,多段桥的应用交直电力机车主电路,2023/7/29,北京交通大学电气工程学院,7-6,2、全控桥工作于半控状态可控续流（提高位移因数）,2023/7/29,北京交通大学电气工程学院,7-7,3、强迫换相,(1)熄灭角控制获超前相移因数，对整个电力系统有利。,2023/7/29,北京交通大学电气工程学院,7-8,(2)对称角控制：使位移因数为1,2023/7/29

3、,北京交通大学电气工程学院,7-9,（3）脉冲宽度控制（PWM脉冲整流）：使位移因数达到1，并同时提高畸变因数,2023/7/29,北京交通大学电气工程学院,7-10,二、脉冲整流器的特点脉冲整流器是一种以脉宽控制（PWM）方式工作的整流器，又称为四象限变流器与相控整流器相比具有下列优点：功率因数高，交流侧cos=1；谐波含量低，交流侧电流接近于正弦；体积小、重量轻、动态响应快。,概述,2023/7/29,北京交通大学电气工程学院,7-11,三、脉冲整流器的基本思想,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us1；,概述,若在交

4、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：,2023/7/29,北京交通大学电气工程学院,7-12,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 脉冲整流器的基本思想,概述,2023/7/29,北京交通大学电气工程学院,7-13,四、分类：按直流侧的电压和电流情况分类,1、电压型脉冲整流器,特征：直流侧电压恒定，即：ud(t)=Ud，并且 Ud UN（正常工作的条件）,概述,Ud,uN,2023/7/29,北京交通大学电气工程学院,7-14,2、电流型脉冲整流器,特征：直流侧电流恒定，即：id(t)=Id，并且 Id IN（正常工作的条件）,概述

5、,Id,iN,2023/7/29,北京交通大学电气工程学院,7-15,概述,五、PWM整流器的发展史,E120机车的电源侧变流器,德国BBC公司于1974年生产出第一台交流传动电力机车E120机车，将四象限变流器作为其电源侧变流器。,2023/7/29,北京交通大学电气工程学院,7-16,概述,2023/7/29,北京交通大学电气工程学院,7-17,概述,2023/7/29,北京交通大学电气工程学院,7-18,支撑电容Cd：用于滤波，使直流侧电压恒定。,交流侧电感LN：用于实现对PWM整流器交流侧电压us1的调节从而实现对功率因数的调节，同时也限制交流侧谐波电流。,7.2 电压型脉冲整流器,一

6、、单相电压型脉冲整流器的结构,、基本结构,2、各元件的作用,2023/7/29,北京交通大学电气工程学院,7-19,二次滤波回路L2、C2：用于提供2次谐波电流通路，限制直流侧二次谐波电流，从而减小ud中的二次谐波电压。其谐振频率为基波频率的2倍。,2、各元件的作用,2023/7/29,北京交通大学电气工程学院,7-20,电压型脉冲整流器,二、工作原理：通过对T1T4进行PWM控制，使电网电流iN(t)的基波分量与电网电压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。,2023/7/29,北京交通大学电气工程学院,7-21,电压型脉冲整流器,控制方法被控量Ud：要

7、求Ud基本保持恒定iN1：要求iN1与uN保持同相或反相控制方法间接电流控制 直接电流控制,2023/7/29,北京交通大学电气工程学院,7-22,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：,在PWM控制方式下us1的幅值和相位均可控，因此iN1的幅值和相位也可控。,（1）相量方程,电压型脉冲整流器,1、间接电流控制根据相量方程（相量图）产生合适的Us1。,2023/7/29,北京交通大学电气工程学院,7-23,（2）相量图（功率因数=1时）,(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

8、或反相。,电压型脉冲整流器,2023/7/29,北京交通大学电气工程学院,7-24,（3）基本电量关系：设uN(t)=UNmsinNt，且忽略线路电阻整流工况：IN1m=UNmtan/NLN得 US1m=UNm/cos 得US1m uS1(t)=US1msin(Nt-)得uS1(t),电压型脉冲整流器,2023/7/29,北京交通大学电气工程学院,7-25,（4）uS、uN 和 iN 波形整流（牵引）,电压型脉冲整流器,2023/7/29,北京交通大学电气工程学院,7-26,逆变工况：IN1m=UNmtan/NLN US1m=UNm/cos uS1(t)=US1msin(Nt+),电压型脉冲整

9、流器,2023/7/29,北京交通大学电气工程学院,7-27,uS、uN 和 iN 波形逆变（再生）,电压型脉冲整流器,2023/7/29,北京交通大学电气工程学院,7-28,uS、uN 和 iN 波形理想空载,电压型脉冲整流器,2023/7/29,北京交通大学电气工程学院,7-29,电压型脉冲整流器,2、直接电流控制电流跟踪控制,2023/7/29,北京交通大学电气工程学院,7-30,三、整流器工作模式及能流（能量传递）关系,根据各功率器件的工作状态及能量流向，整流器在一个工作周期内的工作模式可分成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：整流器从交

10、流电源或LN吸收能量（4种）（3）逆变：整流器向交流电源或LN泄放能量（4种）,电压型脉冲整流器,2023/7/29,北京交通大学电气工程学院,7-31,整流器工作模式及能流关系（网压 uN(t)为正半波时）,电压型脉冲整流器,2023/7/29,北京交通大学电气工程学院,7-32,整流器工作模式及能流关系（网压 uN(t)为正半波时）,电压型脉冲整流器,2023/7/29,北京交通大学电气工程学院,7-33,四、三相电压型脉冲整流器主电路结构工作原理与单相脉冲整流器相同,电压型脉冲整流器,2023/7/29,北京交通大学电气工程学院,7-34,平波电感Ld：用于滤波，使直流侧电流平直。,交流

11、侧电容CN：用于调节交流侧电流IN1从而实现对功率因数的调节并限制交流侧谐波电流。,7.3 电流型脉冲整流器,、基本结构,2、各元件的作用,2023/7/29,北京交通大学电气工程学院,7-35,二次滤波回路L2、C2：用于限制直流侧二次谐波电压，从而减小id中的二次谐波电流。其谐振频率为基波频率的2倍。,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）,2023/7/29,北京交通大学电气工程学院,7-36,3、工作原理：通过对T1T4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。,电流型脉冲整流器,

12、2023/7/29,北京交通大学电气工程学院,7-37,假定电网电压是纯正弦电压，对于基波分量,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,电流型脉冲整流器,间接电流控制根据相量方程（图）产生合适的IP1。,2023/7/29,北京交通大学电气工程学院,7-38,（2）相量图（功率因数=1时）(a)整流（牵引）(b)逆变（再生）,电流型脉冲整流器,2023/7/29,北京交通大学电气工程学院,7-39,（3）基本电量关系：设uN(t)=UNmsinNt，且忽略LN整流工况：iN1(t)=IN1msinNt iP1(t)=IP1msin(Nt

13、-)IN1m=UNm NCN/tan IP1m=IN1m/cos 逆变工况：iN1(t)=IN1msin(Nt+)iP1(t)=IP1msin(Nt+-)IN1m=UNm NCN/tan IP1m=IN1m/cos 定义调制比（调制深度）：=IP1m/Id,电流型脉冲整流器,2023/7/29,北京交通大学电气工程学院,7-40,电压型脉冲整流器,直接电流控制,2023/7/29,北京交通大学电气工程学院,7-41,4、整流器工作模式及能流（能量传递）关系,根据各功率器件的工作状态及能量流向，整流器在一个工作周期内的工作模式也可分成3类12种模式：（1）整流器断开（ip=0）：电源与CN交换能

14、量（4种）（2）整流：整流器从交流电源或CN吸收能量（4种）（3）逆变：整流器向交流电源或CN泄放能量（4种）,电流型脉冲整流器,2023/7/29,北京交通大学电气工程学院,7-42,5、三相电流型脉冲整流器（GTO）,电流型脉冲整流器,2023/7/29,北京交通大学电气工程学院,7-43,5、三相电流型脉冲整流器（续）（IGBT模块）,电流型脉冲整流器,2023/7/29,北京交通大学电气工程学院,7-44,7.4电流型脉冲整流器与电压型脉冲整流器的性能特点比较,相同之处：两者的交流侧特性基本相同（电网电压与电网电流同相位）;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数，

15、都能减小谐波，减少对电网的污染。,2023/7/29,北京交通大学电气工程学院,7-45,不同之处：,电压型(1)Id方向可变，Ud方向不可变；(2)必须采用“逆导型”桥臂，主管只承受正向电压；,电流型(1)Id方向不可变，Ud方向可变；(2)必须采用“逆阻型”桥臂，主管必须能承受正、反向电压；,2023/7/29,北京交通大学电气工程学院,7-46,不同之处：,电压型(3)上、下桥臂主管换相顺序必须是“先关后开”，并且设置一个死区时间，避免上、下桥臂贯穿 短路。,电流型(3)相邻桥臂主管换相顺序必须是“先开后关”，避免大电感电路突然断开时产生过电压，防止击穿主管。,(4)应用范围广。,(4)

16、电流响应速度快；(5)体积大。,2023/7/29,北京交通大学电气工程学院,7-47,7.5脉冲整流器的应用,在电力机车上的应用 E120型交流传动电力机车晶闸管T1 T4是主管，TF1TF4为辅管，它们与电容电感LC一起构成主管的强迫换流电路。,2023/7/29,北京交通大学电气工程学院,7-48,在电力机车上的应用,脉冲整流器的应用,2023/7/29,北京交通大学电气工程学院,7-49,用作有源电子负载 用于直流电源试验，可以将待试设备的输出能量反馈到电网，节约能源。,脉冲整流器的应用,2023/7/29,北京交通大学电气工程学院,7-50,可再生能源和储能系统与电网间的互联可再生能

17、源（风能、太阳能、潮汐发电、水力发电等）不能直接并入电网。太阳能发电并网系统,脉冲整流器的应用,2023/7/29,北京交通大学电气工程学院,7-51,补充1静止无功发生器（SVG）所谓静止无功发生器（SVG）是指采用PWM整流器来进行动态无功补偿的装置。其拓朴结构如下：,脉冲整流器的应用,2023/7/29,北京交通大学电气工程学院,7-52,电压型SVG基本原理 通过调节PWM变流电路交流侧输出电压的相位和幅值，或者直接控制其交流侧电流，使该电路吸收或发出满足要求的无功电流，从而实现无功补偿。,脉冲整流器的应用,2023/7/29,北京交通大学电气工程学院,7-53,理想系统（不考虑SVG

18、的损耗）工作情况分析,此情况下SVG不从电网吸收有功功率，SVG交流侧电压UI与电网电压US同相，改变UI的大小就可以控制SVG从电网吸收的电流的性质（超前或滞后）。,脉冲整流器的应用,2023/7/29,北京交通大学电气工程学院,7-54,(b)图：当SVG输出电压的幅值大于系统电压幅值时，系统电流超前电网电压90运行，因此，SVG吸收超前的无功功率，起着电容器的作用。,脉冲整流器的应用,2023/7/29,北京交通大学电气工程学院,7-55,(c)图：而当SVG输出电压的幅值小于系统电压幅值时，系统电流滞后电网电压90运行，SVG吸收滞后的无功功率，起电抗器的作用。,脉冲整流器的应用,20

19、23/7/29,北京交通大学电气工程学院,7-56,补充2电力有源滤波器（APF）,脉冲整流器的应用,2023/7/29,北京交通大学电气工程学院,7-57,课 堂 思 考,1、下列关于脉冲整流器的说法是否正确？可四象限运行 功率因数高，可达到（接近）1 一般采用相控工作方式 交流侧接电机负载 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,2023/7/29,北京交通大学电气工程学院,7-58,课 堂 思 考,2、右图为单相电压型脉冲整流器的相关波形，从这些波形可以看出此时脉冲整流器工作在：整流工况 逆变工况 空载工况,2023/7/29,北京交通大学电气工程学院,7-59,

20、3、下图为 脉冲整流器的电路框图（1）主电路中的桥臂是属于逆阻型桥臂还是属于逆导型桥臂？（2）上下桥臂控制应遵循什么原则？（3）此电路的直流侧能否接电流型逆变器？（4）此电路的直流侧能否接蓄电池？,课 堂 思 考,2023/7/29,北京交通大学电气工程学院,7-60,4、电压型脉冲整流器的直流侧电压必须满足什么条件整流器才能正常工作？,课 堂 思 考,5、有一个交直交型交流传动系统，其电机侧逆变器采用三相电压型逆变器，其电源侧变流器可采用？单相电压型脉冲整流器 三相电压型脉冲整流器 单相电流型脉冲整流器 三相电流型脉冲整流器,2023/7/29,北京交通大学电气工程学院,7-61,6、单相电

21、压型PWM整流器的的直流侧一般要加LC滤波电路，该滤波电路是：并联谐振电路，谐振频率等于交流侧电网频率 并联谐振电路，谐振频率等于交流侧电网频率的2倍 串联谐振电路，谐振频率等于交流侧电网频率 串联谐振电路，谐振频率等于交流侧电网频率的2倍,课 堂 思 考,2023/7/29,北京交通大学电气工程学院,7-62,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、与相控整流器相比具有下列优点：（1）功率因数高，交流侧cos=1；（2）谐波含量低，交流侧电流接近于正弦；（3）体积小、重量轻、动态响应快。,

22、2023/7/29,北京交通大学电气工程学院,7-63,本章小结,3、脉冲整流器可分为电压型和电流型两大类。电压型脉冲整流器的应用较为广泛，可用于交直交电力牵引、风力发电、光伏发电系统，通过改变控制方式还可用于电力系统无功补偿和谐波抑制。4、理解脉冲整流器较之相控整流器的优点。5、掌握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、能流关系。,2023/7/29,北京交通大学电气工程学院,7-64,本章小结,6、了解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。7、掌握电压型脉冲整流器与电流型脉冲整流器的特点比较。8、了解脉冲整流器的应用。

23、,2023/7/29,北京交通大学电气工程学院,7-65,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。,2023/7/29,北京交通大学电气工程学院,7-66,7-4 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。7-6 举例说明脉冲整流器可应用在哪些场合？,