PWM整流技术原理及在和谐号机车上的应用应用

1、西南交通大学课程设计 课程名称：牵引电机课程设计设计题目：PWM整流技术在和谐号系列机车上的应用院 系： 电气工程系 专 业： 电力机车 年 级： 2009级 姓 名： 指导教师： 西南交通大学峨眉校区2012 年 10 月 25 日西南交通大学课程设计 课 程 设 计 任 务 书专 业 姓 名 学 号 开题日期： 年 月 日 完成日期： 年 月 日 题 目 PWM整流技术在和谐号系列机车上的应用 一、设计的目的 通过该设计，使学生初步掌握PWM整流技术的组成系统、作用原理以及其在和谐号机车上的应用。 二、设计的内容及要求 1.画出PWM蒸馏技术的原理图； 2.并说明图中各主要部件的作用、性能

2、； 3.掌握PWM调频调压技术的工作原理； 4.掌握PWM整流技术 在和谐号及车上的应用。 三、指导教师评语 四、成 绩 指导教师 (签章) 年 月 日西南交通大学课程设计 PWM整流技术原始资料PWM整流电路是PWM控制方式和全控型器件组成的整流电路。就整流电路而言，按相数不同有单相和三相之分，按滤波环节所用器件不同，又有电压型和电流型两种，而现在普遍使用的是电压型整流电路。对PWM整流电路的控制方式，在机车上我们采用的是以正弦信号为调制波的正弦脉宽调制（简称SPWM）。 一：单相桥式电压型PWM整流电路单相桥式电压型PWM整流电路最早用于交流机车传动系统，为间接式变频电源提供中间环节，器电

3、路如图1所示。每个桥臂有一个全控器件和反并联的整流二极管在组成。L为交流侧附加的电抗，在PWM整流电路中是一个重要的元件，起平衡电压、支撑无功功率和储存能量的作用。为简化分析，可以忽略L的电阻。 图1 单相桥式电压型PWM整流电路二：三相电压型PWM整流电路图2为三相电压型PWM整流电路，其应用非常广泛，工作原理与单相桥式PWM整流电路相似。对六个全控器件按一定要求和反式进行控制，在西南交通大学课程设计 交流输入端a、b、c可得到SPWM电压。对各项电压进行控制，就可以使各项电流为正弦波且和电压相位相同，功率因数近似为1。 图2 三相电压型PWM整流电路三：PWM 调频调压技术PWM调频调压技

4、术是通过改变PWM波来实现的，而PWM脉冲序列是由调制波和载波通过比较器来得到的，因此，要实现PWM调频调压，需改变调制波与载波之间的相互关系。PWM波实质上是功率器件的驱动脉冲，受到变流器性能要求、特备是功率元件允许的工作条件的限制。1. 调制比，定义为： 上式中，：调制波电压幅值（V） ：载波电压幅值（V）在双极性PWM波中，最小脉宽出现在接近载波峰值的两交点间，此处的最小脉宽时间必须保证大于功率元件的关断时间使其可靠关断后，互补元件再导通，因此一般。2. 载波比，定义为： 西南交通大学课程设计 式中，：载波频率（Hz） ：调制波频率（Hz）载波比是一个周期参考调制波与载波的周期数，在 一

5、定的情况下，显然载波比越大，调频调压效果越好；但同时元件的开、断频率也越高，因此受到元件的开、断频率允许值的限制。四：PWM整理技术在和谐号系列及车上的应用 在我国现有的和谐号系列及车上，PWM整流技术有着广范的使用，在CRH系列车上都使用了以PWM调频调压技术，在CRH1、CRH3、CRH5型车上都是用的两点平脉冲整流器，用PWM调制技术来实现开关元件的导通与关断；在CRH2型车上用的是三电平脉冲整流器，同样是以PWM调制技术来实现开关元件的导通与关断。西南交通大学课程设计 摘 要PWM技术从最初追求电压波形正弦 ,到电流波形正弦 ,再到磁通的正弦 ,取得了突飞猛进的发展。而 PWM整流器具

6、有输入电流正弦 ,谐波含量低 ,功率因数高及双向能量流动 ,体积小及重量轻等特点 ,在功率因数补偿 ,电能回馈 ,有源滤波等领域得到越来越广泛的应用。按是否具有能量回馈功能 ,PWM整流器可分为无能量回馈整流器和有能量回馈整流器;按主电路拓扑结构和外特性分 , PWM整流器可分为电压源型和电流源型高频整流器。PWM整流器以其优越的性能和潜在的优势得到了广泛地应用，而对于现在广泛使用的交直交和谐号机车，PWM整流技术的应用得到了更高的提升。本文从对PWM整流技术的原理出发，分析了PWM整流技术在及车上的应用原理，应用方法，以实现机车较好的整流和对电网的污染小的目的。关键词：PWM；整流技术；和谐

7、号系列机车；西南交通大学课程设计 目 录第1章 绪论1.1 简介············································

8、3;···11.2 PWM整流技术设计的任务及要求·························2第2章 PWM整流技术2.1 PWM整流器的分类··············&

9、#183;······················32.2 PWM整流电路工作原理························

10、83;········3第3章 PWM调频调压技术3.1 正弦脉宽调制（SPWM）··································7第4章 PWM整流技术在和谐

11、号系列机车上的应用4.1 PWM整流技术在两电平整流器上的应用··················114.2 PWM整流技术在三电平整流器上的应用··················14结论····&

12、#183;·················································&

13、#183;·17参考文献···············································&

14、#183;····18 第18页西南交通大学课程设计 第1章 绪 论1.1 简介随着电力电子技术的发展，电力半导体开关器件性能不断提高，已从早期广泛使用的半控型电力半导体开关器件，如普通晶闸管（SCR）发展到如今性能各异且类型诸多的全控型电力半导体开关器件，如双极性晶闸管（BJT）、门极关断（GTO）晶闸管、绝缘栅双极性晶闸管（IGBT）、集成门极换向晶闸管（IGCT）、电力场效应晶体管（MOSFET）以及场控晶闸管（MCT）等。而20世纪90年代发展起来的智能功率模块（IPM）则开创了电力半导体开关器件新的发展方向，出现了以脉宽调制（PWM）控制为基础

15、的各类变流装置，如变频器、逆变电源、高频开关电源以及各类特种变流器等，这些变流装置在国民经济各个领域取的广泛的应用。但是，目前这些变流装置很大一部分需要整流环节，以获得直流电压，由于常规整流环节广泛采用二极管不控整流电路或晶闸管相控整流电路，因而对电网注入了大量谐波及无功功率，造成严重电网“污染”。治理这种电网“污染”最根本的措施就是，要求变流装置实现网侧电流正弦化，且运行由于单位功率因数。因此，作为电网主要“污染”源的整流器，首先受到学术界的关注，并开展大量研究工作。其主要思路就是，将PWM技术引入整流器的控制中心，使整流器网侧电路正弦化，且运行由于单位功率因数。根据能量是否可双向流动，派生

16、出两类不同拓扑结构的PWM整流器，即可逆PWM整流器和不可逆PWM整流器。本文只讨论能量可双向流动的可逆PWM整流器及其控制策略，以下所称PWM整流器均指可逆PWM整流器。能量可双向流动的PWM整流器不仅体现出AC/DC变流特性（整流），而且还可以呈现出DC/AC变流特性（有源逆变），因而确切地说，这类PWM整流器实际上是一种新型的可逆PWM整流器。经过几十年的研究与发展，PWM整流器技术已日趋成熟。PWM整流器主电路已从早期的半控型器件桥路发展到如今的全控型期间桥路；其拓扑结构已从单相、三相电路发展到多相组合及多电平拓扑电路；PWM开关控制由单纯的硬开关调制发展到软开关调制；功率等级从千瓦级

17、发展到兆瓦级，而在主电路类型上，既有电压型整流器（Voltage Source RectifierVSR），也有电流型整流器（Current Source RectifierCSR），并且两者在工业上均成功的投入应用。由于PWM整流器视线了网侧电压正弦化，且运行于单位功率因数，甚至能量可双向传输，因而真正实现了“绿色电能变换”。由于PWM整流器网侧呈现出受控电流源特性，因而这一特性使PWM整流器及其控制技术获得进一步的发展和拓宽，并取得了更为广泛和重要的应用。1.2 PWM整流技术设计的任务及要求本文对PWM整流技术的设计，从单相电压型PWM整流器的电路原理出发，通过对其工作原理的分析，得出此

18、种电路怎样通过PWM调制实现对电路的控制。在电力机车上使用的PWM整流器普遍是四象限脉冲整流器，而这种整流器在哪种控制下可实现网侧电路正弦化，且运行由于单位功率因数，也是本文要重点叙述的。这种控制也就是PWM调频调压技术。在现今的和谐号系列机车上，这种电路及控制得到了广泛的应用。本文将在CRH1、CRH2、CRH3和CRH5型机车上谈到PWM整流技术的应用。 第2章 PWM整流技术2.1 PWM整流器的分类 随着PWM整流器的发展，以设计出多种PWM整流器，并可分类如下：（1） 按直流储能形式分类电压型PWM整流器和电流型PWM整流器；（2） 按电网相数分类单相电路PWM整流器、三相电路PWM

19、整流器和多相电路PWM整流器；（3） 按PWM开关调制分类硬开关调制PWM整流器和软开关调制PWM整流器；（4） 按桥路结构分类半桥电路PWM整流器和全桥电路PWM整流器；（5） 按调制电平分类两电平PWM整流器、三电平PWM整流器和多电平PWM整流器；尽管这些分类方法多种多样，但最基本的分类是将PWM整流器分类成电压型和电流型两大类，这主要是因为电压型、电流型PWM整流器，无论是在主电路结构、PWM信号发生以及控制策略等方面均有各自的特点，并且两之间存在电路上的对偶性。其他分类主要就主电路拓扑结构而言，均可归类于电流型或者电压型PWM整流器，本文着重介绍电压型PWM整流器。2.2 PWM整流

20、电路工作原理 2.2.1 单相电压型PWM整流电路单相桥式电压型PWM整流电路如下图3所示。 按照自然采样法对功率开关元件-进行SPWM控制，就可以在全桥的交流输入端ab间产生出SPWM波电压。中含有和正弦调制波同频率、幅值成正比的基波，以及载波频率的高次谐波，但不含低次谐波。由于交流侧输入电感的作用，高次谐波造成的电流脉动被滤除，控制正弦调制波频率使之与电源同频率，则输入电流也可为与电源同频率的正弦波。 图3 单相桥式电压型PWM整流电路 单相桥式电压型PWM整流电路按升压斩波原理工作。当交流电压时，由、和、分别组成两个升压斩波电路。以、构成的电路为例，当到同时，通过、向储能；当关断时，中的

21、储能通过、向直流电容充电，致使直流电压高于峰值。当时，则由、和、分别组成两个升压斩波电路，工作原理与时类似。由于电压型PWM整流电路是升压型整流电路，其输出直流电压从交流电压峰值鲜花上调节，而向下调解会恶化输入特性，甚至不能工作。 输入电流相对电源电压的相位是通过对整流电路交流输入电压的控制来实现调节的。图4给出了交流输入回路积薄等效电路及各种运行状态下的向量图。途中、和分别是交流电压、电感电压及输入电流的相量，是的相量。图4（b）为PWM整流状态，此时控制滞后的一个角，以保证与同相位，功率因数为1，能量从交流侧送至直流侧。图4（c）为PWM你变状态，此时控制超前的一个角，以保证与正好反相位，

22、功率因数也为1，但能量从直流侧返回至交流侧。从图4（b）、（c）可以看出，PWM整流电路只要控制的相位，就可以方便地实现能量的双向流动，这对需要有再生制动功能、欲实现四象限运行的交流调速系统是一种必须的交流方案。 ba (a) 等效输入电路 （b） 整流 (c) 逆变 （d） 无功补偿 （e） 超前任意角 图4 PWM整流电路输入等效电路及运行状态向量图图4（d）为无功补偿状态，此时控制滞后的一个角，以确保超前，整流电路向交流电源送出无功功率。这种运行状态的电路被称为无功功率发生器，用于电力系统无功补偿。图4（e）表示了通过控制的相位和幅值，可以实现与间的任一相位关系。 2.2.2 三相电压型

23、PWM整流电路 三相桥式电压型PWM整流电路结构如图5所示，其工作原理同单相电路，仅是从单向扩展到三相。只要对电路进行三相SPWM控制，就可以在整流电路交流输入断a、b、c得到三相SPWM输出电压。对各相电压按图4（b）向量图控制，就可获得接近单位功率的三相正弦电流输入。电路也可工作在你变状态或图4（d）、（e）的运行状态。 图5 三相电压型PWM整流电路 第三章 PWM调频调压技术3.1 正弦脉宽调制（SPWM） 3.1.1 单极性和双极性调制 以等腰三角形载波和参考正弦波的相互交关系，可以产生SPWM调制波。 当参考电压正半波时，若，调制波=0，而，为宽度不等的矩形脉冲波，正弦参考电压与三

24、角波电压的交点是输出电压转折点。由于采用正弦参考波调制，所以靠近幅值处的脉冲波较宽，两边逐渐对称变窄，矩形面积所表示的输出电压有效值大小符合正弦分布规律，称这种脉冲序列为SPWM序列。 当在负半周时，需要把正半波的SPWM序列反向，得到一个周期的、幅值在变化的脉冲序列，称为单极性SPWM调制模式，如图6（a）所示。 如果在每个交点处同时产生正、负触发脉冲，在一个半周期内既有又有脉冲序列，这种调制称为双极性SPWM调制模式，如图6（b）所示。0000 （a） 单极性SPWM脉冲 00 （b） 双极性SPWM脉冲 图6 SPWM脉冲系列3.1.2 PWM波的调制条件 PWM调频调压技术是通过改变P

25、WM波来实现的，而PWM脉冲序列是由调制波和载波通过比较器来得到的，因此，要实现PWM调频调压，需改变调制波与载波之间的相互关系。PWM波实质上是功率器件的驱动脉冲，受到变流器性能要求、特备是功率元件允许的工作条件的限制。（1）.调制比，定义为： 上式中，：调制波电压幅值（V） ：载波电压幅值（V）在双极性PWM波中，最小脉宽出现在接近载波峰值的两交点间，此处的最小脉宽时间必须保证大于功率元件的关断时间使其可靠关断后，互补元件再导通，因此一般。（2）.载波比，定义为： 式中，：载波频率（Hz） ：调制波频率（Hz）载波比是一个周期参考调制波与载波的周期数，在 一定的情况下，显然载波比越大，调频

26、调压效果越好；但同时元件的开、断频率也越高，因此受到元件的开、断频率允许值的限制。 3.1.3 同步调制和异步调制及分段同步调制在SPWM控制中，载波比分同步调制和异步调制两种方式。 （1） 同步调制方式，N=常数，及载波频率随调制波频率的改变而改变，因而逆变器半波内输出的电压矩形脉冲数是不变的，特别是当N为3的整数时，同步调制能保证正、负半轴的输出电压波是对称的。对三相电压而言，同步调制也能保持严格的互差的相位关系。但是，当逆变器工作于低频时即很小时，若N为常数不变，势必亦很小，使输出电压脉冲数太少，相邻电压脉冲间距增大，与正弦波形相比畸变严重，电流谐波会显著增加，对异步电机运行十分不利。

27、（2） 一步调制方式可以消除同步调制的上述缺点。所谓一步调制，即使在逆变器的整个变频范围内，载波比N不为常数的调制方式。当改变调制波频率时，载波频率不变，且按系统在低频工作的要求确定。异步调制方式虽然该变了系统的低频性能，但若系统进入高频运行时，就可能造成逆变器开关元件的开关频率的较大增加，使开关元件的损耗增加，而且当岁工作频率变化时不变，也就不能保证N始终为3的倍数，造成三相输出电压的不对称，影响电机工作的平稳性。 （3） 将同步调制和异步调制结合起来，利用它们各自的优势，估计系统的低频和高频性能的要求，SPWM系统通常采用分段同步调制的方式。 主电路功率开关元件已选定，元件的开、断频率允许

28、值随之确定，在这种情况下载波比N是受到限制的。在输出电压频率随调整的过程中，在低频段由于周期时间较长，可选择较大的载波比N，而随着的增加载波比N应随之减小。原则是从低频道高频的整个工作频率变化区间，使开关元件的开、断频率保持在一个基本相等的范围，这样既充分利用元件的频率特性，又保证元件的安全使用。第4章 PWM整流技术在和谐号系列机车上的应用在国产CRH系列和谐号动车上，都是用了PWM整流技术，在所用的整流电路有区别，也使得PWM控制存在差异。在这些和谐号动车中，CRH1、CRH3和CRH5型车采用的是两电平四象限脉冲整流器，则PWM调制使用的是双极性PWM；而CRH2型车采用三电平四象限脉冲

29、整流器，采用的调制时单极性PWM。下面将分别对两种不同电平的调制方式作介绍。4.1 PWM整流技术在两电平整流器上的应用设经SPWM调制为正弦交流电压，由图4（a）所示，则交流侧回路方程为 （4-1）组成一个电压三角形，当交流测电压一定时，的幅值大小和相角决定了的大小和相位，欲保持电网功率因数为1，则不论整流或逆变工况，电压三角形都必须为直角三角形如图7所示。整流工况时与同相，滞后于；逆变工况时与反相，超前于。 （a）整流工况 （b）逆变工况 图7 交流侧相量图在三角形条件下，式（4-1）用有效值表示为 (4-2)当交流测电压波动或者因直流负载变化引起变化时，要保持图6的直角三角形关系，只有通

30、过调节来实现。式（4-1）、（4-2）成立的条件是交流测电压基本正弦，为此四象限整流器采用了SPWM调制，使之成为幅值、宽度按正弦分布的脉冲波，正弦调制电压频率为电源频率频率，与的相角即为角，三角载波，载波比N取为整数，调制比定义为 为正弦调制波幅值，为三角载波幅值，与逆变器相同为保证元件可靠换流，最大调制比。从图7可知，为保证交流侧典雅的直角三角形，调的幅值的同时，其与电源间的相角须同时调节。通过调节即可改变调制比M，可以调节的幅值，改变参考波与的相位也就调节了。为形成正弦电压，需用两个SPWM波同时对图3中的、和、进行控制，如图8是产生SPWM1和SPWM2的原理图。图中正弦参考电压与频率

31、相同，为电网频率，相角差为。与三角载波形成脉冲加于、；将取反再与调制形成SPWM2同时加于、。四象限脉冲整流器交流侧输出电压，经上述SPWM调制后，基本成为与频率相同，相角差为的正弦脉冲电压，的调制过程如图9所示。SPWM调制SPWM1M-1SPWM调制SPWM2 图8 两电平四象限脉冲整流器SPWM调制 图9 两电平脉冲整流器SPWM调制波形 在交流电力机车上，通常采用两台四象限整流器对一个直流中间环节供电，如图10.整流器（1）和整流器（2），有统一牵引变压器复变电压相同的两个绕组供电，因此两个整流器相同，且调制波相同，仅使它们的三角形载波互差，其效果是使并联输出的交流电压更接近于正弦波，并减小交流侧电流中的谐波。逆变器 图10 脉冲整流器并联供电4.2 PWM整流技术在三电平整流器上的应用 （1） 三电平主要在CRH2型动车上使用，其主电路如图11所示。Oba 图11 三电平脉冲整流器主电路对三电平整流器的工作原理这里不做多的介绍，是每桥臂四个开关从上到下一次开通，而且同一时间只