（电力系统及其自动化专业论文）交流传动互馈试验系统中高供电品质整流电源研究.pdf

华北电 力大 学( 北京) 硕士学位论文 第一章绪论 1 . 1 课题的研究背景 交流传动技术从其诞生之日 起就显示出直流传动技术无法比拟的优越性。在牵 引须域甲，与直流牵引电机调速系统相比，交流传动机车具有以下优 良院能:采用 交流传动技术，粘着利用率高:可 以直接进行 前进、后退、牵引、制动的转换，大 大减少有接点电 路;轴功率高，恒功率速度范围宽，适合高速、重载铁路运输的需 要;由于采用 了高供电品质整流电源，在电力牵引时其功率因数接近于 1 ，可将谐 波干扰降低到最低限度; 采用异步牵引电动机， 重量轻、体积小、寿命长，维护费 用低，同时机车动力学性能好。这些优点使得牵引动力传动交流化成为各国 牵引传 动领域的追求目 标。铁道部在 1 9 9 8 年底提出要用 1 0 年左右的时间完成从直流传动 到交流传动的转变。 随着大功率交流传动系统的 研究、开发和生产，对交流传动系统的整流电源、 交流牵引电机、整流电源控制系统以 至机车的全车控制均需有功率相当的测试检验 场所，这就是交流传动试验台。在研制开发、生产、应用部门都需要有试验台来进 行上述部件的检测、 标定和鉴定。特别是将来随着应用检修部门的增加，大功率试 验台建设势必 日益增多。 1 . 1 . 1交流传动互馈试验系统对整流电源的要求 本课题的研究对象是实验室现有交流传动互馈试验系统的高供电品 质整流电源 部分。与图 1 -3所示的结构有所不同，该试验台的高供电品质整流 电源部分由两 台高供电品质整流 电源 串联而成。交流传动互馈试验台对高供 电品质整流 电源 的要 求是:a c / d c整流器运行时，输出稳定符合要求的直流电压，输入功率因数为 1 , 输出足够的功率以补偿系统的损耗;当直流侧电压高于设定值作 d c / a c 逆变器运行 时，能够将直流侧能量回馈电网，实现能量双向流动的能力。逆变器的 直流侧电压 要求为 1 5 0 0 v ，因此单台高供电品质整流电源的输出电压为 7 5 0 v 。两台 逆变器设计 功率分别为 5 0 0 k v a，电机的功率为 3 0 0 k w，试验系统的损耗大约 占运 行功率的 2 0 t aa -3 0 % 。按照前面的叙述，高供电品质整流电源只需补偿系统的能量损耗。因此 高供电品质整流电源总的设计功率为 1 0 0 k v a，单台高供电品质整流 电源的设计功 率为 5 0 k v a.高供 电品质整流电源具有功率因数可调和能量双向流动的特 点，通过 适当的控制可满足输入功率因数为 1 、实现能量双向流动的要求。 1 . 1 . 2交流传动互馈试验系统的发展及其整流供电电源的构成 目前，能应用于牵引传动前期研究工作、试验功率在 1 mw 以上的交流传动试 验台有两种: ， 2 1 :第一种是以铁道部科学研究院为代表的 “ 能量消耗式”交流传动 华北电力大学 北京) 硕士学位论文 试验台;第二种是以永济电 机厂为代表的 “ 能量反馈式”交流传动试验台。 “ 能量消耗式” 交流传动试验台的结构如图 1 -1 所示，变压器向高供电品质 整流电 源提供单相交流电，高供电品质整流电源输出直流电，经电感电容组成的二 阶滤波环节后， 给逆变器供电， 逆变器输出 三相交流电 供给被测试的交流牵引电机， 被测试的交i p ,il 牵引电机输出轴上对接一个直流发电 机， 直流发电 机的输出 端接电阻 性负载，通过调节直流发电机励滋电 压来调节交流电机的输出转矩，即整流电源4,q 牵引电 机的负载。 这种试验台设备比 较简单，调节控制对象比较少，可方便调节直 流发电 机转矩，如果采用高性能的控制万式，也能模拟实际负载的动静态特性，实 现起来也不是很复杂 。 交流牵 引电机 t干曰曰日门洲日日 又门 图i 一i “ 能量消耗式”交流传动试验台 f i g u r e 1 一 1 e n e r g y - c o n s u m e - t y p e a c d r iv e t e s t r i g 这种方式存在的问 题是，由直流发电 机发出的电难以被再利用，电能完全被电 阻消耗掉，因而对能源的浪费很大，若长期进行大功率试验，电能浪费惊人，试验 费用非常高，用它来做常规检查是不划算的。同时，还必须考虑电阻负载的散热处 理，这往往会增加设备及试验室的面积。 “ 能量反馈式” 交流传动试验台的结构如图 工 一2 所示。高供电品质整流 电源从 电源变压器取得单相交流电，向逆变器输出直流 电源 ，逆变器向异步牵引电机供三 相交流电，被测试的异步牵引电机输出轴上对接一个 “ 直流发电 机一 直流电动机一 交流同步发电 机”构成的能量反馈系统，电能通过变压器返回电网。当异步牵引电 机转动后，调节直流发电机的励磁，直流发电机发出的电压使直流电动机的转速为 同 步发电机所需转速。再分别调节直流发电机、直流电动机和同步发电机的 励磁， 来调节异步牵引电机 的阻力矩， 同时维持同步发电机的频率稳定， 将 电能返回电网。 直 流 发 电 机 同 步 发 电 机 夕牙 交 流 牵 引 电 机 直 流 电 动 机 图1 一2 “ 能量反馈式”又流传动试验台 f i g u r e 1 - 2 e n e r g y - f e e d b a c k - t y p e a c d r i v e t e s t r i g 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 这种方式将部分能量反馈回电网，大大节约了电能，节省了试验费用。 _ 但使用 设备多，在建设试验平台时一次性投资大。另外由 于控制对象多，调控方法复杂， 控制难度增大， 容易出现超调， 造成系统振荡。 由于试验电机驱动的是直流发电机， 转速受到换向器限制， 难以 试验交流牵引电机的高转速区段。 论文 1 1 作者在分析了现有交流传动试验平台弊端的基础上，根据几年来对地 铁和轻轨等轨道动车交流传动系统的研究思考，提出了 “ 双逆变器一电机” 交流传 动互馈试验台 ( 简称交流传动互馈试验台) ，并在实验室完成了硬件建设。交流传 动互馈试验台的结构如图 1 -3 所示。 高供 电品 质整 流电 源 逆变器1 卜 耳 n - - (g于 刊逆变器.2 洲z 卜、 交流牵引电机 图1 一 3交流 传动互债试验台 f i g u r e 1 - 3 a c d r i v e r e c i p r o c a l p o w e r t e s t r i g 高供电品质整流电源将电网交流电 整流成直流电 供给逆变器 i ， 逆变器 i 向异 步牵引电机 1 提供三相交流电，使其运行在牵引工况。异步牵引电机 1 带动同轴的 异步牵引电机 2旋转，对逆变器 2 进行适 当的控制，使异步牵引电机 2定子频率低 于转子旋转的频率，作发电机状态运行。发出的三相交流电经逆变器 2 以整流器的 工作方式整流成直流电， 回馈到逆变器 i 的直流侧。 逆变器 2 控制转差频率的变化， 以改变电机转矩的大小，从而达到模拟机车负载变化的目的。 交流传动互馈试验台与前两种试验台相比，具有以下优点: ( 1 ) 效率高。 与 “ 能量反馈式”系统相比，少用两台电机，所以效率更高; ( 2 )控制环节少，系统容易稳定工作; ( 3 )系统设备种类和数量少，主设备只有高供电品质整流电源及两套完全相同的 逆变器和电机; ( 4 )负载模拟系统中没有直流电机，系统试验的高速度只与电机参数有关; ( 5 )可进行机车所有运行区段的特性试验，能真正实现上面提到的交流牵引传动 试验系统应完成的试验功能。 由于采用 了能量回馈方式，使得整个系统的能量损耗主要是两台电机的内部损 耗，而逆变器和整流电 源的损耗仅占 很小的比 例， 故能量利用率大大提高。由 于在 直流侧进行能量交换， 系统中高供电品质整流电源只需补偿系统的能量损耗，而整 个系统的能量损耗只是被测试电 机功率的一小部分，所以系统中高供电品质整流电 华北电 力大学( 北京) 硕士学位沦 文 源的功率等级远小于逆变器的功率等级，即可以 用小功率等级的供电电源来试验大 功率等级的交流传动机组。 高供电品质整流电 源由两个三相电 压型p w m 整流器串连构成整流电源二重化电 路 ，输入采用一台三绕组变压器 ，副边的两个绕组，一个接成 y形 ，另一个结成 d 形，使得两组整流装置阀侧电 压相位上相差: / 6 ，得到 1 2脉波输出。这样一方面 可以提高直流侧电压输出，一方面可以有效减小交流侧电 流和直流侧电压的低次谐 波 。 本系统中将高供电品质整流电源与三相逆变器级联，构成异步电动机交一直一 交变频调速系统。当电机处于 电动状态时，高供电品质整流 毛源直流侧 电压稳定， 交流电流接近正弦，功直因数角为 0 0 ,输入功率因数为 1 :当电机进入再生制动状 态时，由于直流侧 电压升高，高供 电品质整流电源经控制转入有源逆变状态，将电 机的机械能转换为电能回馈给电网，功率因数角为 1 8 0 0 ，输入功率因数为一 1 。这种 交流调速系统也非常适合于电机频繁再生制动的场合， 如电力机车牵引、电梯驱动 等。 1 . 2本论文的主要研究内容 本论文是试验系统高供电品质整流电源部分的前期研究，主要完成单台高供电 品质整流电源除满功率以外的所有设计要求，即输入线电 压 3 8 0 v时，输出直流屯 压 7 5 0 v ，输入功率因数接近于 1 ，实现高供电品质整流电源的整流工况和逆变工况 运行，运行功率达到 3 0 k w，具体研究内容包括以下几个方面: ( 1 ) 重新设计高供电品质整流电源控制系统，采用实验室通用双 d s p 控制板，并 对控制系统程序进行改进和完善; ( 2 ) 在带电阻负载情况下完成高供 电品质整流电源除满功率 以外 的所有运行要 求， 即输入线电压 3 8 0 v 时， 输出直流电 压 7 5 0 v , 输入功奎因数接近于 1 , 输 出功率达到 3 0 k w，并且具有良好的动静态性能; ( 3 ) 重新搭建实验平台，进行了高供电品质整流电源逆变工况实验和动态实验， 逆变实验采用能量互馈 的方式，动态实验进行负载突增、突减实验; ( 4 ) 实现高供电品质整流电源与交流传动互馈试验台 逆变器、电机的联合运行; ( 3 ) 实现了高供 电品质整流电源与交流传动互馈试验台其它装置的 c a n总线通讯 和 r s 4 8 5 通讯。 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 第二章交流传动互馈系统工作特性对整流电源要求 f ： 、 要一 n 恒转矩匡恒功率区恒压恒砖矩匿 ( b ) 再生制动时系统各参量的变化 图2 1 工作特性包络线 f i g u r e2 - ic h a r a c t e r i s t i cc u r v ew h e nw o r k i n g 交流传动互馈系统载荷运行时，双电机分别运行在电动机和发电机状态，出予 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 采用了能量回馈的方式，使得整个系统的能量消耗仅仅是两台电机内部的损耗和整 流电源的损耗，能量在直流侧进行交换。当电机启动和加速运行时，电动运行所需 能量大于发电机运行回馈电网能量，此时传动系统向电网吸收能量，整流电源工作 在整流状态；当电机制动和减速运行时，电动运行所需能量小于发电机运行回馈电 网能量，此时传动系统向电网回馈能量，整流电源工作在有源逆变状态。以下从传 动系统启动运行、牵引加速、发电制动、电磁制动四卜方面的工作特陛分折入手， 提出对整流电源的工作要求。 幽2 - - 2 电机1 和电机2 的速度、转矩调节关系 f i g u r e2 - 2r e g u l a t er e l a t i o no fs p e e da n dt o r q u eb e b v e e nm o t o r1a n dm o t o r2 具体调节过程结合图2 2 中逆变器电机的频率转速关系来说明。图2 2 中， 工l 是电机1 的定子电流频率，血是电机2 的定子电流频率， 是电机转速折算后的 电频率。电机1 的转差频率为 工i l 厶 ( 2 1 ) 电机2 的转差频率为 r l = 矗一 n l2 2 ) 实际控制时，根据机车控制级位的转矩和速度值，按照转差频率的需要，计算出对 应的逆变器调制频率t 和矗2 ，即可获得不同级位的牵引特性。 2 1 启动特性对整流器的要求 根据所需的起动力矩殆7 1 ，计算出转差频率五l ，由于电机转子静止( 厶：功，因 此逆变器1 的给定输出频率二l 岳i 。按照恒磁通的要求，控制逆变器l 输出到电机 l 的电压为l ，频率为工l 。此时电机1 获得一个输出机械转矩l 。等于起动力 矩瓦。，因而获得一个加速度，有开始旋转的趋势。在控制逆变器i 输出电压的同 时，控制逆变器2 ，使得输出到电机2 的电压和频率为魄n 和f 2 。但逆变器2 电 压的相序要与逆变器l 相反，这样电机2 也就获得一个与电机1 方向相反的机械转 矩t u e c 2 。由于电机2 的电压相序与电机l 相反，也即磁势旋转方向相反，可以认 为定子频率是负值，即五2 ：一 f , 2 。这样电机轴上获得一个转矩差d l 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 r = l 矿乙，三譬 3 ) b ，口 其中u 。是转子电角度，凸是电机极对数，厂是两台电机连轴后的转动惯量。 当4t = o 时，两台电机不能起动，但电机轴上获得了所需的转矩。此时电机l 相当于提供牵引电动转矩，电机2 相当于提供负载制动转矩。两台逆变器分别给两 台电机提供铜耗和铁耗。电机轴上的力矩大小可以根据需要调节电机端电压频率进 行改变。调节两台电机的转矩差4 n 由式2 3 就可以得到所需的起动角加速度d c o 。 d r ，电机就可以顺利地起动。电机获得角加速度开始旋转，当转子获得了转速托( r p m ) 后，转子的电频率厶为 工：娶( 舷) 0 u ( 2 4 ) 厶的方向与电机l 的定子频率方向一致，所以为正值。根据式2 3 ，为了维持电机 l 恒转矩起动，即l 引不变，随着电机转速的增加，需要不断地增加i ，以维持转 差频率f ，不变。同理，为维持2 ，根据式f r 2 = - - - f s 2 _ ，需要不断地减小电机2 的定 子频率的数值。 当电机2 的定子频率降到0 以前，电机2 的制动转矩主要是电磁制动转矩，随 着定子频率下降而逐步下降。当电机2 的定子频率等于零时，电磁制动力矩为零， 发电机的制动力矩等于电机2 的制动力矩t m e c 2 。此后，随着磊的继续增加，五2 改 变相序后开始增加，电机2 端电压沈与石2 成比例增加。电视2 的旋转电势方向与 电机1 的旋转方向一致，此后认为矗是正值。电机2 开始真正发电，向逆变器2 输 出能量，此时逆变器2 工作在整流状态，向直流侧回馈能量的同时被消耗在逆变器 1 驱动的电动机l ，回馈能量在直流侧进行转换。整流电源在起动过程工作于整流 状态，当有能量回馈直流侧时，整流电源将减少从电网吸收的电功率。 2 2 牵引加速对整流器的要求 互馈系统模拟带载加速情况下，负载不变即功e c 2 要维持恒定，从转速 i 提到 转速n 2 。根据转速调节前后的差值，计算得至转轴的电频率的增量4 厶。调节速 度时，把电机1 原来的定子给定频率赋予新值 石i = 疋l - 4 厶 ( 2 - 5 ) 把式( 2 - 5 ) 的值赋给逆变器l 。此时，由于转速尚未改变，所以电机i 获得的 转差频率变大了，电机l 电流开始增加。这样，电机开始加速。在加速过程中，转 子转速在提高，电机1 的转差率在下降，新增加的转矩差也在下降；同时要不断调 节逆变器2 的定子频率，在转轴速度提高的过程中维持南不变。当电机转速达到新 的给定值后，电机l 的转差频率会到了原来的值，新增的转矩差也为0 ，转矩回到 原来的值，电流也回到原来的值。电机2 的定子频率因为维持转差频率要跟踪电机 华北电力大学( 北京) 硕士学 位论文 a t 二 t .， 一 t m e 1 2 =j d w p n d t (2 - 3) 其中。 。 是转子电角度，a是电 机极对数，j 是两台电机连轴后的转动惯量。 当 a t = 0时，两台电机不能起动，但电机轴上获得了所需的转矩 。此时电机 1 相当于提供牵引电动转矩，电 机 2 相当于提供负载制动转矩。两台逆变器分别给两 台电机提供铜耗和铁耗。电 机轴上的力矩大小可以根据需要调节电机端电压频率进 行改变。 调节两台电机的转矩差d t ， 由式2 -3 就可以 得到所需的 起动角加速度 d ( o n / d t ， 电机就可以顺利地起动。 电机获得角加速度开始旋转， 当转子获得了转速 n ( r p m ) 后，转子的电频率f 为 ? 7 q n r r ， 、 j ，=叫 弋丁一 l 月) bu (2 - 4) f n 的方向与电机 1 的定子频率方向一致， 所以为正值。根据式2 -3 ，为了 维持电机 1 恒转矩起动， 即 t m e c i 不变， 随着电机转速的增加，需要不断地增加f 1 ，以维持转 差 频率f不 变。 同 理， 为 维持f 2 ， 根据式 f 2 = f 2 - f , 需 要 不断地 减小 电 机2 的定 子频率的数值。 当电机 2的定子频率降到 0以前电机 2的制动转矩主要是电磁制动转矩，随 着定子频率下降而逐步下降。当电机2 的定子频率等于零时，电磁制动力矩为零， 发电机的制动力矩等于电机 2的 制动力矩 t m e c 2 。 此后，随着二的继续增加， f 2 改 变 相序 后开始 增加，电 机2 端电 压伪与石 2 成比 例 增加。 电 机2 的 旋转电 势方向 与 电机 1 的旋转方向一致， 此后认为几 是正值。电 机 2 开始真正发电，向 逆变器2 输 出能量，此时逆变器 2 工作在整流状态，向直流侧回馈能量的同时被消耗在逆变器 1驱动的电 动机 1 ,回馈能量在直流侧进行转换。整流电 源在起动过程工作于整流 状态，当有能量回馈直流侧时，整流电 源将减少从电网吸收的电功率。 2 . 2牵引加速对整流器的要求 互馈系统模拟带载加速情况下， 负载不变即t m e c 2 要维持恒定， 从转速n ， 提到 转速 n 2。根据转速调节前后的差值，计 算得到转轴的电频率的增量 j f n。调节速 度时，把电 机 1 原来的定子给定频率赋予新值 fi = f i 占 刃r 把式 ( 2 - 5 )的值赋给逆变器 t 。此时，由于转速尚未改变，所以电机 1 获得的 转差频率变大了，电机 1 电流开始增加.这样，电机开 始加速。在加速过程中，转 子转速在提高，电机 1 的转差率在下降，新增加的转矩差也在下降;同时要不断调 节逆变器2 的定子频率， 在转轴速度提高的过程中维持爪不变。 当电机转速达到新 的给定值后，电机 1 的转差频率会到了原来的值，新增的转矩差也为 。 ，转矩回到 原来的值，电流也回到原来的值。电机2 的定子频率因为维持转差频率要跟踪电机 华北电力大学 北京) 硕士学位论 文 转轴的电频率，所以到了新稳态时，电 机 2 的定子频率也增加了d 儿。电 机 2因为 转矩没有变化， 所以电流没有改变。新稳态时，电机 1 和电机2 的电压都随着定子 频率增加了，所以逆变器 1 提供给电机 1 的功率增加了，电机2 输出给逆变器 2 的 功率也增加了。电机 1 在调节过程增加电流获得的电能最后转化成了电机转子旋转 的动能。整流电 源工作于整流状态， 从电网吸收的电功率将增加。 2 . 3发电制动过程对整流器的要求 为了节约能源，当电网电压没有超过允许值时，交流传动系统的电制动都应采 用再生制动。实施再生制动时，电机 i 要做发电运行: 在制动过程中，为了维持负 载转矩的基本不变，电 机 2 需要做电动机运行，给电机 i 的 制动提供一个负载 “ 动 刀源” 。 假设电机的转速为 n , ，折算成电频率为f1 。按照电机特性和制动力要求， 计算 出电 机 1 所需制动力对应的转差频率关 1 r 。 然后把两者之差作为电机 1的定子频率 赋给逆变器 1 ，即 f lg = f ,1 - f ll ( 2 - 6 ) 这祥电机 i 就获得了一个所需的制动转矩，电机开始减速。此时电机 1 作发电机运 行， 把电机减速的动能变为毛能田逆变器 1 反送到直流侧。 为了保持负载转矩不变， 在 把式 ( 2 -6 ) 的 f jg 赋给 逆变 器 1 的同 时， 需 要 把一 个新的电 机2 的 定子频 率f ,2 . 赋给 逆变器 2 ，让电机 2作电动机运行。由于负载转矩不变， 所以电机 2的转 差率为， 不变。因此电机 2的定子频率应为 f x m = 人 i - f . x t( 2 一 了 ) 这样电机 1 就在负载转矩不变的情况下开始反馈制动。电机转速开始下降。根据电 机转速的下降时转轴f， 的变化， 依据式( 2 - 7 ) ， 及时调整电机2 的定子频率 ( 即逆变 器 2的调制频率) ，就能维持在制动过程中的负载转矩不变。在制动过程中，至于 电机 i 的制动转矩是否需要改变，以及如何改变，要根据制动特性，在式( 2 - 6 ) 中， 不汉要及时调整新的转轴电频率f . i ，还要及时调整转差频率f r i i 。只有这样，依据 ( 2 - 6 ) 获得的电机 1 的定子频率赋给逆变器 i 后，才能得到所需的制动转矩要求。在 此过程中，整流电源工作于整流状态，在制动瞬间，当电机 i 的给定制动力矩很大 即转差率f v 很大， 即反馈直流侧能量大于电机2电 动运行所需和电机本身损耗( 铜 损和铁损 ) ，整流电源将向电网回馈能量 ，此时工作于逆变状态。 2 . 4 电磁制动过程对整流器的要求 在电制动过程中，当电机 t 的定子频率到零时，电机的转速还没有到零，即未 制停。 此后，就像试验系统的起动时那样，给电机 t 反向 施加电 压 ( 即改变相序) 和相应的频率，电机 1 处于电磁制动状态。这种在试验台进行的反馈制动，电机可 华北电 力大学( 北京) 硕士学 位沦文 以完全制停。制停后，立即切除逆变器 1 和逆变器 2 的供电。也可以维持两台电机 的转矩相等，方向相反。 电磁制动也存在于电 机起动运行过程中，异步电机处于电磁制动状态时，逆变 器输入的功率和电机轴上的动能都消耗在转子电阻上。所以在电磁制动状态下，电 机消耗的能量将增加， 因此整流 电源工作于整流状态， 从电网吸收的电能也将增加。 华北电力大学1 北京 ) 硕士学位论文 第三章 高供电品质整流电源的工作原理 3 . 1高供电品质整流电源的构成 高供 电品质整流 电源主电路拓扑结构根据输 出特性可分为电压型和 电流型两 种，电压型整流电 源最显著拓扑特征就是直流侧采用电 容进行直流储能，从而使直 流侧呈低阻抗的电 压源特性;电流型整流电 源最显著拓扑特征就是直流侧采用电感 进行直流储能，从而使直流侧呈高阻抗的电流源特性。根据本文第二章的分析，本 文采用的.3s电压型高供电品 质整流电源电路。下面介绍各种高供电品质整流电源毛 路的拓扑结构及工作原理， 电路中所使用的全控型器件以i g b t为例， 从原理上说， 也可以采用其他全控型电力 电子器件。 3 . 1 . 1单相桥式p w m 整流器 图 3 -1 为单相桥式高供电品质整流电 源。 它每个桥臂上的可关断开关管都带有 乙一r ,_ 一 下一 、 一 一注 c三 叽r , 几工 - 以一一一 一一 兀1 !一 j一 几 图 3 一i 单相桥式 p w m整流器 f i g u r e 3 - 1 s i n g l e p h a s e b r i d g e - ty p e p w m r e c t i f i e r 反并 联续 流 二极 管以 缓冲p w m过程中 的无 功电 能， 交 流 侧电 感l 、 包括 外接电 抗器 的电感和交流电 源内 部电感，r : 是外接电抗器电阻和交流电 源内阻之和。因为单相 的 p wm 整流器电网的输入功率是以二倍于电网频率脉动的。因此 ，如果想保证直 流侧电压的恒定，则必须在整流器直流侧与负载之间接入一个由电感电容组成的二 次谐波滤波器，以尽可能滤除直流电 压中的二次谐波。 3 . 1 一 2三相桥式 p w m 整流器 图 3 一2 是三相桥式高供电品质整流电源电路， 这种主电路结构在大功率拖动设 备的前端整流中有广泛的应用， 同时还广泛应用于电 力系统的 有源滤波。图中l 、 和 r的 意义 和图3 -1 中 单相 桥式电 路中的 相同 三 相桥 式电 路的 工 作原 理类 似于单 相全桥电路，但在控制时具有三相 电路的特殊性.三相桥式电路电网的输入功率不 含有二倍于电网频率的分量，所以其直流侧不需要接滤除二次谐波的滤波器。 单相和三相桥式高供电品质整流电源都属于升压式结构。其启动的先决条件是 华北电力大学 ( 北京) 硕士学 位论文 直流侧电容须预先充电到接近交流输入电压 ( 三相时为线电压)的峰值，而且为了 匕兰 l -r ls r j , 引。一 u w 一 一、 一 二 u u_ c 些 二 舟 : : 二 二 ， 七一一未 一 一- - - - - - - - - - 一 一 一 与 u 1 , t , 二t 6 二几 二 ， v 图 3 一2 三相桥式高供电品质整流源 f i g u r e 3 - 2 t h r e e - p h a s e b r i d g e - t y p e h ig h p o w e r s u p p ly q u a l it y r e c t i f i e r 控制交流电流的波形和相位，必须保证在高供电品质整流电 源器的运行过程中， 直 流电压不低于交流输入电 压的峰值。否则，续流二极管将以 传统的整流方式运行， 交流电流不完全可控。 桥式高供电品质整流电源结构简单，而且容易实现有源逆变，是吕前应用和研 究最多的一种类型。在交流传动互馈试验系统中使用的就是三相桥式高供电品质整 流电源，它属于 电压型高供电品质整流电源。 3 . 1 . 3三电平 p w y整流器 图 3 -3 是三电平高供电品质整流电 源常见的拓扑结构。 与两点式高供电品质整 流电源相比，三电 平高供电品质整流电源的主要优点在于:二是对于同样的基波和 1 皆 波要求，它的开关频率低得多，从而可以大幅度降低开关损耗:二是它适用于更 几一。 二 t ,二 一 r ,.,二 一 u .丛 几工 一 一-c一 一， 成 r-阮 。 -. 肠肠 图 3 一3三电平高供电品质整流电源 f ig u r e 3 - 3 t h re e - le v e l h ig h p o w e r s u p p ly q u a li t y r e c t if i e r 高的交、 直流侧电压等级。这两点都有利于加大变流机组的容量。不过三电平高供 电品质整流电源电路的缺点也显而易见，一方面其主电 路拓扑使用功率开关器件较 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 多，另一方面，它的控制也要比全桥电 路复杂，尤其需要解决中点电位平衡问题。 另外 ，还有三电平以上的高供电品质整流电源，鉴于其应用比较少，本论文不 再对其进行详细介绍。 3 . 2高供电品质整流电源的工作原理 我们通过一个单相桥式电路来说明高供电品质整流电 源的工作原理， 如图3 -i 所示的是单相高供电品质整流电 源的拓扑结构。从图中可以看出，通过 i g b t的反 并联续流二极管，可将电网交流电能整流为直流，供给中间储能回路或负载，而直 流电也可经 i g b t逆变为交流，反馈给电网。所以高供电品质整流电源的能量变换 或传递是 可逆的，这一点在要求再生制动的应用场合具有很大的优势，而能量传递 的总趋势，或者说高供电品 质整流电源工作在整流还是逆变工况与4个 i g b t的咏 宽调制方式有关。 参照 p wm 逆变 电路 的工作原理，按照正弦调制波和三角载波相 比较的方法对 图 3 -1中的 t ， 一兀进行 p wm 调制，就可以在桥臂 的交流侧产生一个正弦调制的 p w m 波 u .-0 b , u a b 中除了含有与正弦调制波同频4f且幅值成比例的基波分量外，一三 含有与三角载波有关的频率很高的谐波。 由于电感l : 的滤波作用， 这些高次谐波只 会使交流电流 i s 产生很小的脉动。如果忽略这种脉动，当正弦信号的频率和电源频 率相同时，i : 为频率与电网频率相同的正弦波。 若将 图 3 -1 所示的主电路简化为图3 -4所示的电路，对于电网电压和电流的 基波分量，下面的向量方程式成立: u， “1 1 a b ， + ( j w l : +r : ) i s l 3一 1 ， 其中0、 i 分 别 为电 网 电 压 和 交 流电 流 相 量 ( 即 电 感中 的 电 流) ， 0 1. ， 为 桥 臂 交 流 侧 p wm 波的基波分量。 图 3 一 4简化主电路 f i g u r e 3 - 4 s i m p l i f i e d ma i n cir c u i t 由 此 可知， 在电 网电 压一 定的 情况 下， i 的 幅 值和 相位 仅由 输入 端电 压基 波u .ab i 的 幅值及 其与电网电 压的 相位 差所决 定， 改变“ 切 。 的 幅值和 相位 就可以使二 和i 的 相位差为所需要的任意角度。图 3 - 5 中的向量图清晰地说明了 这一点。 华北电 力大学( 北京) 硕士学 位论文 图3 - 5 ( a ) 中几i 滞后口 ; 的 相 角为6 ,乙 和氏完全同 相位，电 路工 作在整 流 状 态，且功率因数为 1 。这是高供电品质整流电源的基本工作状态。 图3 - 5 ( b ) 中u a e , 超 前u : 的 相角 为5 , 元 和u 、 相 位正 好相 反， 电 路工 作 在逆变 状态，即实现了能量的反馈，且功率因数为一t o 图3 - 5 ( c ) 中 q ,a , 滞 后厅 ， 的 相角 为5 , 二 超前q , 9 0 度，电 路向 交流电 网 送出 无 功功率，这时高供电品质整流电源相当于一个无功功率发生器 c s v g) a 图 3 - 5 ( d ) 中 通过 对氏e 、 的 幅 值和相 位 控制，可 以 使二 比u超前或 滞后 任意角 度: 已0 1 u.一 u 山) 逆变运行 ( c ) s v g 运行 ( d ) 电流超前电压 任何角度运行 图 3 一5 高供电品质整流电源的向量图 f i g u re 3 - 5 v e c t o r d i a g r a m o f h i g h p o w e r s u p p l y q u a l it y r e c t i f i e r 三相桥式高供电品质整流电源的工作原理与单相桥式高供电品质整流电源的 工作原理完全相同。根据以上对单相高供电品质整流电源的分析，就可以 很清楚地 理解三相桥式高供电品质整流电源的工作原理。 3 . 3高供电品质整流电源的数学模型 图 3 -6 所示为三相电压型高供 电品质整流 电源的主电路拓扑结构图。图中 u 1 沪少 / t 一_-一 丰十 了卜一了 j:一了 ;j一 典 助 戎 “ 、 “ 叮1 : z j h1_ 一 -， ，n 寸 贡 一 寸 - 寸 u , b干 。 d c 甲气 一， 妇门， 片 一 一 t , ( r -, l7 t 一 r -,犷 t, . r 一 丫一 甲-从 一 i洲厂 二 j 图3 一 6三相电 压型高 供电品质整流电源主电路 拓扑 f i g u re 3 - 6 t o p o l o g y o f h i g h p o w e r s u p p ly q u a li t y r e c t if i e r 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 u ,b , u , 。 为电网电压，云 二 、ill i , 。 为交流输入电流，u .: u ,- b , u - 为整流电源桥臂中 点对 0 点的电压，偏 为直流母线电压 ，几为直流侧负载电流，图中 ， v 点对 0 点的电 压为 l o .乙 为交流侧电感，r , 为回路等效电阻，c为直流侧滤波电容，z . 为直流侧 负载等效阻抗。各电压电流量均为瞬时值，正方向如图 所示。 为 简化 起见先 做 如下 假设: ( 1 ) 交流三相电网为理想电 压源，即三相电网电压对称、稳定、内阻为零; ( 2 )三相回路等效电阻相等，均为 r , ，各相电感相等，均为 几; ( 3 )忽略开关器件的导通压降和开关损耗; ( 4 )忽略分布参数的影响。 3 . 3 . 1三相静止坐标系 ( a , b ,动 下的数学模型 定义高供电品质整流电源桥臂开关函数 s o , s , s , 为: s b _ l 1 l 0 桥臂上管导通，下管关断 桥臂上管关断，下管导通 ( k =a , b , c ) ( 3一 2) 取电网的中点为零电位。 根据基尔霍夫电 压定律， 对a , b , 。 三相有如下方程: fu ， 一 “ . i.,o + l ,. pi,+ “ 二 u . + u .v0 “ 一 “ “ 十 工 、 - p i,b “ 、 . u , 十 g r# u l u ., c = r , . i 二 十 l , - p i - + 又 叽 十 u v o ( 3一 3) 其中p 代 表微分 算子d /d t o 又根据基尔霍夫电 流定律， 可得 几 . p u *二 s o 瑞+ 凡 与十 s _ ， 气一 瓜 在三相平衡无中线系统中，有 ( 3一4) 一 十 一 十 u sl = 0 七 i - + i s b + i s , =u ( 3一5) 将方程组 ( 3 -3 )中的三式相加，可得: u x o 一s , + 玉 丛-u , ( 3一 6) 将式 ( 3 -6 ) 代入式 ( 3 一3 )中， 并结合式 ,:. 3 一4 ) ， 可得到三相静止坐标系下 高供电品质整流电源的数学模型表达式 二 一 、 i._ + l . -p i_ + s , -u , 一 s + s b + s u c3 rb 一 、 一i, + l , piae+今 u * -p i, + s , -u , - s ,粤+ s , u rm( 3一7) n.，._ _ _s. 十s . 十s _ _ 二k s i s 。 十 l s * p j .r c + 。 。( / 一t ) , flu|陌f|陌|匡、 c , p u * 二 s a i . 十 s b i .eh 十 s , l l 一 1 , _华 北 电 之 l ( a t s ) 主 * tt it - c 一 - 一 - 一 一 - 一 - 一 - - 一 一 用矩 阵形式表示 为 z p x= 几 k + u ( 3 一8 ) 其 中. ( 3一9) oooq ocu or乙 众0 z = 0 l ( 3一 1 0) d一dr 一一 p x - h sa + isb z, u . tr ( 3一 1 1 ) 一 0 a 一 一 。 l s 。 s 。 一s u t s h t 5 3 厂险曰、厂伙厂/队曰、 00-r又 一r s , + s , + s , s , + 凡 + 又 3 0 ( 3一 1 2) 。 一 iu =a i u sb ， 二 二 ，一 1 * t- i l f ( 3 一 1 3) 当 整流电源的开关频率远大于电网频率时，式 ( 3 -8 )中的开关函数又可以用 桥臂上管 p w m脉冲在一个控制周期 l t p w m )内的占空比d k ( k= a , b . c ) 代替， 则式 ( 3 -8 )中的系数矩阵 a变为: d _ +d , +d _ d 。 一. j ( 3一 1 4) /十t、/1、1.、产!、 一一一 or r0 一 尸lesesesesll 一一 a 峨风 o峨 0此 1之、j 从而得到一个 p w m 控制周期内的平均数学模型。当 p wm控制周期趋于零， 即整流电源开关器件的开关频率趋向于无穷时， 得到整流电 源的连续数学模型。 3 . 3 . 2两相静止坐标系 ( a ,甲 下的数学模型 采用坐标变换， 可以得到高供电品质整流电 源在两相静止坐标系( a , p ) 下的数 学 模型。 采 用等 效功率 变换 方式， 变 换 矩阵几 $la b 。 为: 华北电力大学( 北 京) 硕七 学位论文 t o /a b c = 2 万 2 ( 3一 1 5) 二2万一2 213 几 0/a b 。 称为3 (2 变换 矩阵。 对 式 ( 3 - 8 ) 进行3 / 2 变 换， 可得到 ( a . 扔 坐标系 下 整流电源的数学模型表达式 z p x “a x +u ( 3 一1 6 ) 其山 z = d ia g l , , l , , c , x = 一 r , lia ， 、刀 ， 。 * 了 又 3一 上 8 ，ij.月!jj 口召 ddo we- or/叨 (-。d 0da a 二 r 3一 1 9、 u 陈 u s d - i d o . 3一2 0少 lu 。u ， r = t au ; ae,. u 。 :， * :、 r l,. lar r = t u i a, - :。 、 。 了 凤 d # 犷 = t a v , ab , d a d ,利r 在。 一r 坐标系下定义如下合成矢量; 电网 电 压空间 矢 量反: 认= u sa + j u s,3 电 网 输入电 流 空间 矢 量入 : ( 3一21 ) ( 3一2 2) 3一2 3) i : 二几 。 十 j i s o 开 关函数矢量d: d= 心+ j d f, 整流电 源桥臂中点电压矢量久: 9 ， =d - u , 华北电力大学( 北 京) 硕士学位论文 以上各式中 l为虚数单位。在( a , r ) 坐标系下矢量表示的整流电 源数学模型表达式 为: l , p l , + r sl s = - u , + u s c d p u d e = d- 1 ， 一 1 , ( 3- 1- 4) 用 压 、p 轴分量表示为: : . a . + r ,. 、 。 = - u , - d ., + 一 l工 p t , ， 十 r , i , ,r = - u , d 。 十 u *( 3 - 2 5 ) i c :, . p u = 母 i 。 . d . 十 i * d o ) 一 1 , (“一2 。 根据式 ( 3 -2 5 )画出两相静止坐标系下高供电品质整流电源 的数学模型如图 3 一7 所示。 图3 一 了 两相静止坐标系下高 供电品质整流电源数学模型 f i g u r e 3 - 7 m a t h e m a t i c a l m o d e l in g o f h i g h p o w e r s u p p ly q u a l i t y r e c t i fi e r in s t a t io n a r v co o r d i n a t e s 13 . 3两相旋转坐标系 ( d , q ) 下的数学模型 在图 3 -8 中，( d , q ) 坐标系以电网电压角频率 。旋转，则将( a , r ) 坐标系中的 图 3 一 8坐标变换 f ig u r e 3 - 8 c o o r d i n a te s t r a n s f o r m * i t 曳 ) j 学 (北 京 ) 硕 士 学 位 论 文 量变换到( d , . 4 ) 坐标系，变换表达式为 ( 3一2 6) 式中，矩阵 一:一 cos o t sin wt- sin o)t cosoit11011 i cosa sin ot- sinoit cosa 称为 p a r k变换矩阵。把式 ( 3 -2 4 )所表示的静止 坐标系下的数学模型表达式经 过式 ( 3 -2 6 )的坐标变换得到旋转坐标系下矢量表示的数学模型表达式，如式 (3 一2 7 )所示 l ,p l , + j w l 1 , 十 r , i , 一 + 厅 万 c , p u * 二 d r - i ,. 一 i , 其中变量的右上标 。 表示该变量是旋转坐标系中的变量。 3一2 7) 用旋转坐标系( d , 9 ) 轴分量表示的高供电品质整流电源数学模型表达式如式 ( 3 一2 8 )所示。 l .,. - p i., + r ., 偏十 毗， 喃= - u , - d y + u .,4 l , - p i、 十 r ., 场一 诞: 偏二 一 u ,