第6章(3)：高频PWM整流器32ppt.ppt

现代电力电子技术第6章 3 高频PWM整流器主讲申群太 第6章 3 高频PWM整流器1 含有源功率因数校正的单相整流器1 1谐波电流的危害及改善措施 1 单相整流器是应用极为广泛的一种电力电子变换器 其电路有两点 单相不控制整流电路 单相可控制整流电路图5 30 其主要缺点 输入交流电流is波形严重畸变 呈脉冲状 2 谐波电流对电网有严重的危害作用 谐波电流流过线路阻抗造成谐波电压降 使电网电压发生畸变 谐波电流使线路和配电变压器发热 损坏电器设备 谐波电流会引起电网LC谐振 相控整流谐波电流使交流输入端功率因数下降 功耗加大 效率降低 3 改善措施 附加无源滤波器 在整流器和电容之间串入一个滤波电感 减小电流脉冲成份 在交流侧并联接入谐振滤波器 使ic的谐波电流经LC谐波器滤掉而不进入交流电源 无源LC滤波器优点 简单 成本低 可靠性高 电磁干扰EMI小 缺点 体积 重量大 难以得到高功率因数 工作性能与频率 负载变化及输入电压变化有关 电感与电容间有较大的充放电电流 并可能引发电路L C谐振 附加有源功率因数校正器或采用高频PWM整流 在整流器和电容之间接入一个DC DC开关变换器 应用电流反馈技术 使输入端电流is波形跟踪交流输入正弦电压波形 可以使is接近正弦并与vs同相 使输入端总谐波畸变率THD小于5 功率因数可提高到0 99或更高 优点 体积小 重量小 输出电压也可以保持恒定 或调控为指令值 缺点 电能只能从交流电源流向直流侧负载应用 AC DC开关电源 交流不间断电源 UPS 荧光电子镇流器及其他电子仪器中 1 2含Boost型功率因数校正器的高频整流器 1 结构原理 图5 31 a 电路 主电路 由单相桥式不控整流器和DC DCBoost变换器组成 控制电路 由电压误差放大器VA 电流误差放大器CA 乘法器和驱动器组成 图5 31 a 电路 2 APFC的工作原理 外环电压闭环控制 自动保持输出电压V0恒定为指令值 内环电流闭环控制 自动调节电流ic is跟踪指值ir ir K vdc Kvs K为电压放大器的输出量其波形与交流电压vs相同即指令电流值ir是与交流电源vs同相位的正弦波 所以输入电流is iL 的波形与交流电源电压vs的波形同相 输入端功率因素接近于1 波形分析 输入电流被高频PWM调制 使脉冲波形调制成接近正弦波 图5 31 b 输入iL iS波形和输入电压vdc vs波形 3 APFC的主要优点 输入电流连续 电磁干扰EMI小 无线电频率干扰RFI低 有输入电感L 可减少对输入滤波器的要求 并可防止电网对主电路高频瞬态冲击 开关器件T的电压不超过输出电压值 容易驱动开关器件 其参数端点的电位为OV 缺点 输入输出间无绝缘 1 3带反馈式功率因数校正器的高频整流器 1 原理结构 图5 32 反激电路中的变压器起着储能元件的作用控制电路 电压闭环控制 电压调节器VA为PI 输出值为 V PWM形成电路根据 V的大小产生脉变宽驱动信号 2 工作原理 当开关管T导通 i1由零上升到ip 电感储能 变压器二次侧二极管阻断 i0 0 当开关管T截止 i1 0 D导通 i2 i0向电容充电 并向负载供电 i2线性下降至零 电感L2释放磁能 T的驱动由PWM形成电路产生 输出电压由VA构成电压闭环控制自动维持恒定 电流峰值ip的大小与开关导通时间ton和直流电压瞬时值vdc vs的乘积成正比 is与vs瞬时值成正比 由脉动频率很高 峰值ip及其平均值都正比于该瞬间的正弦电压瞬值 经较小的L C滤波后则is变为与电源电压vs同相的正弦电流is 结论 前述单相PWM整流器 有功率因数校正 无能量回馈工作2 三相高频PWM整流2 1能量可回馈的高频PWM整流电路 1 能量可回馈PWM整器电路的特点 整流器采用全控型半导体开关器件 可控输入电流为正弦 且与输入电压同相位 功率因数近似为1 也可以为任意值 可实现交直流侧的双向能量流动 2 PWM整流器拓朴结构 单相半桥电压型PWM整流器 单相全桥电压型PWM整流器升压型图 5 33图 5 34 三相电压型PWM整流器 三相电流型PWM整流器 降压型 图5 35图5 36 由于输出电感的存在 没有桥臂直通过流和输出缺路的问题 电流型整流器通常要经过LC滤波器再和电网联接 直流侧的平波电感和交流侧LC滤波器的重量 体积都比较大 电流型PWM整流器应用不广泛的原因 电流型整流器输出电感的体积 重量和损耗比较大 常用的现代全控器件IGBT P MOSFET都是有反并联二极管反向自然导通的开关器件 为防止电流反方向流动而必须再串联一个二极管 因此 主电路构成不方便 且通态损耗大 2 2交流直流双向变换器工作原理 1 三相大功率相控整流器主要缺点 对公用交流电网产生大量谐波电流并在电网中引起谐波电压 深控状态 角大VD低 时 整流装置的功率因数随 的减小急剧减小 2 理想的交流直流双向变换器特点 输出直流电压平稳且可以迅速地调节控制 输入的交流电源电流波形正弦化 输入的交流电流的功率因数可控制为任意指令值 交流 直流之间的功率流向可以是双向可控的 即可实现整流 也可实现逆变 变换器无损耗 3 工作原理图5 37 a 式中 Vs为交流电源相电压有效值Is是交流电源流入双向变换器的电流有效值 变换器交流输入端交流相电压为则理想的三相桥变换器交流侧相电压应是 则电压 电流矢量关系为 PWM整流电路的运行方式相量图 图5 37 b 图5 37 C 由此可知 定义 结论 2 3三相电压型高频PWM整流控制系统图5 38 a 电路图5 38 d 控制系统原理图 1 工作原理分析 设三相电压型变换器T1 T6SPWM控制的调制参考波频率fr等于交流电源vsa vsb vsb的频率fs 则via vib vic中的基波频率f1就是交流电源频率fs 而谐波频率由高频载波频率fc决定 图5 38基波等值电路见 b 谐波等值电路 c 故只要对T1 T6进行SPWM控制 控制变压器交流侧各相SPWM脉波电压via vib vic 即控制矢量 2 控制过程分析 整流电压VD的控制 引入电压V0的负反馈 形成电压反馈闭环控制 自动调节输出直流电压V0为要求值 电压调节器采用PI 电压调节器的输出作为有功电流指令值根据要求的功率因数 计算可得 令相位角为 的电压Vi为三相SPWM调制正弦参考电压产生6个开关器件的通断信号 输出所需的交流电压 图5 30AC DC整流电路 图5 31 a 电路 图5 31 b 输入iL is波形和输入电压vdc vs波形 图5 32带反激式功率校正器环节的高频整流器 图5 33单相半波整流