第5章 PWM整流电路

1、1 5.1 5.1 概述概述 5.4 5.4 电压型单相桥式电压型单相桥式PWMPWM整流电路整流电路 5.5 5.5 电压型三相桥式电压型三相桥式PWMPWM整流电路整流电路第第5 5章章 PWMPWM整流电路整流电路2 5.1.1 5.1.1 整流电路的理想状态整流电路的理想状态 5.1.2 5.1.2 传统整流电路存在的问题传统整流电路存在的问题 5.1.3 PWM 5.1.3 PWM整流电路的分类整流电路的分类 5.1 5.1 概述概述35.1.1 5.1.1 整流电路的理想状态整流电路的理想状态IIII/1111coscos2.2.输出电压输出电压u u0 0UU0 0( (电压型电

2、压型) )或输出电流或输出电流i i0 0II0 0( (电流型电流型) )3.3.具有双向传递电能的能力具有双向传递电能的能力4.4.能实现输出电压的快速调节以保证系统有良好的动态性能能实现输出电压的快速调节以保证系统有良好的动态性能5.5.具有较高的功率密度具有较高的功率密度6.6.整流电路无内耗，即电路中所有元器件均无损耗整流电路无内耗，即电路中所有元器件均无损耗（5-7）222211111THDIIIIInn1.1.网侧功率因数网侧功率因数=1=1其中：其中：为电流正弦因数为电流正弦因数1cos为基波位移因数为基波位移因数 所以：所有网侧功率因数校正技术（所以：所有网侧功率因数校正技术

3、（PFCPower Factor Correction） 是围绕网侧电流正弦化和等效电阻线性化展开的。是围绕网侧电流正弦化和等效电阻线性化展开的。45.1.2 5.1.2 传统整流电路存在的问题传统整流电路存在的问题1.1.网侧功率因数低网侧功率因数低coscos1（5-15）相控整流电路：相控整流电路：不控整流电路加电容滤波：不控整流电路加电容滤波：7 . 06 . 0图5-1具有电容输入滤波的单相不控整流电路a)电路结构b)电量波形55.1.2 5.1.2 传统整流电路存在的问题传统整流电路存在的问题2 2. .谐波电流对电网的危害谐波电流对电网的危害 使网侧功率因数下降，降低发电、输电及

4、用电设备的效率。使网侧功率因数下降，降低发电、输电及用电设备的效率。 使线路阻抗产生谐波压降，导致原为正弦的网压也产生畸变。使线路阻抗产生谐波压降，导致原为正弦的网压也产生畸变。 影响用电设备的正常工作。影响用电设备的正常工作。 导致继电保护和自动装置的误动作。导致继电保护和自动装置的误动作。 对通信系统造成干扰。对通信系统造成干扰。 3 , 2, 116asin1) 1(32sin3213sin13111sin1117sin715sin51sin32kknkdddtnnItItttttIi3 3. .难于实现快速调节难于实现快速调节5.1.3 PWM5.1.3 PWM整流电路的分类整流电路的

5、分类PWMPWM整流整流电路电路按电网相数按电网相数按工作范围按工作范围按输出滤波按输出滤波按器件开关方式按器件开关方式桥式电路（全桥、半桥）桥式电路（全桥、半桥）复合电路复合电路电压型电路电压型电路电流型电路电流型电路硬开关电路硬开关电路软开关电路软开关电路按输出电压按输出电压低压电路低压电路中高压电路中高压电路单相电路单相电路三相电路三相电路按主电路结构按主电路结构按输入输出间耦合方式按输入输出间耦合方式直耦式电路直耦式电路磁耦式电路磁耦式电路单象限电路单象限电路多象限电路多象限电路5.45.4电压型单相桥式电压型单相桥式PWMPWM整流电路整流电路5.4.15.4.1电压型单相桥式电压型

6、单相桥式PWMPWM整流电路的理想状态整流电路的理想状态5.4.25.4.2网侧功率因数网侧功率因数=1=1时的电路分析时的电路分析5.4.35.4.3输出电压输出电压U U0 0的调节的调节5.4.45.4.4网侧功率因数网侧功率因数=-1=-1时的电路分析时的电路分析5.4.55.4.5电路的控制电路的控制5.4.15.4.1电压型单相桥式电压型单相桥式PWMPWM整流电路的理想状态整流电路的理想状态图5-12单相电压型PWM整流电路a)全桥式结构主电路b)等效电路c)半桥式结构主电路d)工作模式0000sinsiniUiutIiUutUuNSNmNNmN理想条件：理想条件：01 3001

7、234024()0()()osoUS SuS SSUS S)、(S据图据图5-125-12得：得：（）（）（）（5-79）5.4.15.4.1电压型单相桥式电压型单相桥式PWMPWM整流电路的理想状态整流电路的理想状态但但: :电路正常工作需要电路正常工作需要L LN N （包括外接电抗器和交流电源内部电感）（包括外接电抗器和交流电源内部电感） 起平衡电压的作用。起平衡电压的作用。忽略忽略L LN N和交流电源的内阻，即和交流电源的内阻，即rN N =0=0。图5-13单相PWM整流电路入端电量矢量图a）rN=0,1=0 b） rN=0,1= 则有：则有：若若L LN N =0=0，则：，则：

8、（5-78）)2cos1 (sin020000tItUIUiiUiuuuNmNmNNNS5.4.15.4.1电压型单相桥式电压型单相桥式PWMPWM整流电路的理想状态整流电路的理想状态（5-85）于是：于是：)2cos()2cos(cos2sin)sin(000101010tIItUIUttUIUUiuiLkNmSNmSNS（5-86）式中：式中：010002cosUIUIIINmSLLk（5-87）NNNNNUILRLarctanarctan图中：图中：)sin(11tUumSS（5-82）（5-84）5.4.5.4.2 2网侧功率因数网侧功率因数=1=1时的电路分析时的电路分析1.电路的工

9、作模式电路的工作模式图5-14不同工作模式下的等效电路(=1)a)、b)工作模式c)、e)工作模式d)、f)工作模式（1 1）电源沿）电源沿L LN N短路（如图短路（如图5-14a5-14a和和b b），电感），电感L LN N处于储能状态，负载电流处于储能状态，负载电流 由由Co o维持。维持。（2 2）电源和）电源和L LN N向负载供电（如图向负载供电（如图5-14c5-14c和和d d）。）。（3 3）负载和电源向）负载和电源向L LN N馈电（如图馈电（如图5-14e5-14e和和f f）。）。5.4.5.4.2 2网侧功率因数网侧功率因数=1=1时的电路分析时的电路分析2. =1

10、时电路工作过程分析时电路工作过程分析图5-15=1时电路的电量波形5.4.5.4.2 2网侧功率因数网侧功率因数=1=1时的电路分析时的电路分析2. =1时电路工作过程分析时电路工作过程分析图5-15=1时电路的电量波形（）（）（）（5-79）)sin()sin(sin,sin11tUutUutIitUugmgmSSNmNNmN（5-88）（5-89）（5-90）01 3001234024()0()()osoUS SuS SSUS S)、(S5.4.5.4.2 2网侧功率因数网侧功率因数=1=1时的电路分析时的电路分析00UuUuuuNNNL（）（）（）（5-92）00sin1(sin)01(

11、sin)0NmNNLNmNNNmNUtLdiuUt UdtLLUt UL（）（）（）（5-91）5.4.5.4.2 2网侧功率因数网侧功率因数=1=1时的电路分析时的电路分析3.输出电流输出电流i0的分析的分析)(0)0(0000cccSTtDTDTtUu（5-93）2/00cccTTTD其中：其中：当当 时时)sin(tUugmg)sin()(tKtDD如图，如图，i0的占空比与的占空比与us是相同的。是相同的。5.4.5.4.2 2网侧功率因数网侧功率因数=1=1时的电路分析时的电路分析00(0)()SNSouiiuU（5-96）cos)2cos(1cos2sin)sin(sin)(sin

12、1100000000tIKttIKtItDtdtITdtiTiNmDNmDNmTDNmcTccc（5-97）（5-95）00(0)()SNSouiiuU5.4.35.4.3输出电压输出电压U U0 0的调节的调节)sin()sin()(1000000tmUtUUUUtDdtuTugmTcmScSc（5-98）)sin(11tUuumSSS（5-100）0101,UUmmUUmSmS或（5-101）cos,cos11mSNmNmmSUUUU或（5-102）故有：故有：又有：又有：所以：所以：cos20mUUN（5-103）由于由于 ，故有：，故有：1cosm20NUU（5-104）5.4.35.

13、4.3输出电压输出电压U U0 0的调节的调节图5-16外扰作用下电量的矢量关系(a)(a)负载电阻负载电阻R R0 0变化时的稳压分析变化时的稳压分析coscos0110一定一定UmmUUIRRmsLNN(b)(b)网压网压u uN N变化时的稳压分析变化时的稳压分析coscos011一定URIUUmmUNNLmsN5.4.4网侧功率因数=-1时的电路分析图5-17=-1时电路的电量波形图5-18不同工作模式的等效电路(=-1)a)、b)工作模式c)、f)工作模式e)、d)工作模式（1 1）电源沿）电源沿L LN N短路（如图短路（如图5-18a5-18a和和b b），），电感电感L LN

14、N储能向电网反馈。储能向电网反馈。（2 2）有源负载的储能向电网和）有源负载的储能向电网和L LN N转移转移（如图（如图5-14c5-14c和和d d）。）。（3 3）L LN N中的储能同时向负载和电网转中的储能同时向负载和电网转移（如图移（如图5-14e5-14e和和f f）。）。5.4.5电路的控制图5-19采用间接电流控制策略的PWM整流电路1直流给定电压2直流输出电压检测 3交流输入电压检测4电压调节器5移相器6电压变换7标量乘法器8矢量加法器 9PWM比较器10载波发生器11控制门 12保护电路13脉冲分配器14驱动电路NmmLmLNmmsUUUUU12121arctan(5-1

15、15)(5-115)(5-116)(5-116)cos一定一定cos01100UmmUUUUURmsmLef5.4.5电路的控制图5-20采用直接电流控制策略的PWM整流电路1直流给定电压2直流输出电压检测3交流电流检测4电压调节器5交流电压检测6驱动电路7标量乘法器8电流调节器9PWM比较器10载波发生器3.7 3.7 逆变电路的控制逆变电路的控制图3-30采用电流滞环跟踪控制方式的逆变电路a)电路结构b)等效电路c)普通比较器的控制特性d)滞环比较器的控制特性1正弦电流给定2滞环比较器3锁存器4驱动电路1、电流滞环跟踪控制、电流滞环跟踪控制5.5电压型三相桥式PWM整流电路5.5.1电路工

16、作原理分析5.5.2电路的控制5.5.3输出直流电压的估算5.5.15.5.1电路工作原理分析电路工作原理分析图5-21电压型三相半桥式PWM整流电路NNcNbNaLLLL)32sin()32sin(sin000tUutUutUuNmCNmBNmA（5-119）（5-120）5.5.15.5.1电路工作原理分析电路工作原理分析图5-22=1时三相电压型PWM整流电路电量波形1.控制极信号的时序分布控制极信号的时序分布)32sin()32sin()sin(tUutUutUugmgcgmgbgmga（5-121）NNRLarctan（5-122）10AANIUR （5-123）8 . 0cmgmU

17、Um3gcffK5.5.15.5.1电路工作原理分析电路工作原理分析2.桥侧线电压波形分析桥侧线电压波形分析060030004001002/2/2/2/SUSUuSUSUuba（5-125）00baabuuu（5-124）如图如图5-22c5-22c如图如图5-22d5-22d，为一单极性，为一单极性SPWMSPWM波波3.桥侧相电压波形分析桥侧相电压波形分析cbaNNNUKu,00（5-126）cbaNcbaNNSSSSK,)3(（5-127）6 , 4 , 205 , 3 , 1001jjiiNKKS（5-128）5.5.15.5.1电路工作原理分析电路工作原理分析)sin(01tUuam

18、a可见：可见：1 1）u ua01a01与与a a相调制信号相调制信号u ugmgm同相位，即：同相位，即：（5-129）2 2）u ua0a0与与u uA0A0无论在相位和波形上均有较大差别，为了平衡电路无论在相位和波形上均有较大差别，为了平衡电路 电压，输入电感电压，输入电感L LN N是必不可少的。是必不可少的。000sinUKtUuudtdiLuaNmaAANaLa（5-130）)3(cbaaaSSSSK式中式中3 3）各相输入电流的变率为时变值，即：）各相输入电流的变率为时变值，即：)sin(10UKtULdtdiaNmNaA（5-131）5.5.15.5.1电路工作原理分析电路工作

19、原理分析4.电路的工作模式电路的工作模式图5-23三相电压型PWM整流电路的工作模式a）模式M1 （3D0T） b）模式M3 （1D2T） c)模式M2（2D1T) d）模式M4（1D2T) 5.5.15.5.1电路工作原理分析电路工作原理分析5.输入电感输入电感L LN N的选择的选择)sin(0UKtULTiaNmNcA（5-132）)32(0UULTiNmNcAm（5-133）cAmANfIUUL3/2200（5-134）L LN N的下限值。设计时取的下限值。设计时取amAmII2 . 0由：由：得：得：由：由：NccAmcALUTTITi3)sin(0得：得：)sin(30cAmcN

20、TITUL（5-135）L LN N的上限值。的上限值。5.5.25.5.2电路的控制电路的控制1.标量乘法器方案标量乘法器方案图5-24含标量乘法器的三相PWM整流电路控制结构图1电压给定2电压调节器3输出直流电压检测4输入交流电压检测5交流电流检测6标量乘法器7电流调节器8控制门9保护电路10载波发生器11SPWM信号生成和处理器5.5.25.5.2电路的控制电路的控制图5-25采用矢量控制方案的三相PWM整流电路控制结构图1电压给定2电压调节器3电流调节器4三角函数运算5同步电路6三相/二相坐标变换7二相/三相坐标变换8输出直流电压检测9PWM信号生成10载波发生器11基波相移角给定2.

21、矢量控制方案矢量控制方案) 3/4cos() 3/2cos(cos000tUutUutUumCmBmA)3/4cos()3/2cos()cos(111tUitUitUimCmBmA（5-137）（5-138）tjmCBANeUuauauU)(320200（5-139）（5-141）（5-139）（5-142）)(2)(32tjmCBANeIiaiaiI5.5.25.5.2电路的控制电路的控制 这一方案的确切名称是基于这一方案的确切名称是基于d-qd-q轴的矢量控制方案。轴的矢量控制方案。d-qd-q轴是轴是一种以指一种以指定速度转动的二相旋转坐标系。定速度转动的二相旋转坐标系。 关于坐标变换始

22、于交流电动机调速系统中的矢量控制方案，其基本关于坐标变换始于交流电动机调速系统中的矢量控制方案，其基本思想是：按照产生同样旋转磁场这一等效原则，通过数学上的坐标变换，思想是：按照产生同样旋转磁场这一等效原则，通过数学上的坐标变换，把三相交流电动机的定子电流分解为两个独立分量，一个是用来产生旋转把三相交流电动机的定子电流分解为两个独立分量，一个是用来产生旋转磁动势的励磁分量磁动势的励磁分量 ，另一个是用来产生电磁转矩的转矩分量，另一个是用来产生电磁转矩的转矩分量 。 miti5.5.25.5.2电路的控制电路的控制图5-26三相PWM整流等效电路及矢量图a)基波等效电路b) ? 0的矢量图tan

23、sincosdmqmdIIIII（5-143,150）（5-144,5-145,151）说明：当说明：当? =9=90 0 时，电路被称为静止无功功率发生器（时，电路被称为静止无功功率发生器（SVGSVG Static Var Generator Static Var Generator），又称静止同步补偿器），又称静止同步补偿器 （STATCOMStatic Synchronous CompensatorSTATCOMStatic Synchronous Compensator）。）。NdmsqsmsdsXIUUUUsincos（5-148）（5-149）dqsdsqIIUUarctanar

24、ctan（5-154）（5-155）NqsdLdsdmNNsLsNXIUUUUXI jUUUU111（5-157）（5-158）5.5.35.5.3输出直流电压的估算输出直流电压的估算?=0（整流运行）时，输出电压（整流运行）时，输出电压U0的估算：的估算：0au为双极性为双极性SPWMSPWM波，则：波，则：)sin(2221)(21000000tmUuUUUtDdtuTugacmTacac（5-164）由平均值模型分析法得：由平均值模型分析法得：100aauu（5-162）又又 ，而，而 无基波分量，则：无基波分量，则：0000uuuaa00 u)sin(0110tUuusmaa（5-16

25、5）所以所以1, 102mKsmmUUcos2cosNNmsmUUU又又 ，则：，则：1, 10cos22mKNmUU（5-167）应用举例应用举例1、轻型高压直流输电、轻型高压直流输电2、风力发电、风力发电应用举例应用举例3、柔性交流输电、柔性交流输电iL=iL.p+iL.qiS=iL.piC=iL.quaubuc驱动电路PWM信号DSTATCOM用电负荷PWM发生器调节器IL.qIC负荷无功电流计算iL.abcuabc+-PLLwtSVGSVG（或（或STATCOMSTATCOM）应用举例应用举例控 制测量变量参数设置变流器1变流器2并联变压器串联变压器acacURefZRefsRefQRefIUsUpqU+UpqUdc统一潮流控制器（统一潮流控制器（UPFCUnifi