第6章3高頻PWM整流器32PPT演示課件

1、1 現(xiàn)代電力電子技術(shù)現(xiàn)代電力電子技術(shù)第第6 6章（章（3 3） 高頻高頻pwmpwm整流器整流器主講申群太主講申群太2 第第6 6章（章（3 3） 高頻高頻pwmpwm整流器整流器1 1、含有源功率因數(shù)校正的單相整流器、含有源功率因數(shù)校正的單相整流器1 1、1 1 諧波電流的危害及改善措施諧波電流的危害及改善措施（1 1）單相整流器是應(yīng)用極為廣泛的一種電力電子）單相整流器是應(yīng)用極為廣泛的一種電力電子 變換器。變換器。 其電路有兩點(diǎn)：其電路有兩點(diǎn)：?jiǎn)蜗嗖豢刂普麟娐穯蜗嗖豢刂普麟娐穯蜗嗫煽刂普麟娐穯蜗嗫煽刂普麟娐穲D圖5-305-30+-svsi+dvsisvtsiosv3其主要缺點(diǎn)：其主要

2、缺點(diǎn)：輸入交流電流輸入交流電流i is s波形嚴(yán)重畸變，呈脈沖狀波形嚴(yán)重畸變，呈脈沖狀 。（2 2）諧波電流對(duì)電網(wǎng)有嚴(yán)重的危害作用：）諧波電流對(duì)電網(wǎng)有嚴(yán)重的危害作用：諧波電流流過線路阻抗造成諧波電壓降，使電諧波電流流過線路阻抗造成諧波電壓降，使電網(wǎng)電壓發(fā)生畸變。網(wǎng)電壓發(fā)生畸變。 諧波電流使線路和配電變壓器發(fā)熱，損壞電器諧波電流使線路和配電變壓器發(fā)熱，損壞電器設(shè)備。設(shè)備。 諧波電流會(huì)引起電網(wǎng)諧波電流會(huì)引起電網(wǎng)lclc諧振。諧振。 相控整流諧波電流使交流輸入端功率因數(shù)下降，相控整流諧波電流使交流輸入端功率因數(shù)下降，功耗加大，效率降低。功耗加大，效率降低。4 （3）改善措施：）改善措施：附加無源濾波

3、器附加無源濾波器在整流器和電容之間串入一個(gè)濾波電感，減小在整流器和電容之間串入一個(gè)濾波電感，減小電流脈沖成份。電流脈沖成份。 在交流側(cè)并聯(lián)接入諧振濾波器，使在交流側(cè)并聯(lián)接入諧振濾波器，使i ic c的諧波電流的諧波電流經(jīng)經(jīng)lclc諧波器濾掉而不進(jìn)入交流電源。諧波器濾掉而不進(jìn)入交流電源。 無源無源lclc濾波器優(yōu)點(diǎn)：濾波器優(yōu)點(diǎn)： 簡(jiǎn)單簡(jiǎn)單 成本低成本低 可靠性高可靠性高 電磁干擾電磁干擾emiemi小小 5 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：體積、重量大體積、重量大 難以得到高功率因數(shù)難以得到高功率因數(shù) 工作性能與頻率，負(fù)載變化及輸入電壓變化有工作性能與頻率，負(fù)載變化及輸入電壓變化有關(guān)關(guān)電感與電容間有較大的充放電電流

4、，并可能引電感與電容間有較大的充放電電流，并可能引發(fā)電路發(fā)電路l l、c c諧振。諧振。附加有源功率因數(shù)校正器或采用高頻附加有源功率因數(shù)校正器或采用高頻pwmpwm整流整流在整流器和電容之間接入一個(gè)在整流器和電容之間接入一個(gè)dc-dcdc-dc開關(guān)變換器，開關(guān)變換器，應(yīng)用電流反饋技術(shù)，使輸入端電流應(yīng)用電流反饋技術(shù)，使輸入端電流i is s波形跟蹤交波形跟蹤交流輸入正弦電壓波形，可以使流輸入正弦電壓波形，可以使i is s接近正弦并與接近正弦并與v vs s同相。使輸入端總諧波畸變率同相。使輸入端總諧波畸變率thdthd小于小于5%5%，功率，功率因數(shù)可提高到因數(shù)可提高到0.990.99或更高。

5、或更高。6 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：體積小、重量小；體積小、重量?。惠敵鲭妷阂部梢员３趾愣?，或調(diào)控為指令值。輸出電壓也可以保持恒定，或調(diào)控為指令值。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：電能只能從交流電源流向直流側(cè)負(fù)載電能只能從交流電源流向直流側(cè)負(fù)載 應(yīng)用：應(yīng)用：ac-dcac-dc開關(guān)電源，交流不間斷電源（開關(guān)電源，交流不間斷電源（upsups），熒），熒光電子鎮(zhèn)流器及其他電子儀器中。光電子鎮(zhèn)流器及其他電子儀器中。7 1、2 含含boost型功率因數(shù)校正器的高頻整流器型功率因數(shù)校正器的高頻整流器（1）結(jié)構(gòu)原理：）結(jié)構(gòu)原理：圖圖5-31（a)電路電路主電路：由單相橋式不控整流器和主電路：由單相橋式不控整流器和dc-dcdc-dc

6、boost變換器組成。變換器組成?？刂齐娐罚河呻妷赫`差放大器控制電路：由電壓誤差放大器vava，電流誤差放，電流誤差放大器大器caca，乘法器和驅(qū)動(dòng)器組成。，乘法器和驅(qū)動(dòng)器組成。驅(qū)動(dòng)器乘法器-+-+liddcvsisvlillitit+_ovoiov*ovvacadcrvkik+_8 圖圖5-31（a) )電路電路（2 2）apfcapfc的工作原理的工作原理外環(huán)電壓閉環(huán)控制：自動(dòng)保持輸出電壓外環(huán)電壓閉環(huán)控制：自動(dòng)保持輸出電壓v v0 0恒定為恒定為指令值指令值 內(nèi)環(huán)電流閉環(huán)控制：自動(dòng)調(diào)節(jié)電流內(nèi)環(huán)電流閉環(huán)控制：自動(dòng)調(diào)節(jié)電流i ic c= i= is s 跟蹤跟蹤 指值指值i ir r 驅(qū)動(dòng)器乘

7、法器-+-+liddcvsisvlillitit+_ovoiov*ovvacadcrvkik+_9 i ir r=k=k. .v vdcdc=k v=k vs s k k為電壓放大器的輸出量為電壓放大器的輸出量其波形與交流電壓其波形與交流電壓 v vs s 相同相同即指令電流值即指令電流值i ir r是與交流電源是與交流電源v vs s 同相位的正弦波同相位的正弦波所以輸入電流所以輸入電流i is s(i(il l) )的波形與交流電源電壓的波形與交流電源電壓v vs s的的波形同相，輸入端功率因素接近于波形同相，輸入端功率因素接近于1 1。00000vvkvvkvk 0減小時(shí)增加 當(dāng)v保持不

8、變10 波形分析：波形分析： 輸入電流被高頻輸入電流被高頻pwmpwm調(diào)制，使脈沖波形調(diào)制成接調(diào)制，使脈沖波形調(diào)制成接近正弦波。近正弦波。 圖圖5-31(b) 輸入輸入il、is波形和輸入電壓波形和輸入電壓vdc、vs波形波形000sltsltiiitiii0t當(dāng) 導(dǎo)通時(shí) i當(dāng) 截止時(shí) isdcvvsdcvvlilisvlsii tioisloiiisltiiisvsisisvt11 （3 3）apfcapfc的主要優(yōu)點(diǎn)：的主要優(yōu)點(diǎn)：輸入電流連續(xù)，電磁干擾輸入電流連續(xù)，電磁干擾emiemi小，無線電頻率干小，無線電頻率干擾擾rfirfi低；低； 有輸入電感有輸入電感l(wèi) l，可減少對(duì)輸入濾波器的

9、要求，并，可減少對(duì)輸入濾波器的要求，并可防止電網(wǎng)對(duì)主電路高頻瞬態(tài)沖擊?？煞乐闺娋W(wǎng)對(duì)主電路高頻瞬態(tài)沖擊。 開關(guān)器件開關(guān)器件t t的電壓不超過輸出電壓值；的電壓不超過輸出電壓值； 容易驅(qū)動(dòng)開關(guān)器件，其參數(shù)端點(diǎn)的電位為容易驅(qū)動(dòng)開關(guān)器件，其參數(shù)端點(diǎn)的電位為ovov12 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：輸入輸出間無絕緣。輸入輸出間無絕緣。1 1、3 3 帶反饋式功率因數(shù)校正器的高頻整流器帶反饋式功率因數(shù)校正器的高頻整流器 （1 1）原理結(jié)構(gòu)：圖）原理結(jié)構(gòu)：圖5-325-32pwm形成-+dcvsidcv1i+-+1l*+-2ldoiovcov*ovvvadvdct+-2ioisi1ipis=i1平均值ipi1平均值is=|

10、i1|平均值d. .ts13 反激電路中的變壓器起著儲(chǔ)能元件的作用反激電路中的變壓器起著儲(chǔ)能元件的作用 控制電路：控制電路：電壓閉環(huán)控制，電壓調(diào)節(jié)器電壓閉環(huán)控制，電壓調(diào)節(jié)器vava為為pipi，輸出值為，輸出值為 v v 。pwmpwm形成電路根據(jù)形成電路根據(jù)v v 的大小產(chǎn)生脈變寬驅(qū)動(dòng)信的大小產(chǎn)生脈變寬驅(qū)動(dòng)信號(hào)。號(hào)。14 （2 2）工作原理：）工作原理： 當(dāng)開關(guān)管當(dāng)開關(guān)管t t導(dǎo)通，導(dǎo)通，i i1 1由零上升到由零上升到i ip p, ,電感儲(chǔ)能，電感儲(chǔ)能， 變壓器二次側(cè)二極管阻斷，變壓器二次側(cè)二極管阻斷， i i0 0=0=0 當(dāng)開關(guān)管當(dāng)開關(guān)管t t截止，截止，i i1 1=0=0，d d

11、導(dǎo)通，導(dǎo)通， i i2 2= i= i0 0向電容向電容充電，并向負(fù)載供電，充電，并向負(fù)載供電， i i2 2線性下降至零，電感線性下降至零，電感 l l2 2釋放磁能。釋放磁能。 t t的驅(qū)動(dòng)由的驅(qū)動(dòng)由pwmpwm形成電路產(chǎn)生。輸出電壓由形成電路產(chǎn)生。輸出電壓由vava構(gòu)構(gòu)成電壓閉環(huán)控制自動(dòng)維持恒定。成電壓閉環(huán)控制自動(dòng)維持恒定。15 電流峰值電流峰值i ip p的大小與開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間的大小與開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間t tonon和直流電和直流電壓瞬時(shí)值壓瞬時(shí)值v vdcdc= v= vs s 的乘積成正比。的乘積成正比。 i is s與與 v vs s 瞬時(shí)值成正比。瞬時(shí)值成正比。 由脈動(dòng)頻率很高，峰值由

12、脈動(dòng)頻率很高，峰值i ip p及其平均值都正比于該及其平均值都正比于該瞬間的正弦電壓瞬值，經(jīng)較小的瞬間的正弦電壓瞬值，經(jīng)較小的l.cl.c濾波后則濾波后則i is s變?yōu)榕c電源電壓變?yōu)榕c電源電壓v vs s 同相的正弦電流同相的正弦電流i is s 110dcdconsvvpnsllttitdtd式中為占空比16 結(jié)論：結(jié)論：前述單相前述單相pwm整流器：整流器：有功率因數(shù)校正有功率因數(shù)校正 無能量回饋工作無能量回饋工作2 2、三相高頻、三相高頻pwmpwm整流整流2 2、1 1能量可回饋的高頻能量可回饋的高頻pwmpwm整流電路整流電路（1 1）能量可回饋）能量可回饋pwmpwm整器電路的特

13、點(diǎn)整器電路的特點(diǎn) 整流器采用全控型半導(dǎo)體開關(guān)器件整流器采用全控型半導(dǎo)體開關(guān)器件 可控輸入電流為正弦，且與輸入電壓同相位，功率因可控輸入電流為正弦，且與輸入電壓同相位，功率因數(shù)近似為數(shù)近似為1 1（也可以為任意值也可以為任意值） 可實(shí)現(xiàn)交直流側(cè)的雙向能量流動(dòng)。可實(shí)現(xiàn)交直流側(cè)的雙向能量流動(dòng)。 17 （2 2）pwmpwm整流器拓樸結(jié)構(gòu)整流器拓樸結(jié)構(gòu)單相半橋電壓型單相半橋電壓型pwmpwm整流器整流器 單相全橋電壓型單相全橋電壓型pwmpwm整流器整流器 升壓型升壓型 圖：圖：5-33 5-33 圖：圖：5-345-34vdcvdclvsvidciilvdcdciillvsiv18 三相電壓型三相電

14、壓型pwmpwm整流器整流器三相電流型三相電流型pwmpwm整流器（降壓型）整流器（降壓型） 圖圖5-35 5-35 圖圖5-365-36ovsavsbvscllliaibicvivdcilidcovsavsbvscllliaibicldideccc19 由于輸出電感的存在，沒有橋臂直通過流和輸由于輸出電感的存在，沒有橋臂直通過流和輸出缺路的問題。出缺路的問題。 電流型整流器通常要經(jīng)過電流型整流器通常要經(jīng)過lclc濾波器再和電網(wǎng)聯(lián)濾波器再和電網(wǎng)聯(lián)接，接， 直流側(cè)的平波電感和交流側(cè)直流側(cè)的平波電感和交流側(cè)lclc濾波器的重量、濾波器的重量、體積都比較大。體積都比較大。20 電流型電流型pwmpw

15、m整流器應(yīng)用不廣泛的原因整流器應(yīng)用不廣泛的原因電流型整流器輸出電感的體積、重量和損耗比電流型整流器輸出電感的體積、重量和損耗比較大較大常用的現(xiàn)代全控器件常用的現(xiàn)代全控器件igbtigbt，p-mosfetp-mosfet都是有反都是有反并聯(lián)二極管反向自然導(dǎo)通的開關(guān)器件，為防止電并聯(lián)二極管反向自然導(dǎo)通的開關(guān)器件，為防止電流反方向流動(dòng)而必須再串聯(lián)一個(gè)二極管，因此，流反方向流動(dòng)而必須再串聯(lián)一個(gè)二極管，因此，主電路構(gòu)成不方便，且通態(tài)損耗大。主電路構(gòu)成不方便，且通態(tài)損耗大。 21 2 2、2 2 交流交流 直流雙向變換器工作原理直流雙向變換器工作原理（1 1）三相大功率相控整流器主要缺點(diǎn)；）三相大功率相

16、控整流器主要缺點(diǎn)；對(duì)公用交流電網(wǎng)產(chǎn)生大量諧波電流并在電網(wǎng)中對(duì)公用交流電網(wǎng)產(chǎn)生大量諧波電流并在電網(wǎng)中引起諧波電壓引起諧波電壓深控狀態(tài)（深控狀態(tài)（角大角大 v vd d低）時(shí)，整流裝置的功率低）時(shí)，整流裝置的功率因數(shù)隨因數(shù)隨的減小急劇減小的減小急劇減小22 （2 2）理想的交流）理想的交流 直流雙向變換器特點(diǎn)直流雙向變換器特點(diǎn)輸出直流電壓平穩(wěn)且可以迅速地調(diào)節(jié)控制。輸出直流電壓平穩(wěn)且可以迅速地調(diào)節(jié)控制。輸入的交流電源電流波形正弦化。輸入的交流電源電流波形正弦化。輸入的交流電流的功率因數(shù)可控制為任意指令輸入的交流電流的功率因數(shù)可控制為任意指令值。值。交流交流- -直流之間的功率流向可以是雙向可控的，直

17、流之間的功率流向可以是雙向可控的，即可實(shí)現(xiàn)整流，也可實(shí)現(xiàn)逆變。即可實(shí)現(xiàn)整流，也可實(shí)現(xiàn)逆變。變換器無損耗。變換器無損耗。23 （3 3）工作原理）工作原理 圖圖5-375-37（a)a) sasbscbcvuviia為交流電源電壓電流為ivsavsbvsc直流負(fù)載或電源rabct1t2t3t5t6t4d1d2d3d4d5d6ciovoliaibic24 式中：式中：v vs s為交流電源相電壓有效值為交流電源相電壓有效值 i is s是交流電源流入雙向變換器的電流有效值是交流電源流入雙向變換器的電流有效值 ( )2 sin(120 )csi tit ssiv是 滯后 的功率因數(shù)角( )2sin(

18、 )2sin()( )2sin(120 )( )2sin(120 )( )2sin(120 )sasassbsbsscsvtvti titvtvti titvtvt25 變換器交流輸入端交流相電壓為變換器交流輸入端交流相電壓為則理想的三相橋變換器交流側(cè)相電壓應(yīng)是：則理想的三相橋變換器交流側(cè)相電壓應(yīng)是： 2sin()( )2sin(120)( )2sin(120)iaiibiiciisvtvtvtvtvtvtvv是 落后于 的相位落后角( )( )( )iaibicvtvtvt26 則電壓、電流矢量關(guān)系為：則電壓、電流矢量關(guān)系為： pwm整流電路的運(yùn)行方式相量圖整流電路的運(yùn)行方式相量圖 （圖（圖

19、5-375-37（b)b)sissvvriji xssisijxirvvdiqisiidvkdiriqvivsirnqirsixjqixjfhd軸dixjoq軸eq軸sisijxvvd軸idvfdisiqiivesvdixjqixjsixj（圖（圖5-375-37（c)c)27 ,issvvsi當(dāng)交流電源電壓v一定時(shí),控制v的大小和相對(duì)于 的相位角即控制i的幅值和相位isssvviv滯后 的相角與 完全同相位,變換器工作在整流狀態(tài)功率因數(shù)為1 由此可知由此可知usuluruabis28 isssvviv超前相角與 的相位正好相反變換器工作在逆變狀態(tài)90isssvviv滯后 的相位超前變換器向交

20、流電源送出無功功率ivss控制 的相位和幅值可使i比v 超前或滯后任一角度可控制功率因數(shù)為任意正或負(fù)的指令值usuruabisulusuruabisulusuruabisul29 cossinsidisqdiqidqvdqvvvxirivvxiri將分解 軸分量和 軸分量則cosidisqrvvvxi若忽略電阻30 cossinsinsidsivvvvqsxxiqidiivvxi無功電流siniqivvdxxi有功電流31 定義：定義：ssvs復(fù)數(shù)功率 為電壓矢量與電流共軛矢量i的乘積33()33()sssdqsdsqsdqsdspjqv iv ijiv ij v iiijiiiji 32 結(jié)

21、論：結(jié)論： 3sincos33cos333sin3iqs isisdssvv vsxxsqssvvsxpv iv ivqv iv iv,iisdqvvvii控制 的大小和 相對(duì)于 的相位角即可控制的大小和正負(fù)值,控制p的大小和方向?qū)崿F(xiàn)acdc雙向功率變換.33 2 2、3 3三相電壓型高頻三相電壓型高頻pwmpwm整流控制系統(tǒng)整流控制系統(tǒng)圖圖5-385-38（a)a)電路電路 圖圖5-385-38（d)d)控制系統(tǒng)原理圖控制系統(tǒng)原理圖vsavsbvscabcabcaibici1t3t5t2t4t6tiavibvicvcoiovlllotan電流控制器（5-203）式（5-205）式spwm開關(guān)

22、信號(hào)生成 雙 向 變 流 器*ovv*di*di*qisv22iqidsvvv)/arctan(idiqvvovoi34 1 1、工作原理分析、工作原理分析設(shè)三相電壓型變換器設(shè)三相電壓型變換器t t1 1- t- t6 6spwmspwm控制的調(diào)制參考控制的調(diào)制參考波頻率波頻率f fr r等于交流電源等于交流電源v vsa、 v vsb、v vsb的頻率的頻率f fs s，則則v via、v vib、v vic中的基波頻率中的基波頻率f f1 1就是交流電源頻率就是交流電源頻率 f fs s 。 而諧波頻率由高頻載波頻率而諧波頻率由高頻載波頻率f fc c決定。決定。 圖圖5-385-38基波

23、等值電路見（基波等值電路見（b)b)諧波等值電路（諧波等值電路（c)c)sijwlsinhijnwl+-+-ihvhisviv35 故只要對(duì)故只要對(duì) t t1 1- t- t6 6進(jìn)行進(jìn)行spwmspwm控制，控制變壓器交控制，控制變壓器交流側(cè)各相流側(cè)各相spwmspwm脈波電壓脈波電壓v via、v vib、v vic，即控制矢，即控制矢量量issvvi0v的大小及 相對(duì)于交流電源電壓 的相角差就能控制基波電流i的大小和相位,實(shí)現(xiàn)有功功率和無功功率在交流電源和直流側(cè)電壓v 之間的雙向流動(dòng)36 2、控制過程分析：、控制過程分析：整流電壓整流電壓v vd d的控制的控制: : 引入電壓引入電壓v

24、 v0 0的負(fù)反饋，形成電壓反饋閉環(huán)控制，的負(fù)反饋，形成電壓反饋閉環(huán)控制，自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出直流電壓自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出直流電壓v v0 0為要求值，電壓調(diào)節(jié)為要求值，電壓調(diào)節(jié) 器采用器采用pipi。電壓調(diào)節(jié)器的輸出作為有功電流指令值電壓調(diào)節(jié)器的輸出作為有功電流指令值 根據(jù)要求的功率因數(shù)根據(jù)要求的功率因數(shù)，計(jì)算可得：，計(jì)算可得：diqiqiivviq無功電流指令值 ,雙向變換器交流側(cè)基波電壓指令值v37 令相位角為令相位角為 的電壓的電壓v vi i為三相為三相spwmspwm調(diào)制正弦調(diào)制正弦參考電壓產(chǎn)生參考電壓產(chǎn)生6 6個(gè)開關(guān)器件的通斷信號(hào)，輸出個(gè)開關(guān)器件的通斷信號(hào)，輸出所需的交流電壓所需的交流電壓22t

25、a na rc ta niqidqdiidiqvviivvviv38 00,0isvvvvv00d0s當(dāng)整流負(fù)載i 改變時(shí),或直流電壓指令值v 改變則時(shí),使有功電流指令值i 改變改變,從而調(diào)節(jié)交流電源送入變換器的有功電流,有功功率.自動(dòng)維持直流輸出電壓v 恒定不變同時(shí)使i的相位角 保持為指令值39 +-svsi+dvsisvtsiosv圖圖5-30ac/dc整流電路整流電路40 驅(qū)動(dòng)器乘法器-+-+liddcvsisvlillitit+_ovoiov*ovvacadcrvkik+_ 圖圖5-31（a) )電路電路41 sdcvvsdcvvlilisvlsii tioisloiiisltiiisvsisisvt 圖圖5-31(b)輸入輸入il、is波形和輸入電壓波形和輸入電壓vdc、vs波形