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 3 5.1.1 5.1.1 整流电路的理想状态整流电路的理想状态 II I I /11 1 1 coscos 2.2.输出电压输出电压u u0 0

2、UU0 0( (电压型电压型) )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） 2 2 22 1 11 1 1 THD II I I I n n 1.1.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 1 cos 为基波位移因数为基波

3、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（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。 4 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 1.1.网侧功率因数低网侧功率因数低 coscos 1 （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 5 5.1.2 5.1.2 传统整流电路存在的问题传统整流电路存

4、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, 1 16 a sin 1 ) 1( 32 sin 32 13sin 13 1 11sin 11 1 7sin 7 1 5sin 5 1 sin 32

5、 k kn k dd d tn n ItI tttttIi 3 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

6、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

7、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 00 00 sin sin iUiu tIi Uu tUu NS NmN NmN 理想条件：理想条件： 0 1 3 00 1234 0 24 () 0() () o s o US S uS SS US 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

8、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： （5-78） )2cos1 ( sin 0 2 0 0 00 tI t U IU i iUiu uu NmNm NN NS 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 （5-85） 于是：于是： )2cos( )2cos(cos 2 si

9、n)sin( 00 0 1 0 1 0 1 0 tII t U IU tt U IU U iu i Lk NmS NmSNS （5-86）式中：式中： 0 1 0 00 2 cos U IU I II NmS L Lk （5-87） N NN N N U IL R L arctanarctan图中：图中： )sin( 11 tUu mSS （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

10、）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

11、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,sin 11 tUu tUu tIitUu gmg mSS NmNNmN （5-88） （5-89） （5-90） 0 1 3 00 1234 0 24 () 0() () o s o US S uS SS US S )、(S 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 0 0 Uu Uu u u N N N L （） （） （） （5-92） 0 0 sin 1 (sin)0 1 (sin

12、)0 Nm N NL Nm NN Nm N U t L diu Ut U dtLL Ut U L （） （） （） （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( 00 00 cc c S TtDT DTtU u （5-93） 2/ / 0 0 cc c TT TD 其中：其中： 当当 时时)sin(tUu gmg )sin()(tKtD D 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 0 0(0)

13、 () S NSo u i iuU （5-96） cos )2cos( 1cos 2 sin)sin( sin)( sin 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 tIK ttIK tItD tdtI T dti T i NmD NmD Nm TD Nm c T c c c （5-97） （5-95） 0 0(0) () S NSo u i iuU 5.4.35.4.3输出电压输出电压U U0 0的调节的调节 )sin()sin()( 1 0 0 0 0 0 0 tmUtU U U UtDdtu T u gm T cm S c S c （5-98） )sin( 11 tUuu mSSS （5-

14、100） 0 1 01 , U U mmUU mS mS 或（5-101） cos, cos 11mSNm Nm mS UU U U或（5-102） 故有：故有： 又有：又有： 所以：所以： cos 2 0 m U U N （5-103） 由于由于 ，故有：，故有：1cosm 2 0 N U U （5-104） 5.4.35.4.3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 cos cos 0110 一定一定UmmUUIRR msLNN (b)(b)网压网压u uN N变化时的稳压分析变

15、化时的稳压分析 cos cos 011 一定URIUUmmU NNLmsN 5.4.4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 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

16、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 Nm mL mLNmms U U UUU 1 2 1 2 1 arctan (5-115)(5-115) (5-116)(5-116) cos 一定一定cos 01100 UmmUUUUUR msmLef 5.4.5电路的控制 图5-20采用直接电流控制策略的PWM整流电路

17、 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

18、路 NNcNbNa LLLL ) 3 2 sin( ) 3 2 sin( sin 0 0 0 tUu tUu tUu NmC NmB NmA （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 ) 3 2 sin( ) 3 2 sin( )sin( tUu tUu tUu gmgc gmgb gmga （5-121） N N R L arctan （5-122） 1 0 A A N I U R （5-123） 8 . 0 cm gm U U m 3 g c f f

19、K 5.5.15.5.1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 0 60 0 30 0 0 40 0 10 0 2/ 2/ 2/ 2/ SU SU u SU SU u b a （5-125） 00 baab uuu （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 cbaNNN UKu ,00 （5-126） cbaN cba NN SSS SK , ) 3 ( （5-127） 6 , 4 , 2 0 5 , 3 , 1 0 0 1 jj ii N

20、 K K S （5-128） 5.5.15.5.1电路工作原理分析电路工作原理分析 )sin( 01 tUu ama 可见：可见： 1 1）u ua01 a01与 与a a相调制信号相调制信号u ugm gm同相位，即： 同相位，即： （5-129） 2 2）u ua0 a0与 与u uA0 A0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。 000 sinUKtUuu dt di Lu aNmaA A NaLa （5-130） ) 3 ( cba aa SSS SK 式中式中 3

21、 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( 1 0 UKtU Ldt di aNm Na A （5-131） 5.5.15.5.1电路工作原理分析电路工作原理分析 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( 0 UKtU L T i aNm N c A （5-132） ) 3 2 ( 0 UU L T

22、 i Nm N c Am （5-133） cAm A N fI UU L 3/22 00 （5-134）L LN N的下限值。设计时取的下限值。设计时取 amAm II2 . 0 由：由： 得：得： 由：由： Nc cAm c A L U T TI T i 3 )sin( 0 得：得： )sin(3 0 cAm c N TI TU L （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

23、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.矢量控制方案矢量控制方案 ) 3/4cos( ) 3/2cos( cos 0 0 0 tUu tUu tUu mC mB mA )3/4cos( )3/2cos( )cos( 1 1 1 tUi tUi tUi mC mB mA （5-137）

24、（5-138） tj m CBAN eU uauauU )( 3 2 0 2 00 （5-139） （5-141） （5-139） （5-142） )( 2 )( 3 2 tj m CBAN eI iaiaiI 5.5.25.5.2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

25、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 。 m i t i 5.5.25.5.2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 tansin cos dmq md III II （5-143,150） （5-144,5-145,151） 说明：当说明：当

26、? =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）。）。 Ndmsqs msds XIUU UU sin cos（5-148） （5-149） d q sd sq I I U U arctan arctan （5-154） （5-155） NqsdLdsdm NNsL

27、sN XIUUUU XI jUUUU 111 （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： 0 a u为双极性为双极性SPWMSPWM波，则：波，则： )sin( 222 1)(2 1 000 0 0 0 t mU u U UU tDdtu T u ga cm T a c a c （5-164） 由平均值模型分析法得：由平均值模型分析法得： 10 0 a auu（5-162） 又又 ，而，而 无基波分量，则：无基波分量，则： 0000 uuu aa0 0 u)sin( 011

28、0 tUuu smaa （5-165）所以所以 1, 1 0 2 mKsm mU U cos 2 cos NNm sm UU U又又 ，则：，则： 1, 10 cos 22 mK N m U U （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.p iC=iL.q ua ub uc 驱动电路 PWM信号 DSTATCOM 用 电 负 荷 PWM 发生器 调节器 IL.q IC 负荷无功 电流计算 iL.abcuabc + - PLL wt SVGSVG（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