第七章：脉冲变流000

第7章脉冲变流电路2/1/20231北京交通大学电气工程学院本章内容7.1

脉冲变流器的原理及分类7.2

电压型脉冲变流器7.3

电流型脉冲变流器7.4电流型脉冲变流器与电压型脉冲变流器的性能特点比较7.5脉冲变流器的应用2/1/20232北京交通大学电气工程学院7.1脉冲变流器的原理及分类一、概述脉冲变流器是一种以脉宽控制（PWM）方式工作的变流器，又称为四象限变流器与相控变流器相比具有下列优点：功率因数高，可达到±1；谐波含量低，减少对电网污染；体积小、重量轻、动态响应快。2/1/20233北京交通大学电气工程学院二、基本原理理想情况下：控制目标：使交流侧电流与电压同相位输入功率PN(t)以2倍于电网频率脉动2/1/20234北京交通大学电气工程学院三、分类：按直流侧的电压和电流情况分类

1、电压型脉冲变流器（1）特征：直流侧电压恒定，即：ud(t)=Ud

，并且

Ud

UN（2）直流输出电流：直流输出电流id(t)以2倍于电网频率脉动2/1/20235北京交通大学电气工程学院（3）基本结构支称电容Cd：

用于滤波，使直流侧电压恒定。二次滤波回路L2、C2：

用于提供2次谐波电流通路，其谐振频率为基波频率的2倍。交流侧电感LN：

用于限制交流侧谐波电流。2/1/20236北京交通大学电气工程学院2、电流型脉冲变流器（1）特征：直流侧电流恒定，即：id(t)=Id，并且

Id

IN（2）直流输出电压：直流输出电压ud(t)以2倍于电网频率脉动2/1/20237北京交通大学电气工程学院（3）基本结构直流平波电感Ld：

用于滤波，使直流侧电流平直。二次滤波回路L2、C2：

用于限制直流侧二次谐波电压，其谐振频率为基波频率的2倍。交流侧电容CN：用于限制交流侧谐波电流。交流侧电感LN：电源变压器及线路上的分布电感。（理论上并不需要）2/1/20238北京交通大学电气工程学院本章内容7.1

脉冲变流器的原理及分类7.2

电压型脉冲变流器7.3

电流型脉冲变流器7.4电流型脉冲变流器与电压型脉冲变流器的性能特点比较7.5脉冲变流器的应用2/1/20239北京交通大学电气工程学院7.2电压型脉冲变流器单相电压型脉冲变流器主电路结构（IGBT）2/1/202310北京交通大学电气工程学院单相电压型脉冲变流器主电路结构（GTO）2/1/202311北京交通大学电气工程学院一、主要方程式及相量图假定电网电压是纯正弦电压，对于基波分量，在忽略线路电阻的条件下

在PWM控制方式下us1的幅值和相位均可控，因此iN1的幅值和相位也是可控的。1、相量方程

2/1/202312北京交通大学电气工程学院2、相量图(a)整流

(b)逆变

(c)整流、考虑线路电阻在不同的负载电流下只要使us1相量端点轨迹沿直线CD运动就可以使iN1与uN同相或反相。2/1/202313北京交通大学电气工程学院3、基本电量关系：设uN(t)=UNmsinωNt，且忽略线路电阻整流工况：uS1(t)=US1msin(ωNt-φ) US1m=UNm/cos

φ IN1m=UNmtanφ/ωNLN

逆变工况：uS1(t)=US1msin(ωNt+φ) US1m=UNm/cos

φ IN1m=UNmtanφ/ωNLN

定义调制比（调制深度）：α=US1m/Ud2/1/202314北京交通大学电气工程学院二、变流器工作模式及能流关系根据各功率器件的工作状态及能量流向，变流器的工作模式可分成3类12种模式：（1）电源断接（us=0）：电源与LN交换能量（4种）（2）整流：变流器从交流电源或LN吸收能量（4种）（3）逆变：变流器向交流电源或LN泄放能量（4种）2/1/202315北京交通大学电气工程学院变流器工作模式及能流关系（网压uN

(t)为正半波时）2/1/202316北京交通大学电气工程学院变流器工作模式及能流关系（网压uN

(t)为正半波时）2/1/202317北京交通大学电气工程学院三、不同工况时uS、uN

和iN

波形整流（牵引）2/1/202318北京交通大学电气工程学院理想空载逆变（再生）2/1/202319北京交通大学电气工程学院四、三相电压型脉冲变流器主电路结构工作原理与单相脉冲变流器相同2/1/202320北京交通大学电气工程学院五、电压型脉冲变流器的控制被控量Ud：要求Ud基本保持恒定iN：要求iN与uN保持同相或反相控制方法直接电流控制：引入交流电流反馈间接电流控制：没有引入交流电流反馈2/1/202321北京交通大学电气工程学院1、直接电流控制——电流跟踪控制双闭环控制系统根据外环的比较结果确定参考电流幅值和极性根据内环的比较结果确定功率开关的通/断状态特点：控制系统简单；电流响应快；开关频率不固定，滤波困难。2/1/202322北京交通大学电气工程学院2、间接电流控制——相位和幅值控制单闭环控制系统电压环的比较结果确定参考电流幅值和极性根据相量关系计算出us

的相位φ和幅值US1m通过PWM控制确定功率开关的通/断状态特点：开关频率固定，滤波容易；电流响应较慢；控制效果与参数（L）的计算精度有关。2/1/202323北京交通大学电气工程学院本章内容7.1

脉冲变流器的原理及分类7.2

电压型脉冲变流器7.3

电流型脉冲变流器7.4电流型脉冲变流器与电压型脉冲变流器的性能特点比较7.5脉冲变流器的应用2/1/202324北京交通大学电气工程学院7.3电流型脉冲变流器单相电流型脉冲变流器主电路结构（GTO）2/1/202325北京交通大学电气工程学院三相电流型脉冲变流器主电路结构（IGBT）2/1/202326北京交通大学电气工程学院一、主要方程式及相量图假定电网电压是纯正弦电压，对于基波分量在PWM控制方式下iP1的幅值和相位均可控，因此iN1的幅值和相位也是可控的。1、相量方程

2/1/202327北京交通大学电气工程学院2、相量图(a)整流（牵引）(b)逆变（再生）2/1/202328北京交通大学电气工程学院3、基本电量关系：设uN(t)=UNmsinωNt，且忽略LN整流工况：iN1(t)=IN1msinωNt iP1(t)=IP1msin(ωNt-φ) IN1m=UNm

ωNCN

/tanφ IP1m=IN1m/cosφ 逆变工况：iN1(t)=IN1msin(ωNt+π) iP1(t)=IP1msin(ωNt+π-φ) IN1m=UNm

ωNCN

/tanφ IP1m=IN1m/cosφ 定义调制比（调制深度）：α=IP1m/Id

2/1/202329北京交通大学电气工程学院二、变流器工作模式及能流关系与电压型类似，根据各功率器件的工作状态及能量流向，变流器的工作模式也可分成3类12种模式：（1）电源断接（us=0）：电源与CN交换能量（4种）（2）整流：变流器从交流电源或CN吸收能量（4种）（3）逆变：变流器向交流电源或CN泄放能量（4种）2/1/202330北京交通大学电气工程学院三、不同工况时uN

、

iN

和iP波形2/1/202331北京交通大学电气工程学院四、三相电流型脉冲变流器（GTO）2/1/202332北京交通大学电气工程学院四、三相电流型脉冲变流器（续）（IGBT）2/1/202333北京交通大学电气工程学院章内容7.1

脉冲变流器的原理及分类7.2

电压型脉冲变流器7.3

电流型脉冲变流器7.4电流型脉冲变流器与电压型脉冲变流器的性能特点比较7.5脉冲变流器的应用2/1/202334北京交通大学电气工程学院7.4电流型脉冲变流器与电压型脉冲变流器的性能特点比较相同之处：两者的交流侧输出特性基本相同；都能实现四象限运行；与晶闸管相控整流电路相比都能提高功率因数；都能减少谐波，减少对电网的污染。

2/1/202335北京交通大学电气工程学院7.4电流型脉冲变流器与电压型脉冲变流器的性能特点比较（续）不同之处：电压型(1)Id方向可变，Ud方向不可变；(2)必须要有反向电流通路，主管只需承受正向电压；(3)上、下桥臂主管换相顺序必须是先关断后开通，并且设置一个死区时间，避免上、下桥臂贯穿短路。电流型(1)Id方向不可变，Ud方向可变；(2)不能有反向电流通路，主管必须能承受正、反向电压；(3)相邻桥臂主管换相顺序必须是先开通后关断，避免大电感电路突然断开时产生过电压，防止击穿主管。2/1/202336北京交通大学电气工程学院本章内容7.1

脉冲变流器的原理及分类7.2

电压型脉冲变流器7.3

电流型脉冲变流器7.4电流型脉冲