第三章 四象限整流器

四象限整流器北京交通大学电气工程学院林飞12内容提要•四象限整流器简介•四象限整流器工作原理•四象限整流器控制环节•车网关系3•四象限整流器主电路四象限整流器简介4BOOST电路开关闭合，电感储能，电容经负载放电开关断开，电感释能，能量传递到电容及负载侧实现升压BOOST升压电路四象限整流器简介5图1图2•四象限整流器升压整流工作原理四象限整流器简介6CRH1牵引传动系统构成四象限整流器简介7CRH2牵引传动系统构成四象限整流器简介8113AC25kV/50HzTW1TW2Trafo/TransformerRMUBTraktionscontainer/TractioncontainerNetzspannungswandler/LinevoltagetransformerNetzstromwandler/LinecurrenttransformerTrafostromwandler/TransformercurrenttransformerErdstromwandler/EarthcurrenttransformerMUBPWR/PWMICD4QS/4QCCSKNTS;VLEVLW4Fahr-motoren/4TractionmotorsSpwTW3TW4ESEEnergieversorgungsblock/AuxiliaryconverterunitASG/TCUKSDachleitung/HighvoltagerooflineLSKCRH3牵引传动系统构成四象限整流器简介9CRH5牵引传动系统构成四象限整流器简介10•升压整流•能量双向流动•功率因数近似为1•电流波形正弦度高四象限整流器特点11四象限整流器特点120模态1，T1与T4导通，T2与T3截止101110NNNNNddddLdiLidtLuuduCCRdt模态2，T2与T3导通，T1与T4截止101110NNNNNddddLdiLidtLuuduCCRdtsinNmuUtabCdT1T2T3T4D1D2D3D4NuNiabuduNL+_RLNR•电路模型和状态方程四象限整流器工作原理13*11[()]NNNdddNdLsNNNdmdiLumudtduCmiudtRumuKIiuUAD外环控制器内环控制器AD前馈控制器归一化环节限幅器数字PWM发生器*dUdumi*mi+ADsu相位计算环节*mI四象限整流器工作原理14***000010NNNNmNppNiNidddLddddLKuKdiLLUdtiKmKdIKIKUdtCCRudumdtCCR考虑电压控制环存在积分环节***()()NddpidddIdUuKKUudtdt**NdpididdIduKKuKUdtdt**()pNpNididddLKmiKdIKuKUdtCCR四象限整流器工作原理11210{TATS2或D导通或D导通3410{TBTS34或D导通或D导通•等效电路四象限整流器工作原理1616SASB=00或11SASB=01SASB=10电路共有3种工作模式四象限整流器工作原理17NNNNNdiuLRidt电网侧：电容Cd向负载供电，直流电压通过负载形成回路释放能量，直流电压下降当UN0和iN0时，D1与T3导通或T2与D4导通，牵引绕组向LN充电，电流iN的幅值增大，电感LN储能当UN0和iN0时，D3与T1导通或T4与D2导通,电感LN向牵引绕组侧充电，电流iN幅值减小，电感LN释能工作模式1四象限整流器工作原理18当UN0和iN0时，D1与D4导通，牵引绕组和电感LN都向直流侧电容充电，电流iN幅值减小，电感LN释放能量，储存在电感中的能量向负载R和电容释放，电感电流iN下降，当UN0和iN0时，T1与T4导通，直流侧电容向牵引绕组和电感LN充电，电流iN幅值增大，电感LN储存能量NNNNNddiRiLuUdt电网侧：工作模式2四象限整流器工作原理19NNNNNddiRiLuUdt电网侧：当UN0和iN0时，T2和T3导通，牵引绕组和直流侧电容都向电感LN充电，电流iN幅值增大。电感LN储存能量当UN0和iN0时，D2与D3导通，电感LN同时向牵引绕组和直流侧电容，电流iN幅值减小，电感LN释放能量工作模式3四象限整流器工作原理20•四象限整流器工作原理ABCD0O1IVL（a）VUABCD0O1IVLV（b）UV端点在AB上运动时，PWM整流器需从电网吸收有功功率及感性无功功率V端点在BC上运动时PWM整流器需从电网吸收有功功率及容性无功功率四象限整流器工作原理21ABCD0O1IVLV(c)UABCD0O1IVLV(d)UV端点在CD上运动时，PWM整流器向电网传输有功功率及容性无功功率V端点在DA上运动时，PWM整流器向电网传输有功功率及感性无功功率四象限整流器工作原理22隔离电网电压与整流器交流侧电压滤除电压源型整流器交流侧谐波电流向电网传输无功功率系统获得一定的阻尼特性•电感作用四象限整流器工作原理23考虑有功（无功)功率因素快速电流跟踪抑制谐波电流•电感满足指标四象限整流器工作原理24ABCD0O1FIVU交流侧功率因数角为90-。222||||||2||||cosLLVUVUVmdcVMv22222dcmsin+sin+MmmmUUvULI若采用三角载波SPWM控制，忽略桥路损耗mm1cos2PUImm1sin2qUI1M22222mdcsincos+Ucossin+2|p|mmmUUvUL22222mdc(sin)+Usinsin+2|q|mmmUUvUL•电感设计四象限整流器工作原理25特殊工作点LP、q取值及状态ABCDP=0q0纯感性特性P0q=0单位功率因数整流P=0q0纯容性特性P0q=0单位功率因数逆变2dc2mmUUvqwdcmmUvIw22dc2mmUvUpw22dcmmvUIw2dc2()mmUvUqwdcmmvUIw22dc2()mmUUUpw22dcmmvUIw90。0。-90。-180。或或或或。四象限整流器工作原理26•电感参数设计快速电流跟踪抑制谐波电流当电流过零时，变化率最大，电感足够小，以满足此时快速跟踪性在正弦波电流峰值处，谐波电流脉动最严重，电感应足够大四象限整流器工作原理27△i1△i2T1T2i*ii0ttvab-vdcTs0单极性PWM电流过零处10tT110NababiuvvLT1stTT220iLTm12mssIsin||-||IsTiiTTdc1msvTLIT要满足快速电流跟踪要求则必须有四象限整流器工作原理28△i1△i2T1T2i*ii0ttvabTs0vdc单极性PWM电流峰值处10tT11u0NabmivULT1stTT22NabmdciuvUvLT正弦波电流峰值附近一个PWM开关周期中12||||ii12()mdcmUTvUT12sTTTmaxmax()mmdcmsdcUTUvULTiivdc1maxms()mdcmsdcUvUvTTLivIT四象限整流器工作原理29△i1△i2T1T2i*ii0ttvab-vdcTs0双极性PWM电流过零处10tT110NababiUvvLT1stTT220-NababiUvvLTm12mssIsin||-||IsTiiTTdc12ms|-|vTTLIT要满足快速电流跟踪要求则必须有四象限整流器工作原理30△i1△i2T1T2i*ii0ttvabTs0vdc10tT双极性PWM电流峰值处1dc1+NabmiuvUvLT1stTT22NabmdciuvUvLT正弦波电流峰值附近一个PWM开关周期中，12||||ii12+()mdcdcmvTvUT（U）221maxmax+)()2mdcdcmsdcvTvULTiiv（U22dcmaxm()2dcmsdcvEvTLivI四象限整流器工作原理31车型直流环节电压输入电压输入功率CRH1CRH2CRH3CRH5900V1500V1550V1770V4×527kV·A1285KV·A4×1410KV·A6220kV·A。1650V3000V2700~3600V3600V电感四象限整流器工作原理2.195mH32•直流侧电容缓冲交流侧与直流侧负载的能量交换，且稳定直流侧电压抑制直流侧谐波电压四象限整流器工作原理33直流电压跟随性指标时电容设计Vd=1.17V1整流器电源平均值deV=LPR直流侧输出额定功率的直流电压rLt*0.964RC1t-dd0dLd0v-V=IR-V1-e（）（）1LRC四象限整流器工作原理34Ti0IdtA满足直流电压抗扰性指标时电容设计1()1ciiWsTs11220{dcLdcdcLdcLdvRCvdtdvRCvRktdt*m12VLCR四象限整流器工作原理35•直流环节二次滤波器整流器直流侧功率等于交流电源提供的功率减去电感上消耗的无功功率()()()cos2sin2ababNNNNNLNNPtutitUIUItUIt在设计直流侧LC谐振电路时，主要考虑以下两个方面的问题：LC谐振滤波器的谐振频率是2倍于交流侧输入电压频率将电容C取得稍微大一点四象限整流器工作原理361.在直流侧获得一个恒定的直流电压。5.平衡多电平整流器的中点电位。2.4.减小直流侧电压的纹波和减小直流侧电容的体积和重量。3.为了减小开关损失尽可能的降低开关频率。四象限整流器控制环节在交流侧获得一个有着近似单位功率因数的正弦波电流。37目标：达到单位功率因数电压控制器电流控制器脉冲发生器目标：获得恒定的直流侧电压目标：产生能够驱动开关的脉冲信号四象限整流器控制环节•电流控制方法CRH2型车CRH5型车38瞬态电流法预测电流法虚拟dq变换比例谐振四象限整流器控制环节39•瞬态电流法***1pddidd*2***12***N(U-U)+1/T(U-U)/()(t)-(sint+cost)-K[sint-i(t)]NNddNNNNabNNNNNNIKdtIIUUIIIUtUIRILI为减轻电压外环PI调节器的负荷，改善PI调节器的动态响应，增加有效分量I*N2四象限整流器控制环节40•预测电流法**()()()()NksNkNkNkitTititit或在任一PWM开关周期内，电流必须满足则在一个开关周期sT**()NNNabNNNsLiiuuRiT***pddidd*NN(U-U)+1/T(U-U)L()(t)-[sint-i(t)]NabNNsIKdtutuIT四象限整流器控制环节41•比例谐振**cos()()SdcdcIPIUUr222()rpKsGsKs消除交流系统的稳态误差，抑制低次谐波和开关频率附近的高次谐波421m1cos()Icos()NmNuUtitImmImm=sin()Isin+UUIt（t）Im1()0dNmquuTUuuImcos()sindNmqiiTUii