第5章-PWM整流电路

15.1概述5.4电压型单相桥式PWM整流电路5.5电压型三相桥式PWM整流电路第5章PWM整流电路25.1.1整流电路的理想状态5.1.2传统整流电路存在的问题5.1.3PWM整流电路的分类5.1概述35.1.1整流电路的理想状态IIII/1111coscos2.输出电压u0≡U0(电压型)或输出电流i0≡I0(电流型)3.具有双向传递电能的能力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5.具有较高的功率密度6.整流电路无内耗，即电路中所有元器件均无损耗（5-7）222211111THDIIIIInn1.网侧功率因数λ=1其中：——为电流正弦因数1cos——为基波位移因数所以：所有网侧功率因数校正技术（PFC——PowerFactorCorrection）是围绕网侧电流正弦化和等效电阻线性化展开的。45.1.2传统整流电路存在的问题1.网侧功率因数低coscos1（5-15）相控整流电路：不控整流电路加电容滤波：7.0~6.0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传统整流电路存在的问题2.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。◆导致继电保护和自动装置的误动作。◆对通信系统造成干扰。3,2,116asin1)1(32sin32]13sin13111sin1117sin715sin51[sin32kknkdddtnnItItttttIiotia3.难于实现快速调节5.1.3PWM整流电路的分类PWM整流电路按电网相数按工作范围按输出滤波按器件开关方式桥式电路（全桥、半桥）复合电路电压型电路电流型电路硬开关电路软开关电路按输出电压低压电路中高压电路单相电路三相电路按主电路结构按输入输出间耦合方式直耦式电路磁耦式电路单象限电路多象限电路5.4电压型单相桥式PWM整流电路5.4.1电压型单相桥式PWM整流电路的理想状态5.4.2网侧功率因数λ=1时的电路分析5.4.3输出电压U0的调节5.4.4网侧功率因数λ=-1时的电路分析5.4.5电路的控制5.4.1电压型单相桥式PWM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：013001234024()0()()osoUSSuSSSUSS)、(S据图5-12得：（Ⅱ）（Ⅰ）（Ⅲ）（5-79）5.4.1电压型单相桥式PWM整流电路的理想状态但:电路正常工作需要LN（包括外接电抗器和交流电源内部电感）起平衡电压的作用。忽略LN和交流电源的内阻，即rN=0。图5-13单相PWM整流电路入端电量矢量图a）rN=0,φ1=0b）rN=0,φ1=π则有：若LN=0，则：（5-78）)2cos1(sin020000tItUIUiiUiuuuNmNmNNNS5.4.1电压型单相桥式PWM整流电路的理想状态（5-85）于是：)2cos()2cos(cos2sin)sin(000101010tIItUIUttUIUUiuiLkNmSNmSNS（5-86）式中：010002cosUIUIIINmSLLk（5-87）NNNNNUILRLarctanarctan图中：)sin(11tUumSS（5-82）（5-84）5.4.2网侧功率因数λ=1时的电路分析1.电路的工作模式图5-14不同工作模式下的等效电路(λ=1)a)、b)工作模式Ⅰc)、e)工作模式Ⅱd)、f)工作模式Ⅲ（1）电源沿LN短路（如图5-14a和b），电感LN处于储能状态，负载电流由Co维持。（2）电源和LN向负载供电（如图5-14c和d）。（3）负载和电源向LN馈电（如图5-14e和f）。5.4.2网侧功率因数λ=1时的电路分析2.λ=1时电路工作过程分析图5-15λ=1时电路的电量波形5.4.2网侧功率因数λ=1时的电路分析2.λ=1时电路工作过程分析图5-15λ=1时电路的电量波形（Ⅱ）（Ⅰ）（Ⅲ）（5-79）)sin()sin(sin,sin11tUutUutIitUugmgmSSNmNNmN（5-88）（5-89）（5-90）013001234024()0()()osoUSSuSSSUSS)、(S5.4.2网侧功率因数λ=1时的电路分析00UuUuuuNNNL（Ⅰ）（Ⅱ）（Ⅲ）（5-92）00sin1(sin)01(sin)0NmNNLNmNNNmNUtLdiuUtUdtLLUtUL（Ⅰ）（Ⅱ）（Ⅲ）（5-91）5.4.2网侧功率因数λ=1时的电路分析3.输出电流i0的分析)(0)0(0000cccSTtDTDTtUu（5-93）2//00cccTTTD其中：当时)sin(tUugmg)sin()(tKtDD如图，i0的占空比与us是相同的。5.4.2网侧功率因数λ=1时的电路分析00(0)()SNSouiiuU（5-96）cos)2cos(1cos2sin)sin(sin)(sin1100000000tIKttIKtItDtdtITdtiTiNmDNmDNmTDNmcTccc（5-97）（5-95）00(0)()SNSouiiuU5.4.3输出电压U0的调节)sin()sin()(1000000tmUtUUUUtDdtuTugmTcmScSc（5-98）)sin(11tUuumSSS（5-100）0101,UUmmUUmSmS或（5-101）cos,cos11mSNmNmmSUUUU或（5-102）故有：又有：所以：cos20mUUN（5-103）由于，故有：1cosm20NUU（5-104）5.4.3输出电压U0的调节图5-16外扰作用下电量的矢量关系(a)负载电阻R0变化时的稳压分析coscos0110一定一定UmmUUIRRmsLNN(b)网压uN变化时的稳压分析coscos011一定URIUUmmUNNLmsN5.4.4网侧功率因数λ=-1时的电路分析图5-17λ=-1时电路的电量波形图5-18不同工作模式的等效电路(λ=-1)a)、b)工作模式Ⅰc)、f)工作模式Ⅱe)、d)工作模式Ⅲ（1）电源沿LN短路（如图5-18a和b），电感LN储能向电网反馈。（2）有源负载的储能向电网和LN转移（如图5-14c和d）。（3）LN中的储能同时向负载和电网转移（如图5-14e和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9—PWM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(5-115)(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9—PWM比较器10—载波发生器3.7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5.5.1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(sin000tUutUutUuNmCNmBNmA（5-119）（5-120）5.5.1电路工作原理分析图5-22λ=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)32sin()32sin()sin(tUutUutUugmgcgmgbgmga（5-121）NNRLarctan（5-122）10AANIUR（5-123）8.0cmgmUUm3gcffK5.5.1电路工作原理分析2.桥侧线电压波形分析060030004001002/2/2/2/SUSUuSUSUuba（5-125）00baabuuu（5-124）——如图5-22c——如图5-22d，为一单极性SPWM波3.桥侧相电压波形分析cbaNNNUKu,,00（5-126）cbaNcbaNNSSSSK,,)3(（5-127）6,4,205,3,1001jjiiNKKS（5-128）5.5.1电路工作原理分析)sin(01tUuama可见：1）ua01与a相调制信号ugm同相位，即：（5-129）2）ua0与uA0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LN是必不可少的。000sinUKtUuudtdiLuaNmaAANaLa（5-130）)3(cbaaaSSSSK式中3）各相输入电流的变率为时变值，即：)sin(10UKtULdtdiaNmNaA（5-131）5.5.1电路工作原理分析4.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)5.5.1电路工作原理分析5.输入电感LN的选择)sin(0UKtULTiaNmNcA（5-132）)32(0UULTiNmNcAm（5-133）cAmANfIUUL3/2200（5-134）——LN的下限值。设计时取amAmII2.0由：得：由：NccAmcALUTTITi3)sin(0得：)sin(30cAmcNTITUL（5-135）——LN的上限值。5.5.2电路的控制1.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11—SPWM信号生成和处理器5.5.2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9—PWM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)3/4cos()3/2cos(cos000tUutUutUumCmBmA)3/4cos()3/2cos()cos(111tUitUitUimCmBmA（5-137）（5-138）tjmCBANeUuauauU)(320200（5-139）（5-141）（5-139）（5-142）)(2)(32t