现代电力电子技术第五讲概要

现代电力电子技术第五讲PWM变流电路基本的PWM变流电路：PWM逆变电路直流斩波电路PWM整流电路矩阵式变频电路5.1PWM逆变电路应用PWM控制技术的逆变电路5.1.1单相桥式PWM逆变电路单极性控制、双极性控制电路结构+-UdCVT1VT2VD1RLu0VT3VT4VD3VD4VD2调制电路uPWM调制波ur载波ucug1ug2ug3ug4单极性控制：调制信号Ur和载波信号Uc始终保持相同的极性uoπ2222ttttttπππ0u0i0u0ioooo1gu2gu3gu4guo(a)(b)(c)(d)(e)(f)双极性控制：调制波的每半周期内载波信号Uc为双极性uorucuttttooo4*1ggu3*2ggu0u0i2(a)(b)(c)(d)5.1.2三相桥式PWM逆变电路一般三相SPWM逆变器采用双极性控制模式。三相调制波共用一个三角载波，三相调制波互差120°。5.1.3PWM控制技术中的基本概念1、载波比载波信号的频率fc与调制信号频率之比2、调制深度正弦调制信号的幅值与三角载波信号的幅值之比3、同步调制载波信号和调制信号始终保持同步3、异步调制：在调制信号频率变化时保持载波信号频率不变的调制方法，载波比在变化4、分段同步调制分段同步调制是将调制波频率分为若干个频段，在每个频段内都保持载波比N恒定不变，不同频段载波比N不同。在调制波频率的高频段采用较低的载波比N，以使载波频率不致太高。在调制频率的低频段采用较高的载波比，避免因载波比太低而产生不利于负载正常运行的情况。对于三相逆变电路，各频段的载波比都应该取3的整数倍且为奇数。VT1VD1VT3VD3VT4VD4VT2VD2VT5VD5VT6VD6UVWN+-2dU2dUCC'Noraucutttttoooo(a)(b)(c)(d)(e)(f)'UNu'VNu'WNuUVudUdU5.2直流斩波电路直流降压斩波电路直流升压斩波电路BUCK-BOOST升降压斩波电路CUK斩波电路桥式直流斩波调压电路5.3PWM整流电路晶闸管或二极管组成的相控整流电路的特点：整流电压脉动大网侧功率因数低谐波含量高用全控型开关器件取代晶闸管或二极管，采用PWM控制技术实现交流到直流的变换，使整流电路的性能进一步提高。PWM整流电路特点：电能双向传输动态响应快输入电流的波形正弦网侧功率因数可达到1PWM整流电路也称为高频整流器或四象限变流器，也有文献称为升压整流器、单位功率因数变流器或斩控式整流器5.3.1单相PWM整流电路电感LS含外接电抗器的电感和交流电源内部电感，是电路正常工作所必需的。去掉全控型器件或全控型器件都关断时，则为不可控整流电路。VT1VT2VD1RCRsVT3VT4VD3VD4VD2Lsisudid去掉二极管的电路VT1VT2VT3VT4isudususisudooottt)(a)(b)(c)(d存在的问题：整流器交流侧输入电流、直流侧输入电压和电流都是脉冲状的，含有谐波成分。解决办法：在直流侧负载两端并联电容以减小直流电压脉动，在交流侧串联电感抑制交流电流的脉动。新的问题：电感的存在，使全控型器件关断时电流突变产生很大的电流变化率，严重威胁器件的安全新的措施：反并联二极管为其提供释放能量的通道反并联二极管后，只要负载两端电压（直流侧）低于交流侧两端电压值，则二极管导通（正半周期VD1、VD4导通，负半周期VD2、VD3导通），全控型器件被旁路，整流工作状态与二极管整流电路完全相同，对全控型器件进行PWM控制失去作用。只有在直流侧电压Ud大于交流侧电压时，二极管才不会导通，全控型器件组成的桥式电路才可以正常工作，故为升压整流。工作情况分析：控制目标：满足前述优点控制思想：通过控制交流侧两端（桥臂两中点）电压的基波幅值及其与交流电源电压Us的相位差来控制交流is从而满足控制要求。在直流侧电压恒定情况下，按照正弦调制波和三角载波相比较的方法，对电路中的全控器件VT1~VT4按PWM模式进行控制，使桥臂中点间形成的PWM波形成为一个有效的交流电压源。且满足如下关系式：SSsABfsIRLjUU)(式中：Us为电源电压，UABF为桥中点基波电压在电源电压US和阻抗一定的情况下，is的幅值和相位仅由UABF的幅值及其与US的相位差所决定，控制UABF的幅值和相位，就能迫使Us和is的相位差为所需要的任意角度。控制方法：按升压斩波电路控制。当us0时，由两个升压斩波电路VD1、VT3、VD4、LS和VT2、VD4、VD1、LS交替工作实现整流；当us0时，VT4、VD2、VD3、LS和VT1、VD3、VD2、LS分别组成了另外两个升压斩波电路完成整流。运行状态)(a)(b)(c)(dSISULSURSUABUSISURSULSUABUSISISULSURSUABUSUABULSURU（a）IS与US同相位---整流(b)IS与US反相位---有源逆变(c)IS超前US∏/2---静止无功功率发生器(d)IS与US之间为任意角5.3.2三相PWM整流电路RCRsLsisaisbiscusausbuscCBA5.3.3PWM整流电路的控制包括三个方面：输出直流电压控制;输入交流电流控制;PWM整流电路开关器件的逻辑控制。1、输出直流电压控制电压调节器*dUdU*smIdU2、输入交流电流控制（1）间接电流控制PI负载{*dU+-dU*mI+-sRsLrcrbrauuu)2,1,0()3/2sin(kktRSdU-三角波XLSuLS)2,1,0()3/2cos(kktsURSU（2）直接电流控制PI负载{*dU+-dU*mI乘法器+-*skiskiscsbsaiii,,滞环比较器sRsLscsbsauuu)2,1,0()3/2sin(kkt5.4矩阵式变频电路直接把脉动的交流电通过斩波控制变换为所需频率的交流电特点：因交流电压幅值随时间变化，控制复杂。因无需直流环节，省掉了AC/DC变换，效率高，体积小。Ua、Ub、UC为三相电源输入端，UU、Uv、UW为三相交流输出端。Sau、Sbu、SCU、Sav、Sbv、Scv、Saw、Sbw、SCW分别为连接三相输入与三相输出的9个双向开关，这9个开关组成了3×3矩阵矩阵式变频电路拓扑UaUbUCUUUvUWSauSbuSCUSavSbvScvSawSbwSCW图5.38三相矩阵式变频电路图5.39一种双向开关单元在任一时刻，输出三相中的任一相都可以通过交流开关与三相电源的任一相连接。以U相为例，可以通过Sau、Sbu、SCU的通断控制使UU等于Ua、Ub或者UC，但三个开关同时只能有一个导通，否则会造成电源短路。这样输出UU就是由输入电源Ua、Ub、UC三相电压的片段组合而成，只要开关频率足够高。选择合适的导通时刻与合适的导通时间，UU就可以为预期所希望输出频率的交流电了。UU=αauUa+αbuUb+αcuUC同样可得出UV、UW的表达式用矩阵表达如下：uvwUUUcwbwawcvbvavcubuaucbaUUUcwbwawcvbvavcubuauA由开关函数组成的矩阵A称之为调制矩阵，它是时间的函数。各个开关的导通占空比在每一个周期中均不同。矩阵中的9个元素决定了矩阵变频器9个开关的开关模式。调制矩阵的研究是矩阵式变频器的关键，它决定了变频器的性能以及输出电压和电流波形。