PWM电流源型变流器

电力电子学大作业
题目：PWM流源型变流器学院：电气与电子工程学院专业：电力电子与电力传动学生姓名：
授课教师：
2011年6 月7日
PWM电流源型变流器
摘要：本文对PWM电流源型逆变器（CSI）和PWM电流源型整流器（CSR）进行了深入研究。

根据两者的谐波特性，都采用用了特定谐波消除（SHE）这中调制方法。

通过Matlab/Simulink仿真得到相关波形，并由此结果可知特定谐波消除法对PWM电流源型变流器而言是一种非常有效的调制方法。

关键词：SHE、电流源型、逆变、整流
随着门极换相晶闸管（GCT）器件的出现，中压传动系统中越来越多的使用PWM电流源型变流器。

PWM电流源型变流器分为PWM电流源型逆变器和PWM电流源型整流器。

前者具有拓扑结构简单、输出波形好、短路保护可靠等优点，在中压传动系统中使用得非常广泛；后者具有功率因数高、进线电流畸变程度低、动态响应性能好等特点。

本文分别对PWM电流源型逆变器和PWM电流源型整流器进行了介绍，两者都采用了SHE调制法。

本文还将对这个调制方法进行详细介绍，并分析采用该调制法的两种变流器的谐波特性。

1.PWM电流源型逆变器
1.1 逆变器结构
图1 理想的PWM电流源型逆变器
如图1所示为理想化的PWM电流源型逆变器，它由6个GCT器件构成逆变器，且此GCT是具有反阻断能力的对称型结构。

在中压传动系统中，这6个GCT器件还可以由两个或更多个器件串联代替。

直流输入侧是一个理想的电流源。

在实际应用中，电流源可以用电流源型整流器实现。

输入端引入的三相电容是用来帮助开关器件换相的。

当开关关断的瞬间，逆变器输出的电流必须在很短的时间内减小到零，电容则为储存在负载电感中的能量提供电流通路，否则可能产生很高的电压尖峰，并导致功率开关器件损坏。

同时，此电容还可以起滤波的作用，以改善输出电流、电压波形。

且电容值可以随
开关频率的增加而相应减小。

1.2 消除特定的谐波
PWM 电流源型逆变器采用的是SHE 调制法。

这种调制法可以消除逆变器PWM 输出电流中的主要低次谐波。

功率器件的开关角度必须预先计算好并存入数字控制器中，以供运行控制中使用。

由于Matlab/Simulink 中不具备数字控制器模块，本文由于篇幅有限，只尝试仿真一组功率器件的开关角度时的情况。

假设逆变器输出电流的表达式为：
1()sin()w n n i t a n t ωω∞
==∑
式中，
2
014()()sin()()w n w n i t a i t n t d t π
ωωωωπ∞===
∑⎰
傅立叶系数表达式为：
21112111632333263sin()()sin()()sin()()sin()()4sin()()sin()()sin()()sin()()k k k k k k dc n n t d t n t d t n t d t n t d t I a n t d t n t d t n t d t n t d t πππθθππθθθθππθθθππθθθωωωωωωωωπωωωωωωωω-------⎧+++++⎪⎪=⨯⎨⎪+++++⎪⎩⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰
()()()()11221122cos()cos cos cos 33cos cos cos 364cos()cos cos cos 33cos cos 3k k dc k k n n n n n n n k I n n n n n n n ππθθθθππθθπππθθθθπθθ⎡⎤⎡⎤⎛⎫⎛⎫+----+ ⎪ ⎪⎢⎥⎢⎥⎝⎭⎝⎭⎣⎦⎣⎦⎡⎤⎛⎫⎛⎫++-- ⎪ ⎪⎢⎥⎝⎭⎝⎭⎣⎦=⨯⎡⎤⎡⎤⎛⎫⎛⎫+----+ ⎪ ⎪⎢⎥⎢⎥⎝⎭⎝⎭⎣⎦⎣⎦⎡⎛⎫--- ⎪⎝⎭ 为奇数cos 6n k π⎧⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⎤⎛⎫+ ⎪⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦⎩
为偶数 式中，k 为被消除的谐波个数，表达式为：()1/2p k N =-，p N 为输出电流每半个周期中的脉冲数。

为了消除这k 个谐波，假设0n a =由此可得到k 个方程
123(,,,,)0i k F θθθθ= 1,2,3,,i k =
当要消除5、7、11次谐波时，=3k ，则=7p N 。

可得下列方程组：
11122332112233311cos(5)cos[5(/3)]cos(5)cos[5(/3)]cos(5)cos[5(/3)]cos(5/6)0cos(7)cos[7(/3)]cos(7)cos[7(/3)]cos(7)cos[7(/3)]cos(7/6)0cos(11)cos[11(/3)]F F F θπθθπθθπθπθπθθπθθπθπθπθ=+--+-++--==+--+-++--==+-2233cos(11)cos[11(/3)]cos(11)cos[11(/3)]cos(11/6)0
θπθθπθπ⎧⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪-+-⎪++--=⎪⎩ 通过牛顿-拉普逊迭代法解得：
123=2.24
=5.60=21.26
θθθ
2.PWM 电流源型整流器
2.1 整流器结构
图2所示为单桥电流源型整流器的结构图。

在中压传动系统中作为前端整流器，电流源型整流器需要采用两个或多个GCT 串联连接。

整流器交流侧电感为供电电源和整流器之间的总电感，包括供电电源的等效电感、隔离变压器的漏电感以及为减小网侧电流THD 而增加的交流滤波电抗电感。

与PWM 电流源型逆变器类似，PWM 电流源型整流器也需要滤波电容，以帮助GCT 器件进行换相和滤除谐波。

图2 单桥电流源型整流器
本文中所重点研究的是双桥PWM 电流源型整流器，其结构如图3所示。

采用双桥拓扑结构有以下几点优势：
（1）网侧电流更接近正弦波。

因为使用了移相变压器可以消除5、7、17和19次谐波电流，11和13次谐波可通过SHE 方法来消除。

高次谐波可通过滤
波电容来加以抑制，因此变压器一次侧线电流波形更好。

（2）开关频率比较低。

因为整流器只需要消除两个谐波，因此器件的开关频率可以做到比较低。

（3）运行可靠。

在这样的整流器中，无需GCT 串联，系统的可靠性得到了增强。

（4）适合改造项目。

双桥整流器需要移相变压器，而移相变压器可以阻止共模电压，使其不出现在电动机绕组上，避免绕组绝缘过早老化。

v C v B v i i i ~+=图3 双桥电流源型整流器
2.2 消除特定谐波
双桥电流源型整流器仍然采用的是SHE 调制法，但与电流源型逆变器中所使用的有所不同。

（a ）低调制因数时的开关模式A
（b ）高调制因数时的开关模式B
图4 双桥CSR 消除11和13次谐波的两种开关模式
如图4所示为双桥CSR的两种开关模式。

其中A模式更适合低调制因数时的控制。

此时每个开关器件在一个供电电压电源周期中仅有6个脉冲，后面三个为旁路脉冲。

而B模式更适合高调制因数时的运行，每个开关器件在一个供电电源周期中有7个脉冲。

两者结合使用，则幅值调制因数可连续调节。

本文中双桥电流源型整流器的幅值调制因数为1，因此选用了开关模式B。

3.仿真
3.1 CSI仿真结果
如图5所示，示波器中从上到下依次为逆变器输出电流)
(A
i
w 、负载电流)
(A
i
o
和A点到三相电容中性点Z的电压)
(V
v
AZ。

图5所示为输入电流波形，由此可知输入电流稳定后基本上维持在200A不变。

图7和图8分别是输出电流)
(A
i
w
和负载电流)
(A
i
o
的谐波分析图。

图5输出电流)
(A
i
w 、负载电流)
(A
i
o
和电压)
(V
v
AZ
图6 输入电流波形
图7 输出电流)
的谐波分析
i
(A
w
图8 负载电流)
的谐波分析
(A
i
o
3.2 CSR 仿真结果
如图8所示，示波器中从上到下依次为)(A i w 、)(A i s 和)(A i A 的波形，图10-12为各波形的谐波分析。

图9 )(A i w 、)(A i s 和)(A i A 的波形
图10 )(A i w 谐波分析图
谐波分析图
图11 )
i
(A
s
图12 )
谐波分析图
(A
i
A
4.结论
观察图5可知，当输入电流基本稳定在200A时，输出稳定后的变流器输出电流虽然为交流，但其波形并不理想。

但经滤波三相电容滤波后，输出电流的波形非常光滑且没有出现尖峰电压，因此三相滤波电容在其中发挥了很大的作用。

由图7和图8可知，虽然输出电流和负载电流的THD仍不满足要求，但其中的5、7和11次谐波得到了很好的抑制，相对而言都非常小了。

由图9可知，双桥电流源型整流器变压器的输入电流和输出电流波形都近似为正弦波。

移相变压器能抑制5、7、17和19次谐波在其中得到了很好的体现。

由图10-12可观察到，11和13次谐波都很小，且三个电流的THD都非常小且满足IEEE标准，因此SHE调制法在双桥电流源型整流器中得到了很好的应用。

附图一：PWM电流源型逆变器
附图二：双桥电流源型整流器
10。