柔性电力技术第2章电力变换电路与控制

✓ 在第一象限，逆变器输出电压和电流均为正，逆变器输出 能量；在第三象限，逆变器输出电压和电流均为负，逆变 器输出能量；即在1、4象限，逆变器工作在逆变状态。在 第二象限，逆变器输出电压为负，电流为正，逆变器从负 载向逆变器反馈能量；在第三象限，逆变器输出电压为正， 电流为负，逆变器从负载向逆变器反馈能量。即在2、3象 限，逆变器工作在整流状态。
三相桥式全控整流电路原理图
开关导通情况依次为：
三相桥式全控整流电路带阻感负载α=0时的波形
Ud 0 1.35U2L
U2L 为变压器二次侧线电压的有效值
2.1.3三相桥整流电路的有源逆变工作状态
三相桥式整流电路工作于有源逆变状态时的电压波形
2.1.4整流电路的功率因数和谐波
(2)三相桥式全控整流电路
3、PWM逆变电路及其控制方法
(1)单相桥式
单相桥式PWM逆变电路
单极性PWM 波形谐波 畸变低于 双极性
单极性.PWM控制方式波形
双极性PWM控制方式波形
(2)三相桥式PWM逆变电路
三相桥式PWM逆变电路
为了防止上、下2个臂直通而造成短路， 在给一个臂施加关断信号后，再延迟某一 时间，才给另一个臂施加导通信号。延迟 时间的长短取决于开关器件的关断时间。 但这个延迟时间对输出的PWM波形将带 来一定影响，使其与正弦波产生偏离。
(1)直-直(幅值极性)变换，用于直流电机的驱动。 (2)直-交(正弦波形)变换，用于单相交流不间断电源。 (3)直-交(中高频率)变换，用于变压器隔离式直流开关电源等。
双极性电压开关脉宽调制方式
单极性电压开关脉宽调制方式
2.3 直流一交流变换电路
思考：逆变；有源逆变；无源逆变。
负 载 电 压 负 载 电 流
iL
Ts ti L
Ton T s /2
t
t Ts
Q4 Q
1 t
t
5
T on T s /2
(a) t
Ts
(b) T on T s /2
t Ts
全桥(a) 电路A 受限双极性控制方式工(b) 作波形
(c )
D1
Q2
Q1
Q3
Q 1
D2
QQ 14
Q2 Q3
Q 1Q 4 Q t4
Q 4
D 3
Q1 D2
Q 3 D 4t Q 2Q 2 D 1
三相桥式PWM逆变电路波形
3、异步调制和同步调制
(1)异步调制：载波信号和调制信号不保持同步关系 的调制方式
(2)同步调制：载波比等于常数，并在变频时使载波 信号和调制信号保持同步的调制方式
(3)分段同步调制：同步调制和异步调制结合起来， 构成分段同步调制方式，即把逆变电路的输出频 率范围划分成若干个频段，每个频段内都保持载 波比为恒定，不同频段的载波比不同。各频段的 载波比取3的整数倍且为奇数为宜。
Symmetric
αk
sampling 对称采样
对称和不对称规则采样法
不对称规则采样法生成的梯形波与正弦波逼近程度较高，谐波分量的幅值较小。
AS1 AP1 AS 2 AP2
按冲量相等原理计算双极性第k个PWM脉冲开通和关断角
(3)特定谐波消去法。
特定谐波消去法中，脉冲开关时间不是由三角波载波与正弦调制波的交点确 定的，而是从消除某些特定谐波的目的出发，通过解方程组确定。
✓ 为了使逆变其能够在四个象限工作，功率开关管反并联一 个二极管即可实现。
逆变器波形指标
1）谐波因子（Harmonic Factor）
第n次谐波因子HFn定义为第n次谐波分量有效值同基波分量有效
2）总之谐值波比（，畸即变）因H子FnTHDVV1n(Total
THD
1 V1
( Vn
n2,3
harmonic
1
2)2
distortionHFfnacVVtn1or)
该参数表征了一个实际波形同基波分量的接近程度。输出为理想
正弦波的THD为零。
3）畸变因子（Distortion factor）
总谐波因子指示了总的谐波合量，但它并不能告诉我们每一个谐
波分量的影响程度，畸变因子定义：
1
DF
1 V1
n2,3
4、PWM控制技术
自然采样法,规则采样法,特定谐波消去法
4、PWM控制技术 (1)自然采样法。
按照SPWM控制的基本原理， 在正弦波和三角波的自然交点 时刻，控制功率开关器件的通 断，这种生成SPWM波形的方 法，称为自然采样法。
要准确生成SPWM波形，就应 准确地计算出正弦波和三角
波的交点。
u
ω Δ M Isinrt
Q4 Q
1
V AB
V
t
t
A
Z
1 V in B
V AB
AB V in
2
3
D3
Q
4
D4 iR
t
i
R
i
L
t
t
T on T s /2
t Ts
a T s /2 T on T s T/2 s
t
Ts
t
全(a) 桥电路移相控制方式的(b工) 作过程
(c )
Q1• •
Q2 •
D1 R
•
D2
L
• •
Vs
• Q3
•
io
tA tB
δ
u
k
t t
自然采样法
(2)规则采样法
包括对称和不对称规则采样法
对于不对称规则采
样对法于，对把称△规四则等份采， 1 等样份法线，与以正三弦角波在波
内负有半五周个角交平点分，除线
去与二正等弦份波线交与点正弦作
波为交采点样，点剩，余过两个此
交作点点为作，采平此样行两点线个，，交过点这该 两平点行作线平与行三线角与三波
电压源逆变器
电流源逆变器
逆变器输出瞬时电压和电流曲线
整 流 器 逆 变 器 逆 变 器 整 流 器
四象限工作情况
反并联二极管
✓ 无论逆变器输出是方波还是正弦，在负载为感性或容性负 载时，其输出电压滞后或超前电流。因此，在任意时刻 （除阻性负载）其输出功率的瞬时值有正有负。正的输出 功率表明逆变器输出功率，即能量从逆变器输入向负载传 输；负的输出功率表明逆变器工作于整流状态，从负载向 逆变器反馈能量。因此逆变器必须能够工作在四个象限才 能适应各种不同的负载情况。
单相半波可控整流电路及波形
1 cos
Ud 0.45U2 2
带阻感负载的单相半波可控整流电路及波形
比带电阻负载时平均值减小
当负载为蓄电池、直流电动机的电枢
单相桥式全控整流电路 带阻感负载时的电路及波形
Ud 0.9U2 cos
arcsin E
为停止导电角
2U 2
2.1.2三相可控整流电路
0
vo Q4
Vs
is
D3
••
D4
is
•
Q1• •
• • Q3
•
D1 R
io D3 •
Q2 •
L
• •
• vo Q4
•
D2 D4
模式1 Q1• •
Q2 •
Q1• •
模式2
Q2 •
D1 R
•
D2
L
• •
D1 R
•
D2
L
• •
Vs
• Q3
•
io
vo Q4
Vs
• Q3
•
io
vo Q4
is
D3
••
D4
is
•
D3 ••
D4 •
模式4 (a)
模式3
模式1 模式3
vo
0 2
3 2
模式2 模式2
2 3 2 2
0
2
io
2
is
模式1 模式2
模式3
模式4 (b)
三相电压型桥式逆变电路
2、PWM控制的基本原理
面积等效原理：冲量相等而形状不同的窄脉冲加 在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。 冲量：窄脉冲的面积。 效果：环节的输出响应波形。 即：如果把各输出波形用傅里叶变换分析，则其 低频段非常接近，仅在高频段略有差异。
t
t
i L
T on T s /2
t Ts
T on T s /2
t Ts
(a)
(b)
(c)
相半桥电压型逆变电路及其工作波形
(2)单相全桥逆变电路
单相全桥逆变电路下图所示，有四个功率管、四 个反并联二极管组成，其控制方式有双极性控制、 受限双极性控制和移相控制三种。
电压型逆变电路举例(全桥逆变电路)
Q1 V
-1 Vdc 2
来自百度文库角在波△在内内有有两四个交交
点点，，取此采两样个点交最近点
的即两脉个冲交的点开作通为脉时
冲断刻的时和开刻关通。断时时刻刻和关。
Vdc 2
Δ Sample point
MIsinωt
ωt δ0 δ0 δ0 δ0
δk δ1k
δk δ2k
Asymmetric sampling
不对称采样
ωt
(2)根据载频信号和基准信号的频率之间的关 系，可分为同步调制和异步调制两种。
(3)根据基准信号的不同，可分为矩形波脉宽 调制和正弦波脉宽调制等。
矩形波脉宽调制法：输出脉冲列是等宽的，只能控制一定 次数的谐波；
正弦波脉宽调制法：输出脉冲列是不等宽的，宽度按正弦 规律变化，故输出电压的波形接近正弦波。方案：SPWM
(Vnn2
)2
2
对于第次谐波的畸变因子定义如下：DFn
Vn V1n2
逆变器
单相逆变
三相逆变
方波
脉宽调制
方波
脉宽调制
1 1、电路结构2 及原理 3
4
(1)相半桥电压型逆变电路
C V
in B
Q1
iL Z
C
Q
2
D1
Q 1
V AB
Vin /2 A
D2
i R
Q2
Q1
Q1 D2
Q2 D1
Q1
t
t
V AB
第2章电力变换电路与控制
主讲：张丽霞
中国石油大学 信息与控制工程学院
电力变换通常由电力电子电路实现，可分 为四大类:
交流变直流 AC/DC 直流变直流 DC/DC 直流变交流 DC/AC 交流变交流 AC/AC 本章重点：四类变换的典型电路及其控制方法
2.1交流-直流变换电路 2.1.1单相可控整流电路
in
Q
3
Q1 V
in
Q
3
B
Q1
Q3
Q 1
D1
Q2
A
D3
3
Z
Q
4
D2
QQ 14
Q 2Q 4 Q 3
V AB
V in
VAB Vin
Q2Q 1 Q 4 t tt
QQ 41 DD3 3
Q
1
Q
D 4
2
V AB
V AB
Q 3 QD 13
Q
Q 2
2
D
Q 4
1
D1 t
t
B
D4 iR
i R
4 Ton T s /2
t t
升压变换器电路结构如图所示，它主要用于直流 稳压电源和直流电机的再生制动。
升压变换器电路原理
2.2.3升降压型变换器
主要应用于要求相对输入电压的公共端为负极性、 输出电压可高于或低于输入电压的直流稳压电源
升降压变换器电路原理
2.2.4全桥直-直变换器
全桥直一直换流器电路
上图为全桥开关型变换器电路图，主要应用于：
而输出电压通过调节占空比来控制。
②输出电压不变的间断电流工作方式。
在许多应用场合，如直流开关电源，则需要保持输出电压 不变，而输入电压由于电网的波动会有所变化，通过调节 占空比保持输出电压。
(4)选择合适的低通滤波器截止频率 fc ， 使 fc fs ，可大大减少输出电压纹波。
2.2.2升压型变换器
形状不同而冲量相同的各种窄脉冲
要改变等效输出正弦波的幅值 时，只要按照同一比例系数改 变上述各脉冲的宽度即可。 实用的PWM逆变装置由3部分 组成：直流电源、中间滤波环
节和逆变电路。
PWM逆变电路的实质是依靠调节脉冲宽 度改变输出电压，通过改变调制周期 达到改变输出频率的目的。
分类：
(1)根据调制脉冲的极性，可分为单极性和双 极性调制两种。
通常电力系统中装 设的并联补偿电容 器，可对相移功率 因数DPF进行校正， 但畸变所引起的功 率因数降低则只能 通过减小谐波含有
率得到改善。
2.1.5交流电感对换相的影响
由于换相的影响，交流侧电流波形将发生 变化，这会对功率因数以及注入交流系统 的谐波电流产生影响。
2.1.6 双三相桥式整流电路
step-up/step-down
2.2.1 降压型变换器
降压变换器电路原理图
(1)连续电流工作方式
连续电流下对应的波形
2)电流临界连续工作方式
(3)间断电流方式。
由于应用场合不同，降压变换器有两种工 作方式： ①输入电压不变的间断电流工作方式：
当降压变换器应用于直流电机调速时，输入电压保持不变，
将上述两组不同的变 压器组合起来，其电 网侧的总电流中将不 再含有5、7、17、19 等次数的谐波，而只 含有12k±1次的特征 谐波，即为12脉动整 流，如图(c)所示，
变压器接线方式不同时电网侧电流波形
2.2 直流-直流变换电路
将一种幅值直流电压变换成另一幅值固定或大小可调的可 控直流电压的过程称为直流-直流电压变换。由于这类变 换的基本原理是利用开关器件对输入电压波形周期性地 “斩切”，因此也常称为斩波器。
主要内容：
✓ 降压型(Buck)变换器、 ✓ 升压型(Boost)变换器 ✓ 升降压(Buck-Boost)变换器 ✓ 全桥直-直变换器
DC/MDaiCn O变bjec换tiv器es 的分类
Buck Converter step-down chopper
BoostConverter Buck-BoostConverter Full-bridgeconverter step-upchopper (<=>Cukconverter) /isolatedconverter
特定谐波消去法的输出PWM波形
幅值
调制度
基波
规则采样法的频谱图
特点： ✓基波幅度大小与调制度 成正比：。 ✓谐波频率的主要分量以簇（clusters）的形式出 现