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