三相电压型PWM变换器

第2章三相电压型PWM变换器

本章首先简要概述了三相电压型PWM变换器的原理，分析了PWM变换器具备四象限运行能力的原因，并介绍了电压型PWM变换器几种常见的拓扑结

α-构。然后给出了电压型PWM变换器分别在三相静止ABC坐标系、两相静止β

坐标系和两相旋转q

d-坐标系下的数学模型。

2.1 PWM变换器的基本原理

整流器的发展经历了二极管不控整流、晶闸管相控整流器到可关断功率开关管的PWM整流器。二极管不控与晶闸管相控整流器均会在网侧电流中产生谐波，且功率因数不高，其中，二极管不控整流的直流侧母线电压不可控。PWM 整流器以其优良的性能成为发展的趋势。PWM整流器不但实现网侧电流正弦化，单位功率因数控制，电能的双向传输以及快速的动态控制响应。

PWM整流器不仅实现了传统的AC-DC整流功能，还由于其具备四象限运行能力，使得其可工作在逆变状态，实现电能从直流侧向电网侧传输。由于PW M整流器网侧呈现受控电流源特性，因此其网侧功率因数可控。当控制其网侧电流网测电压同相时，PWM整流器运行于单位功率因数整流状态；当控制器网侧电流与网侧电压反相时，PWM整流器运行于单位功率因数逆变状态。双PWM 交-直-交变频器正是采用了PWM整流和PWM逆变的两种特性。当电机运行于亚同步速发电时，能量从电网通过变频器流入电机，网侧变换器处于整流状态而电机侧变换器处于逆变状态；当电机运行于超同步速时，能量从电机通过变频器回馈到电网，此时网侧变换器处于逆变状态而电机侧变换器处于整流状态。两变换器的工作状态的转换完全由功率流向决定、自动完成。

PWM变换器电路可看作由交流回路、功率开关管桥路以及直流回路组成，如图2.1。其中，交流回路由电网电动势e和交流侧电感L组成；功率开关管桥路依据电压型或电流型PWM变换器有所不同；直流回路由负载电阻R L和负载电动势e L组成。当不考虑功率开关管的桥路损耗时，交流侧输入或回馈的功率和直流侧消耗或产生的功率相平衡，有：

i•v=i dc•v dc (2.1)其中：v、i为交流侧电压、电流；v dc、i dc为直流侧电压、电流；

由式2.1可知，通过控制交流侧的电压、电流可实现对直流侧的控制；反过来，通过直流侧的控制可实现交流侧的控制。

图2.1 PWM变换器模型电路

2.1.1 PWM变换器的四象限运行

为便于理解PWM变换器的四象限运行能力，从变换器稳态条件下的交流侧矢量关系来阐述，如图2.2。当网侧电流矢量I幅值不变时，由|V L|=ωL|I|可知，电感电压矢量V L的幅值也不变，电网电压矢量也可看作不变，则可以得到交流侧电压矢量V的轨迹为一个以电感电压矢量V L的幅值为半径的圆。PWM整流器可运行圆上的任一点而呈现不同的特性。其中有4个运行点最为特殊，它们分

别是纯电感特性运行点，正阻特性运行点、纯电容特性运行点以及负阻特性运行点。当运行于纯电感特性点，网侧电压矢量E超前于网侧电流矢量I 90度；当运行于正阻特性点，网侧电压矢量E与网侧电流矢量I同相位；当运行于纯电容特性点，网侧电压矢量E滞后于网侧电流矢量I 90度；当运行于负阻特性点，网侧电压矢量E与网侧电流矢量I相位相反。

当PWM变换器处于第一象限运行时，网侧电压矢量E滞后网侧电流矢量I 的角度介于90度和180度之间，此时PWM变换器处于有源逆变状态，有功功率和容性无功功率从直流侧向电网传输，能量回馈到电网上；当PWM变换器处于第二象限运行时，网侧电压矢量E超前网侧电流矢量I的角度介于90度和1 80度之间，此时PWM变换器仍处于有源逆变状态，有功功率和感性无功功率从直流侧向电网传输，能量回馈到电网上；当PWM变换器处于第三象限运行时，网侧电压矢量E超前网侧电流矢量I的角度介于0度和90度之间，此时PWM 变换器工作在整流状态，有功功率和感性无功功率从直流侧向电网传输，PWM 变换器从电网吸收能量；当PWM变换器处于第四象限运行时，网侧电压矢量E 滞后网侧电流矢量I的角度介于0度和90度之间，此时PWM变换器工作在整流状态，有功功率和容性无功功率从直流侧向电网传输，PWM变换器从电网吸收能量；从以上分析可得看出，通过控制电网侧电流可以实现PWM变换器的四象限运行。

图2.2 PWM变换器交流侧稳态矢量图

2.1.1 电压型PWM变换器的基本电路拓扑结构

PWM变换器技术发展到今天，已经设计出了多种PWM变换器。最基本的分类方法是根据直流储能形式的不同分为电压型和电流型两类。电流型PWM整流器因为需要大直流储能电感和交流侧LC滤波环节所致使的电流畸变、振荡的问题，其发展受到一定的限制。但是随着超导技术的发展和超导储能技术的应用，超导线圈可作为直流储能电感，电流型PWM整流器也开始得到了发展，尤其是在超导储能变流环节，电流型PWM整流器无需另加直流电感，并且具有良好的电流保护性能，使得它比电压型PWM整流器具有更大的优势。而电压型PWM 变换器因其结构简单，损耗小，控制方便成为研究的热点。其最显著的拓扑特征就是直流侧采用电容进行直流储能，使得变换器直流侧呈现低阻抗的电压源特性。（直流端接充电电池）

电压型PWM整流器的拓扑结构主要有单相半桥、全桥；三相半桥、全桥和三电平三类。每种拓扑结构均有各自的优缺点。接下来简要叙述这几类拓扑结构的工作原理。图2.3为单相电压型PWM变换器半桥、全桥拓扑结构。二者网侧的机构一样，由单相电网和输入电感组成，电感可以滤波网侧电流的谐波。两者的主要区别在于功率开关管桥路和直流侧电容：半桥变换器采用单桥臂（2个功率开关管反并二极管）和两个串联电容，全桥变换器采用双桥臂（4个功率开关管反并）和单个电容。二者在相同的交流侧电路参数条件下，单相半桥变换器比全桥变换器控制相对复杂，因为半桥变换器直流储能电容由两个电容串联组成，必须保证电容中点点位基本不变，因此需要引入电容均压控制，而且要取得同样网侧电流控制特性，半桥电路直流电压为全桥电路的两倍，这就要求半桥电路的功率开关管耐压等级也比全桥电路高。但是，半桥电路相对全桥电路少用两个功率开关管，从成本上较全桥电路有所减少。

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