兰州理工大学
硕士学位论文
三电平四象限PWM整流器的研究
姓名：李海波
申请学位级别：硕士
专业：电力电子与电力传动
指导教师：王兴贵
20040601
。近年来，随着电力电子技术的发展，中压变频器得到了迅速的发展，中压变频器～般采用一电平结构，本课题针对三电平巾压变频器的开发研究，设计三电平四象限ＰＷＭ整流器。二电平ＰＷＭ整流器Ｌ』常规的整流器相比，具有以下优点：每一个功率开关器件所承受的电压仅为直流侧电压的一半，这样在同等情况下．功率器件相同直流母线电压就可以提高倍，容量也可以提高一倍，故它比铰适用于高电压、大容量功率应用场合。
本文采用空间电压矢量法对三电平ＰＷＭ整流器进行控制，将ＡＢＣ坐标系巾的三相正弦电压可合成一旋转空间电压矢量，采用空间电压矢量法，对整流器交流侧电压进行控制。将交流电源电压通过＿ｔ相到二相坐标变换，叮以确定电源电压矢量的相位角，从而ｌＵ‘以实现对整流器的功二年凶数的控制。
本文完成了整个控制系统的硬件和软件部分的没计，整流功率单元采ＨＪＩＧＢＴ，整个摔制系统采用ＰＩＣｌ８Ｆ４５８单片机来实现的。并日通过实验验ｔ｝Ｆ了调制策略和控制方法的ＩＦ确件。
关键词：ｊ电平ＰＷＭ整流矢量控制ＰＷＭ控制电路
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ｒｅｃｅｎｔｌｙ，ｗｉｔｈｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｉｔｉｓｐｏｓｓｉｂｌｅｔｏ
ｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｍｅｄｉｕｍｖｏｌｔａｇｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｉｎｖｅｒｔｅｒｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｔｈｕｓ，ｉｔｉｓｉｍｐｏｒｔａｎｔｔｏ
ＰＷＭｒｅｃｔｉｆｉｅｒａｒｅｄｅｓｉｇｎｔｈｒｅｅ－ｌｅｖｅｌＰＷＭｒｅｃｔｉｆｉｅｒ．Ｔｈｅｍａｉｎａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｔｈｒｅｅ－ｌｅｖｅｌ
ａｌｌｏｗｉｎｇｈｉｇｈｖｏｌｔａｇｅｉｎｔｅｎｓｉｔｙｏｆＩＧＢＴ，ｒｅｄｕｃｉｎｇｔｈｅｒａｔｉｏｏｆｖｏｌｔａｇｅａｓｃｅｎｓｉｏｎ，ａｎｄ
ｔｈａｎｔｗｏ－ｌｅｖｅｌｒｅｃｔｉｆｉｅｒａｔｔｈｅｓａｍｅｓｗｉｔｃｈａｃｈｉｅｖｉｎｇｌｏｗｅｒｈａｒｍｏｎｉｃｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ
ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ
Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｔｈｒｅｅ－ｌｅｖｅｌｒｅｃｔｉｆｉｅｒｉｓｆｉｒｓｔｌｙｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅｎ，ｔｈｅｔｈｒｅｅ—ｌｅｖｅｌｓｐａｃｅｖｏｌｔａｇｅｖｅｃｔｏｒｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄｉｓａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｒｅｅ－ｐｈａｓｅｖｏｌｔａｇｅＣａｌｌｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅａｒｏｔａｔｉｏｎａｌｓｐａｃｅｖｏｌｔａｇｅｖｅｃｔｏｒ．Ｂｙａ删ｕｓｔｉｎｇｔｈｅｔｉｍｅｏｆｔｈｒｅｅ－ｐｈａｓｅｖｏｌｔａｇｅｖｅｃｔｏｒｉｎｏｎｅｓｅｃｔｉｏｎ，ｔｈｅｍａｇｎｉｔｕｄｅａｎｄｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｒｏｔａｔｉｏｎａｌｖｏｌｔａｇｅｖｅｃｔｏｒｃａｎｂｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ，
Ｓｅｃｏｎｄｌｙ’ｔｈｅｍａｉｎ?－ｃｉｒｃｕｉｔｏｆｔｈｒｅｅ?－ｌｅｖｅｌｒｅｃｔｉｆｉｅｒ，ｔｈｅｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄｄｒｉｖｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｂｏｕｔＩＧＢＴａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎＰＩＣｌ８Ｆ４５８ｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｏｒａｒｅｄｅｓｉｇｎｅｄ，ａｎｄａｓｅｔｏｆｌｏｗｐｏｗｅｒｔｈｒｅｅ－ｌｅｖｅｌｒｅｃｔｉｆｉｅｒｉｓａｃｃｏｍｐｌｉｓｈｅｄｆｏｒｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｓｏｆｔｗａｒｅｏｆｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍａｎｄｔｈｅｒｅｓｕｌｔｏｆｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓａｒｅｐｒｏｐｏｓｅｄ．
Ｋｅｙｗｏｒｄ：Ｔｈｒｅｅ－ｌｅｖｅｌＰＷＭＲｅｃｔｉｆｉｅｒ，ＳｐａｃｅＶｅｃｔｏｒＰＷＭ，ＣｏｎｔｒｏｌＣｉｒｃｕｉｔ．
第１章绪论
１．１三电平ＰｗＭ整流器研究背景
由于电力电子技术、微电子技术和现代控制理论以惊人的速度向前发展，功率半导体器件性能不断提高，已从早期广泛使用的半控型功率半导体开关，如普通晶闸管（ＳＣＲ）发展到如今性能各异且类型诸多的全控型功率开关，如双极型晶体管（ＢＪＴ）、门极关断（ＧＴＯ）晶闸管、绝缘栅双极型晶体管（ＩＧＢＴ）、集成门极换向晶闸管（ＩＧＣＴ）、功率场效应晶体管（／ｄＯＳＦＥＴ）以及场控晶闸管（ＭＣＴ）等。功率半导体开关器件技术的进步，促进了电力电子变流装置技术的迅速发展，出现了各类变流装置，如变频器、逆变电源、高频开关电源以及各类特种变流器等，这些变流装置在国民经济各领域中取得了广泛的应用。但是，目前这些变流装置很大一部分需要整流环节，以获得直流电压，由于常规整流环节广泛采用二极管不控整流电路或晶闸管相控整流电路，因而对电网注入了大量的谐波及无功功率，造成了电网的严重“污染”。工业用电的负荷，如大功率换流设备、轧机、电焊机、感应加热设备、通信设备和电力机车等的使用往往会造成电网的功率因数偏低和谐波污染。为了保证电网和用电设备的安全经济运行，目前许多国家、国际电工组织以及一些大电力公司都制定了相应的谐波标准，对用电设备入端性能作出严格限制，对入端功率因数和电流各此谐波含量都做出了具体的限定。随着这些规范逐渐被采用，功率因数和谐波含量成为电力电子设计人员必须考虑的问题。治理这种电网“污染”最根本措施就是，要求变流装置实现网侧电流正弦化，并且运行于单位功率因数。因此，作为电网主要“污染”源的整流器，首先受到了学术界的关注，并且在这一领域开展了大量的研究工作。其主要思路就是，将脉宽调制（ＰＷＭ）技术引入到整流器的控制之中，设计出ＰＷＭ整流器，使整流器网侧电流正弦化，并且相位可调，可以运行于单位功率因数。另外，ＰＷＭ整流器为可逆型整流器，能量可以双向流动，整流器可以四象限运行。ＰＷｉｄ整流器为四象限整流器，该整流器与其它类型整流器（二极管、晶闸管整流器）相比，具有以下特点：
ｆ１１功率因数任意可调，可以实现能量的双向流动：
ｆ２）整流器电网侧电流波形接近正弦波形，谐波含量少，只含幅值很小的高次谐波；
ｆ３１动态响应好，适合用于负荷变化频繁的场合；
（４１直流端电压稳定，输出电压谐波含量少。
由于具有上述特点，ＰＷＭ整流器可以广泛应用于需要能量反馈的位能负载或电动机频繁制动的场合，这样既节省了用来吸收回馈能量的笨重电阻负载，又能把
能量回馈到电网，提高了能量的利用率…“１。
Ｐ＿｜ｖＭ整流器可以四象限运行，能量可以双向流动，实现了网侧电流正弦化，并且可以运行于单位功率因数，因而真正实现了“绿色电能变换”。近年来，交流传动已成为电气传动的主流．变频调速是交流传动中最主要的一种调速方式。整流设备作为变频器中的重要组成部分，在常规的由电压型逆变器组成的交流电机调速系统中，为了实现电动机的四象限运行，必须在逆变器直流侧加装耗能或馈能装置，这主要是由于常规的电压型逆变器交流电动机驱动系统采用了交——直——交结构，整流器一般采用大功率二极管或晶闸管整流电路，整流电路结构简单，但交流输入功率因数低，无法实现能量的回馈，并向电网注入大量的谐波电流，给电网造成一定的谐波“污染”。若将ＰＷＭ整流器取代二极管或晶闸管整流器，不仅可以实现交流电动机的四象限运行，网侧单位功率因数正弦波电流控制，还可使直流侧获得足够高且稳定可调的直流电压，从而改善了电动机的驱动性能。另一方面，通过引入适当的控制策略，还可以大大减少直流侧电容的电容量，提高装置运行的可靠性。高性能的变频调速离不开四象限整流，四象限整流在变频调速中具有广泛的应用前景。在当今变频器市场上，中小功率变频器的竞争已趋白热化，而大功率变频器市场尚有待开发，世界上只有少数几家大公司拥有大功率变频器的开发经验和产品，具有高性能四象限运行大功率变频器产品则为数更少。此外，四象限整流器在电气传动方面外，其它方面也有着广泛的应用前景，如静止无功补偿（ＳＶＧ）、有源电力滤波（ＡＰＦ）、统一潮流控制（ＵＰＦＣ）、超导储能（ＳＭＥＳ）、高压直流输电（ＨＶＤＣ）、新型ＵＰＳ以及太阳能、风能等可再生能源的并网发电等。近年来，随着电力电子技术的发展，为了提高输出电压等级，出现了三电平中压逆变器，这一发展对整流器提出了新的要求，相应的出现了对三电平ＰＷＭ整流器的研究。本课题针对三电平中压变频器的开发研究，设计三电平四象限ＰＷＭ整流器。三电平ＰＷＭ整流器与上述常规的二电平ＰＷＭ整流器相比，除具有上述优点外，还具有二电平ＰＷＭ整流器所没有的优点：每一个功率开关器件所承受的电压仅为直流侧电压的一半，这样在同等情况下，功率器件相同直流母线电压就可以提高一倍，容量也可以提高一倍，故它比较适用于高电压、大容量功率应用场合。
１．２国内外发展现状
Ｐ１ｉｙＭ整流器的研究始于２０世纪８０年代，这一时期由于自关断器件的日趋成熟及应用。１９８２年ＢｕｓｓｅＡｌｆｒｅｄ、ＨｏｌｔｚＪｏａｃｈｉｍ首先提出了基于可关断器件的三相全桥ＰＷＭ整流器拓扑结构及其网侧电流控制策略，并实现了电流型ＰＷＭ整流器网侧单位功率因数正弦波电流控制。１９８４年ＡｋａｇｉＨｉｒｏｆｕｍｉ等提出了基于Ｐ嘲整流器拓扑结构的无功补偿器控制策略，这实际上就是电压型Ｐ１】｜『Ｍ整流器早期设计思想。
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到２０世纪８０年代末，随着Ａ．ｗ．Ｇｒｅｅｎ等人提出了基于坐标变换的ＰＶ／］ｆｌＩＩ整流器连续、离散动态数学模型及控制策略，ＰＷＭ整流器的研究发展到一个新的高度。
自２０世纪９０年代以来，ＰｗＭ整流器～直是学术界关注和研究的热点。随着研究的深入，基于ＰＷ］ＶＩ整流器拓扑结构及控制的拓展，相关的应用研究也发展起来，如源滤波器、超导储能、交流传动、高压直流输电以及统一潮流控制等。这些应用技术的研究，又促进了ＰｔＢＪｌ整流器及其控制技术的进步和完善。
这一时期ＰＷＭ整流器的研究主要集中于以下几个方面：
（１）ＰＷＩ、ｆＩ整流器的建模与分析：
（２）电压型ＰｗＭ整流器的电流控制；
（３）主电路拓扑结构研究；
（４）系统控制策略研究；
（５）电流型ＰＷＭ整流器研究：
另外，针对三电平中压变频器的开发研究，开始了三电平四象限ＰＷＭ整流器的研究，目前这一研究已经进入了初步实用阶段，并且有些少数大公司已经研制出三电平ＰＷＭ四象限整流器，如美国通用、德国西门子等公司所研制的三电平中压变频器中整流装置采用的是三电平ＰＷＭ四象限整流器，国内的研究较国外要晚些，目前以实验研究为主，国内三相ＰＷＭ整流研究最早出现于９０年代中期，三电平四象限ＰＷＭ整流最近几年才开始进行研究，主要有以下几方面研究工作“１：（１）仿真分析
根据三电平三相ＰＷＭ整流电路的特点，建立了功率电路的简化电路模型，并进行系统仿真。通过仿真对系统的工作原理和各参数与性能之间的关系作了有价值的分析研究。
（２）建模分析
对三电平三相ＰＷＭ整流器建立一整套系统模型，在此基础上应用控制理论，设计出教正器，实现对系统的闭环控制，并研究其动静态性能，以及各参数与系统性能问的关系等。
（３）控制方法研究
针对三电平三相ＰＷＭ整流器，其控制策略对系统性能具有至关重要的作用，针对电流与功率因数等，采用了多种控制方法如空间电压矢量ＰＷＭ方法、模糊控制方法等。
（４）实验研究
针对三电平三相ＰＷＭ整流器，制作出小容量整流器样机进行实验研究，测出输入端电压电流波形，分析其性能。
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１．３本论文研究的内容
本课题主要进行以下几方面的工作
（１）三电平四象限ＰＷＭ整流电路的原理分析和电路设计
对三电平四象限ＰＷＭ整流电路做详细的理论分析，并根据该原理设计一个小容量的样机，包括功率电路，控制电路等；
（２）软件设计
针对所采用的算法，设计出控制软件；
（３）硬件电路制作和实验研究
完成功率电路、控制电路、驱动电路和保护电路的制作，进行样机的实验研究，取得有关的实验数据和波形，验证设计的正确性。
第２章三电平Ｐ删整流器的原理及ＳＶＰＩ珊Ｉ控制策略２．１概述
从电力电子技术发展来看，整流器是较早应用的一种ＡＣ／ＤＣ变换装置。整流器的发展经历了由不可控整流器、相控整流器到ＰＷＭ整流器的发展历程。与传统的不可控整流器和相控整流器相比，Ｐ嘲整流器的性能有了全面的提高。其关键的改进在于用全控型功率开关取代半控型功率开关或二极管，以ＰＷＭ斩控整流取代了相控整流或不控整流。提高了整流电路的功率因数，并且可实现能量的双向流动。对于ＰＷＭ整流器，采用空间矢量ＰＷＭ（ＳＶＰＩｊ『Ｍ）控制策略，空间矢量ＰＷＭ（ＳＶＰｌｖＭ—一ＳｐａｃｅＶｅｃｔｏｒＰｕｌｓｅ—ＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｒｉｏｎ）控制策略是依据空间电压（电流）矢量切换来控制变流器的一种新颖思路的控制策略。用空间电压矢量脉宽调制（ＳＶＰＷＭ）的方法控制三相整流器，与正弦波脉宽调制ＳＰＷＭ控制相比，其直流电压利用率要高一些，在调控输出电压基波大小的同时也可以减少输出电压中的谐波。并且通过合理地选择丌关状态的转化顺序可以减少逆变器状态转换时功率开关的动作次数，因此在获得相同的输出电压波形质量的情况下，功率开关的工作频率可以降低一些。本文通过介绍二电平ＳＶＰＷＭ调制策略的基本原理，引出三电平ＳＶＰＷＭ的调制策略。
２．２ＰＷＷ整流器原理
ＰＷＭ整流器与以往的整流器相比，具有以下的优良性能：（１）网侧电流为正弦波；（２）网侧功率因数可控制（如单位功率因数控制）；（３）电能双向传输；（４）较快的动态控制响应。由于ＰＷＷ整流器电能可双向传输，当ＰＷＭ整流器从电网吸收电能时，其运行于整流工作状态｛而当Ｐ跏整流器向电网传输电能时，其运行于有源逆变状态。所谓单位功率因数是指：当ＰＷＭ运行于整流状态时，网侧电压、电流同相位（正阻特性）；当Ｐ蹦运行于有源逆交状态对，其网侧电压、电流反相位（负阻特性）。进一步研究表明，由于ＰＷＭ整流器其网侧电流及功率因数均可控制，因而可被推广应用于有源电力滤波及无功补偿等其它一些非整流器应用场合。由此可见，ＰＷＭ整流器实际上是一个交、直流侧可控可以在四象限运行在变流装置。图２—１为ＰＷＭ整流器模型电路，该电路由交流回路、功率开关桥路以及直流回路组成。其中交流回路包括交流电动势Ｐ以及网侧电感上等，直流回路包括负载电阻Ｒ．及负载电动势ｅ，等；功率开关管整流电路可由电压型或电流型整流电路组成。
Ｌ
ｒｕ一晤√ＩＤｌＵｄｃ／＝
图２－１ＰＷｌ４整流器模型电路图
当不计功率开关管损耗时，由交、直流侧功率平衡关系得：
如＝ｆＤｃＶ∞
式中：
ｖ、ｆ——模型电路交流侧电压、电流：
ＶｌＸ，、ｋ——模型电路直流侧电压、电流。
由上式不难理解：通过对模型电路交流侧的控制，就可以控制其直流侧，反之亦然。以下从模型电路交流侧入手，来分析ＰＷＭ整流器的运行状态和控制原理。
稳态条件下，Ｐ１ｖ］Ｉｌ整流器交流侧矢量关系如图２—２所示。
为简化分析，对于Ｐ＇ｍｖｌ整流器模型电路，只考虑基波分量而忽略ＰＷＭ谐波分量，并且不计交流侧电阻。这样可从图２—２分析：当以电网电动势矢量为参考时，通过控制交流电压矢量矿即实现ＰＷＭ整流器的四象限运行。若假设ｌ，ｌ不变，因此１％ｌ＝垃江ｌ，ｌ也固定不变，在这种情况下，ＰＩ矾Ｖｌ整流器交流电压矢量旷端点运动轨迹构成了一个以ＩＫＩ为半径的圆。当电压矢量端点位于圆轨迹Ａ点时，电流矢量ｊ：比电动势矢量雷滞后９０。，此时ＰＷＭ整流器网侧呈现纯电感特性，如图２—２ａ所示：当电压矢量旷端点运动至圆轨迹Ｂ点时，电流矢量，与电动势矢量豆平行且同向，此时ＰＷＭ整流器网侧呈现正电阻特性，如图２－２ｂ所示；当电压矢量旷端点运动至圆轨迹Ｃ点时，电流矢量７比电动势矢量重超前９０。，此时ＰＷＭ整流器网侧呈现纯电容特性，如图２—２ｃ所示；当电压矢量旷端点运动至圆轨迹Ｄ点时，电流矢量７与电动
势矢量雷平行且反向，此时ｐＷＭ整流器网侧呈现负电阻特性，如图２—２ｄ所示。以
上，爿、Ｂ、Ｃ、Ｄ四点是ＰＷＭ整流器四象限运行的四个特殊工作状态，进一步分
析，可得ＰＷＭ整流器四象限运行规律如下：
Ｄ
Ｄ
Ｃ
０１
。．争ｋ－ｆ舔Ｄ
ｃ
Ｄ
彳
＼／
、７
ａ）ｂ）
ｃ）ｄ）
图２－２ＰＷ／ＩＩ整流器交流涓稳态矢量关系
ａ）纯电感特性运行ｂ）正阻特性运行ｃ）纯电容特性运行ｄ）负阻特性运行
￡——交流电网电动势矢量矿——交流测电睢矢量
Ｋ——交流测电感电压矢量
Ｉ——交流测电流矢量
（１）电压矢量旷端点在圆轨迹ＡＢ上运动时，Ｐ１ｖ＾Ｉ整流运行于整流状态。此时，ＰＷｌｖｔ整流器需从电网吸收有功功率及感性无功功率，电能将通过ＰＷＭ整流器由电网传输至直流负载。值得注意的是，当Ｐ１ｖＭ整流器运行在口点时，则实现单位功率因数整流控制；而在Ａ点运行时，ＰＷＭ整流器则不从电网吸收有功功率，而只从电网
吸收感性无功功率。
（２）电压矢量矿端点在圆轨迹ＢＣ上运动时，ＰＷＭ整流运行于整流状态。此时，
ＰｗＭ整流器需从电网吸收有功及容性无功功率，电能将通过ＰｗＭ整流器由电网传输
至直流负载。当ＰＷＭ整流器运行在ｃ点时，Ｐ＿｜ｖＭ整流器将不从电网吸收有功功率，而只从电网吸收容性无功功率。
（３）电压矢量旷端点在圆轨迹ＣＤ上运动时，ＰＷＭ整流运行于有源逆变状态。此
时，ＰＷＭ整流器向电网传输有功及容性无功功率，电能将从ＰＷＭ整流器直流侧传输至电网。当ＰＷＭ整流器运行至Ｄ点时，便可实现单位功率因数有源逆变控制。
（４）电压矢量矿端点在圆轨迹ＤＡ上运动时，Ｐ删整流运行于有源逆变状态。此时，ＰＷＭ整流器向电网传输有功及感性无功功率，电能将从Ｐ＿ｉｉ『Ｍ整流器直流侧传输
至电网。
显然，要实现ＰＷＭ整流器的四象限运行，关键在于网侧电流的控制。一方面，
可以通过控制Ｐ州整流器交流侧电压，间接控制其网侧电流，另一方面，也可以通过网侧电流的闭环控制，直接控制ＰＷＭ整流器的网侧电流”１。
２．３ＰＷＭ整流器的分类及拓扑结构
２．３．１ＰＷＭ整流器的分类
随着ＰＷＭ技术的发展，己设计出多种ＰＷＭ整流器，并可分类如下：按直流储能形式可分为电压型和电流型：按电网相数可分为单相电路、三相电路和多相电路；按ＰＷＭ开关调制可分为硬开关调制和软开关调制：按桥路结构可分为半桥电路和全桥电路；按调制电平可分为二电平电路、三电平电路和多电平电路。
尽管分类方法多种多样，但最基本的分类方法就是将ＰＷＭ整流器分类成电压型和电流型两大类，这主要是因为电压型、电流型ＰＷＭ整流器无论从电路结构、ＰＷＭ信号发生以及控制策略等方面均有各自特点，电压型整流器直流侧采用电容进行储能，而电流型整流器直流侧采用电感进行储能。本文设计的整流主要应用于三电平高压变频器中，并且变频器中储能元件为电容器，所以本课题所设计的ＰＷＭ整流器为三电平电压型ＰＷＭ整流器，因此以下主要对电压型变频器的拓扑结构进行分析。２．３．２电压型ＰＷＭ整流器的拓扑结构
电压型ＰＷＭ整流器（ＶｏｌｔａｇｅＳｏｕｒｃｅＲｅｃｔｉｆｅｒ——ＶｓＲ）最显著拓扑特征就是直流侧采用电容器进行直流储能，为了分析三电平电压型ＰＷＭ整流器的拓扑结构，我们首先从最简单二电平单相和三相电路拓扑结构分析入手，给出三相三电平电压型ＰＷＭ整流器的拓扑结构。
１、单相半桥、全桥ＶＳＲ拓扑结构。
图２—３分别示出了ＶＳＲ单相半桥和单相全桥主电路拓扑结构。两者交流侧具有相同的电路结构，其中交流侧电感主要用以滤除网侧电流谐波。
ｊｄｒｊｄｃ
ｂ）全桥
８）半桥
图２－３单相ＶＳＲ拓扑结构
由图２—３ａ只可以看出，单相半桥ＶＳＲ拓扑结构只有一个桥臂采用了功率开关管，另。桥臂则由两个电容并联组成，同时串联电容又兼作直流侧储能电容；而单相全桥ＶＳＲ拓扑结构则如图２—３ｂ所示，它采用了具有４个功率开关管的Ｈ桥结构，值得注意的是：ＶＳＲ主电路功率开关管必须反并联一个续流二极管，以缓冲Ｐ１ｖＭ过程中的无功电能。比较两者，显然半桥电路具有较简单的主电路结构，且功率开关管数只有全桥电路的一半，因而造价相对较低，常用于低成本、小功率应用场合。进一步研究表明，在相同的交流侧电路参数条件下，要使单相半桥ＶＳＲ以及单相全桥ＶＳＲ获得同样的交流侧电流控制特性，半桥电路直流电压应是全桥电路直流电压的两倍，因此功率开关管耐压要求相对较高。另外，为使半桥电路中电容中点电位基本不变，还需引入电容均压控制，可见单相半桥ＶＳＲ的控制相对复杂。
２、三相ＶＳＲ拓扑结构
图２－４分别给出了三相半桥ＶＳＲ主电路拓扑结构。
图２—４ａ为三相半桥ＶＳＲ拓扑结构。其交流侧采用三相对称的无中线连接方式，并采用６个功率开关管，这是一种最常用的三相ＰＷＭ整流器，通常所谓的三相桥式电路即是指三相半桥电路。
Ｐ
Ｑ
图２—４三相半桥７ＳＲ拓扑结构
三相半桥ＶＳＲ较适用于三相电网平衡系统。当三相电网不平衡时，其控制性能将恶化，甚至使其发生故障。为克服这一不足，可采用三相全桥ＶＳＲ设计。其特点是：公共直流母线上连接了三个独立控制的单相全桥ＶＳＲ，并通过变压器连接至三相四线制电网。因此，三相全桥ＶＳＲ实际上是由三个独立的单相全桥ＶＳＲ组合而成的，当电网不平衡时，不会影响ＰＷＭ整流器控制性能，由于三相全桥电路所需的功
率开关管是三相半桥电路的两倍，因而三相全桥电路一般较少采用…。
３、三电平ＶＳＲ拓扑结构
以上所述的ＶＳＲ拓扑结构属于常规的两电平拓扑结构。这种拓扑结构的不足之处在于，当其应用于高压场合时，需使用高反压的功率开关管串联使用。此外，由于ＶＳＲ交流侧输出电压总在二电平上切换，当开关频率不高时，将导致谐波含量相对较大。为解决这些问题，设计了具有中点钳位的三电平ＶＳＲ拓扑结构，这种拓扑结构中，由多个功率开关管串联使用，并采用二极管钳位，以获得交流输出电压的三电平调制。显然，三电平ＶＳＲ在提高电压等级的同时，有效地降低了交流谐波电压、电流，从而改善了其网侧波形品质。图２—５为三相三电平ＶＳＲ电路的拓扑结构图，可见，三电平电路所需功率开关管与二电平电路时相比成倍增加，并且控制也相对复杂，这是这种电路的不足之处。另外，为了更好地适应于高压大功率应用，并降低交流输出电压谐波，近年来还设计出了采用多个二极管钳位的多电平ＶＳＲ拓扑结构。
口
图２６三相三电平ＶＳＲ拓扑结构
２．４二电平空间电压矢量脉宽调制（ＳＶＰ砌Ｉ）的原理
ＳＶＰ＇ＩＣＭ源于交流电机变频传动控制的空间电压矢量ＰｗＭ控制技术，后被应用于电压型三相整流器的控制中。下面简单介绍二电平ＳＶＰ聊ｄ调制原理。二电平三相桥式逆变器的主电路拓扑图如图２－４所示，图２－６是二电平三相整流器的空间电压矢量图‘…。
设三相交流系统各相电压为
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Ｉ材』Ⅳ（倒）＝Ｕａｃｏｓ（ｇｏｔ）
｛““（ｃｏｔ）＝Ｕｄｃｏｓ（ｇｏｔ一１２０。）（２一１）
Ｉ“ｄ（ｃｏｔ）＝ＵｄＣＯＳ（Ｃａｔ一２４０。）
式中：Ｕｄ为相电压的基波幅值且Ｕｄ＝２ＵＤ／３，角频率∞＝２ｎｆ，ｆ为基波电压频率。
式（２１）的三个相电压瞬时值可以用图２—６中的一个以角速度０２＝２万在空间旋转的电压矢量口（口＝Ｕｏ＋，￡，Ｄ）在Ａ、Ｂ、Ｃ各相轴线上的投影表示，口的大小为相电压的基波幅值％，驴以角速度∞逆时针方向旋转。
则
图２－６空间矢量疗
在任意瞬间，口的相位角为ｃｏｔ。因为
阻Ｄ＝Ｕｃｏｓ（ｏＸ）
‘
ｌＵＱ２Ｕｓｉｎ（ｏｘ）
““（耐）＝Ｕｄｃｏｓ（删）＝Ｕｃｏｓ（耐）＝ｚｆＤ
““（耐）＝Ｕｄｃｏｓ（ｃａｔ一１２０。）＝Ｕｃｏｓ（耐一１２０。）
砘ｃｏｓｌ２０。＋ｕｏｓｉｎｌ２０。＝一知＋粤％
Ｂ
图２．７矢量玩的电路
（２—２）
（２—３）
兰型墨三生堂堡主兰堡堡苎——
即
“ｒ～（科）＝Ｕｄｃｏｓ（ａ＊一２４０。）＝Ｕｃｏｓ（ｔｏｔ一２４０。）
“。ｃ。ｓ２４０。＋“。ｓｉｎ２４０。＝一互１，，４２５甜口
ｌ
０
１√３
２２
１√３
２
２
又因为““＋“ｗ＋““＝Ｏ，由（２—５）ＣＹ．可ＮＮ：
阱ｊｌ
一三
一三
２
２
ｏ鱼一鱼
２
２
（２—４）
（２—５）
（２—６）
公式（２—５３是三相Ａ、Ｂ、ｃ变量变成两相Ｄ、Ｑ变量的变换式，而公式（２—６）
则是两相Ｄ、Ｑ变量变成三相Ａ、Ｂ、Ｃ变量的变换式。
图２－４中三相桥式整流器由Ａ、Ｂ、Ｃ三相桥臂组成。图中定义Ｐ点电位为ｕ。，Ｑ点电位为０。每一桥臂的上下两个功率开关的驱动信号是互补的。Ｕ。当Ｔ１导通，
Ｔ４截止时，Ｕ』。：Ｕ。；当Ｔ４导通，Ｔ１截止时，Ｕ＿。＝Ｏ。如果引入Ａ、Ｂ、Ｃ桥臂
的开关变量ｓ。、品、Ｓ。，定义ｓ。＝Ⅳ４ＤＩＵ。，Ｓ６＝“肋ＩＵ。，ｓ。２“∞ＩＵＤ，则
“。。＝足一Ｕ。，当Ｔ１导通，Ｔ４截止时足５１，这时Ｕｍ
２Ｓ。‘Ｕ。２Ｕ。
当Ｔ４导通，Ｔ１截止时Ｓ。＝０，ｇ＿ｍｔｕ∞＝Ｓ。‘ＵＤ＝０
“∞＝鼠．Ｕ。，当Ｔ３导通，Ｔ６截止时既２１，这时Ｕｍ２＆’Ｕ。２己厂。
当Ｔ６导通，Ｔ３截止时墨＝Ｏ，ｉｇ时Ｕｓｏ＝Ｓ。Ｕｏ＝０
ｇｌＣＯ＝Ｓ。．Ｕ。，当Ｔ５导通，Ｔ２截ａＥｍｔｓ。＝１，这时“ｃ０２蔓‘Ｕ。２ｕ。
当Ｔ５导通，Ｔ２截止时ｓ。＝１，
时ｂｌＣＯ＝Ｓ。’ＵＤ＝０
于是每个桥臂输出端的电压可用各桥臂的开关变量和电源电压ｕ。的乘积表示，整
１１
删州叫一㈨㈨川一
兰州理工人学硕士学位论文
个三相整流器的交流侧输入Ａ、Ｂ、Ｃ点的电压则由Ａ、Ｂ、ｃ三相桥臂的开关变量ｓ。、＆、Ｓ。共同组合决定。用（ｓｏ瓯Ｓ。）表示逆变器的开关状态，由于Ｓ。、邑、Ｓ。各有两种状态：０或１，因此整个三相整流器共有８种开关状态。即（￡毛Ｓ。）为０
（０００），１（００１），２（０１０），３（０１１），４（１００），５（１０１），６（１１０），７（１１１）共８种状态。把以上８种开关状态分别称为０、ｌ、２、３、４、５、６、７。每一种开关状态对应一组确定的Ａ、Ｂ、ｃ各相电压和线电压瞬时值。例如，处于状态５，（ｓｏ墨疋）＝（１０１）时，ｓｏ＝１表示Ａ桥臂上管Ｔ１导通，瓯＝Ｏ表示Ｂ桥臂下管Ｔ６导通，足＝ｌ表示Ｃ桥臂上管Ｔ５导通，此时的等值电路为图（２—７），因此Ｓｔ。。＝Ｕ。，“∞＝一“ｃ８＝－ＵＤ，“删＝０。相电压“ｄⅣ＝甜ｃⅣ＝ＵＤｌ３，“删＝一“脚＝－２ＵＤｌ３。其它七种开关状态的等值电路，线电压，相电压瞬时值可同样求得，表２．１给八种开关状态的相电压、相电压。
表２－１开关状态及输出电压
逆变器
Ｓ。Ｓ＾Ｓ。Ｕ∞Ｕ∞ＵｄＵⅢＵ８ＮＵｃＮ
状态％ＵＤＵＤＵＤＧｏＵｏＯ０００ＯＯ０ＯＯ０
１００１Ｏ一１１—１／３一ｌ／３２／３
２０１０—１１Ｏ一１／３２／３—１／３
３０１１—１０１—２／３１／３１／３
４１００１Ｏ—ｌ２／３—１／３—１／３
５１０１１一ｌＯ１／３—２／３１／３
６１１０Ｏ１－１１／３１／３—２／３
７１１１Ｏ０ＯＯＯＯ
在以上八种开关状态中，０（０００）和７（１１１）两种开关状态为下管Ｔ４、Ｔ６、Ｔ２同时导通和上管Ｔ１、Ｔ３、Ｔ５同时导通，在这两种开关状态时三相整流器交流侧输出电压全为零，称之为零态，其它６种称为非零状态。根据开关变量的定义，有
兰型型三奎兰堡！：兰堡笙苎
则Ｊ“』口＝疋｛“∞＝配Ｉ“ｃ０＝Ｓｃ
将（２－８）整理得
ＵＤ
ＵＤ
【厂Ｄ
一１４ＢＯ＝慨一Ｓｂ）?ＵＤ一“。＝慨一趵．％一“。＝瞧一ｓｏ）?Ｕ。
“』口ｌ
Ⅳｗ｝２ＵＤ
ＵＣＡ『
图（２一１）中负载相电压
故有
一１—１ｌ
２—１ｆ
—ｌ２ｌ（２—７）（２—８）（２—９）
（２—１０）
三相逆变器具有６种非零开关状态。由图（２—８）可知，状态４（１００），咒＝１，咒＝Ｅ＝０，相当于空间电压矢量疗处于耐＝０的位置，即疗位于Ａ相轴线上，如果
俐。詈％２％（２－１１）
这时
这正好是三相正弦交流相电压在（ａｔ＝０时的瞬时值。
同理，由（２－１０）在（ｏｒ＝６０。（１００）、６
当开关状态为６（１１０）、２（０１０）、３（０１１）、１（００１）和５（１０１）时，式所得到的各相电压的数值正好是（２－１）式所示的三相正弦交流电压，１２０。，１８０。，２４０。和３００。时的瞬时值，因此三相整流器处于六种开关状态：４（１１０）、２（０１０）、３（０１１）、１（００１）和５（１０１）时，等效于它产生了删俐唧
＝
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兰州理１’大学硕士学位论文
图（２～４）中的六个电压矢量玩、疗：、玩、口。、疗，和玩，这六个矢量分别位于６０ｔ＝６０。，１２０。，１８０。，２４０。和３００。的空间位置上，这六个特定位置的矢量称为整流器的开关状态非零矢量，另外两个零矢量状态，０（０００），７（儿１）对应零电压矢量驴：＝疗。＝０，口：＝厅，＝０。如图（２—８）所示。
Ｕ４
（０１１）
ｔ∞ｉ）
图２—８两电平电压空间矢量定义
为了利用整流器功率开关的导通、关断状态，调控输出电压的大小及其波形，可采用从整流器的六个处于空间特定位置的开关状态矢量中，选择两个相邻的矢量和零矢量合成一个等效的旋转空间矢量口，调控口的大小和相位，来实现三相整流器交流侧输入电压的调控，这种控制原理称为空间电压矢量ＰＷＭ整流控制。
改变开关变量咒、Ｒ、Ｓｃ，可以获得驴。、疗：、玩、疗。、疗，和瓯六个特定矢量（位置特定，分别在Ｃａｔ＝６０。，１２０。｜，１８０。，２４０。和３００。，且大小由直流电源电压ｕ。确定而不能调控）及玩、玩两个矢量晚。但是无法直接获得任意相位角口且绝对值可控的矢量口。把图（２—４）中的３６０。区域划分为六个６０。的扇区，如果某瞬间要求整流器交流侧输入的各相电压瞬时值所对应的空间矢量疗处在第一扇区：
兰卅Ｉ理工大学硕十学位论文
０。＜口＜６０。，那么可以选用第，扇区边界的特定矢量口．和０：以及零矢量玩合成所要求的矢量０。
一般情况下，如果要求玩的相位角口＝耐为任意指令值，则可用矢量玩所在扇区边界的两个相邻的特定矢量玩和０，及零矢量玩合成矢量口。如果瓦为时间很短的一个丌关周期，在瓦期间，令开关状态Ｘ即特定矢量玩存在时间为Ｔｘ，令开关状态，存在时间为『ｙ，令开关状态０或７即零矢量０。存在时间为瓦，开关周期瓦＝ｔ＋Ｌ＋兀，则在时间很短的一个开关周期Ｂ中，矢量口存在瓦时间其效应可以用０。作用ｔ时间、Ｏｙ作用瓦时间及Ｏｚ作用％时间来等效。也就是说可以用逆变器的三个开关状态ｚ、Ｙ、０，在一个周期五中各自作用ｔ、Ｌ、Ｔｏ时间来合成空间任意位置的矢量０，即
０，．ｔ＋疗，．０＋口：Ｔｏ＝口．瓦＝Ｄ．ｋ＋ｔ＋瓦）（２－１２）
由图（２－８）
１
０，＝委ｕ。（２一１３）
疗，＝ｊ２Ｕ。Ｐ』６０。（２－１４）
０ｚ＝０（２—１５）如果所要求的合成矢量
０＝Ｕａｅ归（２—１６）式中口＝耐为矢量０的相位角。把（２—１３）、（２—１４）、（２—１５）、（２—１６）代入（２—１２）
式得到：
弦Ｌ＋２ＵＤｅＪ６。｜０ｙｙ＝ｕｄｅ］０，Ｔｓ
由于∥”…ｓ６００＋ｊｓｉｎ６００＝三＋－，孚√８…ｓ口伽ｉｎ目
由（２－１２）式可以得到
≥＝拈》ｎ口∽㈣
兰州理＿［大学硕士学位论文
｝：订～Ｖｄ．ｓｉｎ６
０。一日）Ｕｔ
。
’
瓦＝Ｌ－Ｌ—Ｌ＝ｔ１１
打跏ｓ帅）］
（２—１８）
（２—１９）
己知直流电源电压ｕ。和选定的开关周期瓦，在瓦时问内有三个开关状态ｘ、ｙ、０存在，如果开关状态ｘ、ｙ、０的作用时间ｔ、Ｌ、ｒｏ按（２一１７）、（２一１８）、（２—１９）
式确定，那么在周期￡时间段中，三种开关状态的合成效果，即三相整流器输入的
三个特定位置的矢量作用的效果，相当于相位角为口＝ａｇ，幅值为％的空间矢量驴
所产生的三相交流电压瞬时值，也即三相逆变器输出一个Ａ相相位角护＝ｔｏｔ，相电
压幅值为Ｕ。的三相交流平衡电压。在一个开关周期不中设置零矢量的作用时间瓦，可以调控输出电压的大小。Ｕ。一定时，ｒｏ变大，输出电压将减小，一定的￡、■、ｒｏ决定了输出电压具有一定的脉宽和相应的输出电压，最大的输出电压对应于瓦＝０。由（２—１９）式采用空间矢量最大可能输出的相电压幅值为
ｕ一２击％硐１（２＿２０）
线电压最大值
‰＝≤‰
（２＿ｚ”
三相整流器采用ｓＰ州控制时调制比Ｍ≤１，即Ｕ。。。≤Ｕ。，而采用空间电压矢量ＰＷＭ控制时Ｕ。。。≥ｕ。，因此采用空间电压矢量Ｐ釉控制时直流电压利用率要高
一些。由（３—２０）式还可以知道，在第一扇区内
％≤击％硐１
即Ｕ。的调制只能在ＡＯＡＢ所包含的范围之内，如果Ｕ。超出直线ＡＢ，那么
ｔ＋Ｌ＞瓦，这种情况即通常所说的过调制。同理，对应于所有的六个扇区，空间电压矢量调制的线性区是整个六边形的内部，但是当口的模长比内切圆半径大时，
三相PWM 整流器控制器设计 PWM 整流器能够实现整流器电网侧的电流为正弦，从而大大降低整流器对电网的谐波污染。PWM 整流器同时能够实现电网侧电流相位的控制，常见的有使得电网侧电流与电源电压同相位，从而实现单位功率因数控制，也可以根据需要使得电网侧电流相位超前或滞后对应的电源相电压，从而实现对电网的功率因数补偿。 三相PWM 整流器主电路和控制系统原理图如图1所示，其中A VR 为直流侧电压外环PI 调节器、ACR_d、ACR_q分别为具有解耦和电源电压补偿功能的dq 轴电流内环PI 调节器，PLL 为电源电压锁相环，SVPWM 为电压空间矢量运算器，Iabc to Idiq、Vabc to ValfaVbeta和Vdq to ValfaVbeta分别为三相静止坐标-两相旋转直角坐标变换、三相静止坐标-两相静止直角坐标变换和两相旋转直角坐标-两相静止直角坐标变换。 图1 基于空间矢量的三相PWM 整流器原理图
根据开关周期平均值概念、三相电压型PWM 整流器开关函数表等，可得到三相电压型PWM 整流器在dq 坐标下微分方程形式和等效电路形式的开关周期平均模型。经过dq 轴电流解耦和电源电压补偿的控制系统结构图如图2所示，其中小写的变量表示该变量的开关周期平均值，大写的变量表示该变量在工作点的值。 v dc d dc q 图2 基于dq 轴电流解耦和电源电压补偿的控制系统结构图 对解耦和电源电压补偿之后的dq 轴等效电路进行工作点附近的小信号分析，即可得到小信号下的传递函数如式(1、（2）和（3）所示，其中L 、R 分别为交流侧的滤波电感及其等效电阻，C 为直流侧滤波电容，Dd 为d 轴在工作点的占空比。 ~ i d (s αd (s ~ i q (s αq (s ~ v dc (s i d (s V dc (1
整流器的原理： 在以大功率二极管或晶闸管为基础的两种基本类型的整流器中，电网的高压交流功率通过变压器变换为直流功率。提到未来（不久的或遥远的）的其它类型整流器：以不可控二极管前沿产品为基础的斩波器、斩波直流/直流变换器或电流源逆变型有源整流器。显然，这种最新型的整流器在技术上包含较多要开发的内容，但是它能显示出优点，例如它以非常小的谐波干扰和1的功率因数加载于电网。 二极管整流器 所有整流器类别中最简单的是二极管整流器。在最简单的型式中，二极管整流器不提供任何一种控制输出电流和电压数值的手段。为了适用于工业过程，输出值必须在一定范围内可以控制。通过应用机械的所谓有载抽头变换器可以完成这种控制。作为典型情况，有载抽头变换器在整流变压器的原边控制输入的交流电压，因此也就能够在一定范围内控制输出的直流值。通常有载抽头变换器与串联在整流器输出电路中的饱和电抗器结合使用。通过在电抗器中引入直流电流，使线路中产生一个可变的阻抗。因此，通过控制电抗器两端的电压降，输出值可以在比较窄的范围内控制。 晶闸管整流器 在设计上非常接近二极管整流器的是晶闸管整流器。因为晶闸管整流器的电参数是可控的，所以不需要有载抽头变换器和饱和电抗器。 因为晶闸管整流器不包含运动部件，所以晶闸管整流器系统的维修减少了。注意到的一个优点是晶闸管整流器的调节速度较二极管整流器快。在过程特性的阶跃期间，晶闸管整流器常常调节很快，以致能够避免过电流。其结果是晶闸管系统的过载能力能够设计得比二极管系统小。 整流器的现状： 目前，业界推出的节能灯和电子镇流器专用三极管都十分注重对贮存时间的控制。因为贮存时间ts过长，电路的振荡频率将下降，整机的工作电流增大易导致三极管的损坏。虽然可以调整扼流圈电感及其他元器件参数来控制整机功率，但ts的离散性，将使产品的一致性差，可靠性下降。例如，在石英灯电子变压器线路中，贮存时间太大的晶体管可能引起电路在低于输出变压器工作极限的频率振荡，从而
三相电压型PWM整流器及仿真
————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：
电力电子课程设计课程设计报告 题目：三相电压型PWM整流器与仿真 专业、班级： 学生姓名： 学号： 指导教师： 2015年 1 月 6 日 内容得分 1、三相桥式电路的基本原理（10分） 2、整流电路基本原理（10分） 3、pwm控制的基本原理（10分 4、三相电压型pwm整流电路仿真模型（30分） 5、结果分析（30分） 6、程序文件（10分） 总分
摘要：叙述了建立三相电压型PWM整流器的数学模型。在此基础上，使用功能强大的MATLAB软件进行了仿真，仿真结果证明了方法的可行性。 关键词：整流器；PWM；simulink
目录 一任务书 (1) 1.1 题目 (1) 1.2 设计内容及要求 (1) 1.3 报告要求 (1) 二基础资料 (2) 2.1 三相桥式电路的基本原理 (2) 2.2 整流电路基本原理 (4) 2.3 pwm控制的基本原理 (6) 2.4 PWM整流器的发展现状 (6) 三设计内容 (8) 3.1 仿真模型 (8) 3.2 各个元件参数 (11) 3.3 仿真结果 (13) 3.4 结果分析 (15) 四总结 (15) 五参考文献 (15)
一任务书 1.1 题目 三相电压型PWM整流器仿真 1.2 设计内容及要求 设计三相电压型PWM整流器及其控制电路的主要参数，并使用MATLAB软件搭建其仿真模型并验证。 设计要求(pwm整流器仿真模型参数): (1)交流电源电压600V，60HZ (2)短路电容30MVA (3)外接负载500kVar，1MW (4)变压器变比 600/240V (5)0.05s前，直流负载200kw，直流电压500V，0.05s后，通过断路器并联一个相同大小的电阻。 1.3 报告要求 (1)叙述三相桥式电路的基本原理 (2)叙述整流电路基本原理 (3)叙述pwm控制的基本原理 (4)记录参数（截图） (5)记录仿真结果，分析滤波结果 (6)撰写设计报告 (7)提交程序源文件
电子镇流器的工作原理与常见故障修 一、概述 自GE公司的因曼博士(Inman)等在1938年发明了实际应用的荧光灯，到现在已有近70年的历史。虽然新型光源不断出现，但在一定的时间范围内，荧光灯作为主要照明光源的地位可能难以改变。在日光灯发展的过程中，廉价实用的电感镇流器和启辉器，解决了荧光灯的启动与限流问题，对荧光灯迅速发展和普及曾起到过积极推动作用。然而，时至今日，资源变得越来越紧张了，电感镇流器消耗太多的有色金属使人们一定要想办法用更廉价的电子产品来替代它，电子镇流器在上世纪八十年代应运而生，到目前已 经非常普及。 电子镇流器所用元器件少，电路简单，容易制造，并且市场需求量大，是电子爱好者开始创业时的首选产品，有条件的同学，如果打算出去后大干一场的话，也可以考虑先制造电子镇流器。据我所知在仙 桃市，就有几个人在专门制造电子镇流器。 本讲座开办的目的是让同学们关注灯具的变化，了解日光灯电子镇流器的工作原理，学会修理和制 造电子镇流器。 二、普通日光灯的缺陷 普通日光灯的缺陷除消耗有色金属太多外，其对电能的损耗也是不容忽视的。电感镇流器的绕组的欧姆损耗和铁芯的涡流损耗较大，约占灯功率损耗的15%左右。在荧光灯如此普及的今天，电感镇流器所消耗的总能量是十分巨大的。此外，电感镇流器的功率因数较低，一般为0.5左右，会造成电网的严重污染，电力部门不得不加大功率因数补偿电容，增加了电力成本。 三、电子镇流器的特点 电子镇流器的工作原理是将工频(50Hz或60Hz)电源变换成20～50KHz左右高频电源，直接点灯，无需其它限流器件。与电感镇流器相比，电子镇流器具有以下优点： 1、节能： 1）照明效率提高 普通荧光灯的工作频率为50Hz，其照明高效率因所谓的正电(或负电)降落的存在而很低，当电源频率在1000Hz以上时，这种正电(或负电)降落现象消失。而电子镇流器工作频率一般都在20一50kHz，不产生正电或负电电位跌落，这就是电子镇流器能提高照明效率的原因。 2）电子镇流器自身功率损耗低。 电子镇流器的自身消耗功率较难测量，经间接测量估算，工作点调整较好的电子镇流器，其自身消 耗一般都在灯功率的5%以下。 2、其它优点 由于应用了高频电感，电子镇流器体积小，重量轻；低电压可启动点燃灯管；无需启辉器；无频闪， 无噪声等等。 四、电子镇流器的组成与主流电路分析 1、电子镇流器的组成
浅谈电子整流器工作原理 前言 整流器（什么是整流器）是一个简单的将交流(AC)转化为直流(DC)的整流装置，它作为工业应用不可或缺的电子器件已越来越受到人们的亲睐。面对纷繁复杂的电子整流器件，怎样才能判别它的好坏呢?对于有用到电子整流器（整流器的作用）的人来说，了解其基础知识是必不可少的。小编通过搜集各种资料简要的对电子整流器的基础知识进行了以下总结。 电子整流器的工作原理(整流器原理) 电子整流器的基本工作原理如下图所示： 正常情况下，电子整流器通电后逆变器连同电感L、灯丝1、电容、灯丝2组成串联谐振电路，在一定时间内电容两端产生高压，这一高电压引起荧光灯弧光放电使荧光灯启动，然后谐振电路失谐，日光灯进入稳定的点燃状态。当出现灯管老化或者灯管漏气等异常状态时，荧光灯不能正常启动，上面的电路一直
处于谐振状态(除非灯丝烧断或电子整流器损坏)，逆变器输出的电流不断增大，通常这个电流会升高到正常电流的3到5倍。如果这时不采取有效的保护措施，会造成极大危害。首先，过大的电流会导致逆变器中作为开关的三极管或场效应管及其它外围部件因过载而烧毁，甚至引起冒烟、爆裂等事故。同时，灯脚对地线或中线会形成长时间的极高电压，对于20W、36W、40W及其它大部分国标/非标灯的电子整流器，这一电压往往会达到一千伏或更高，这不仅为国标GB15143所严格禁止，而且也会危及人身、财产安全。GB15143-94“11、14”及GB15144-94“5.13”部分对电子整流器的异常状态试验包括：灯开路、阴极损坏、去激活、整流效应等，同时规定电子整流器在经过上述试验后不得发生安全性故障并能够正常工作。 电子整流器满足的两大功能要求 荧光灯的工作性能在很大程度上与相配套工作的电子整流器性能有关，在使用中应使荧光灯的工作性能和电子整流器的工作性能相匹配(如灯阻抗和灯的工作特性)，以使荧光灯能工作在最佳状态， 使用中电子整流器应满足以下功能要求： ①能够限制和稳定荧光灯的工作电流。 ②在交流市电过零时，也能正常工作。
重庆大学电气工程学院 电力电子技术课程设计 设计题目：单相桥式可控整流电路设计 年级专业：****级电气工程与自动化学生姓名：***** 学号： **** 成绩评定： 完成日期：2013年6月 23 日
指导教师签名：年月日
重庆大学本科学生电力电子课程设计任务书
单相桥式可控整流电路设计 摘要：本文主要研究单相桥式PWM整流电路的原理，并运用IGBT去实现电路的设计。概括地讲述了单相电压型PWM整流电路的工作原理，用双极性调制方式去控制IGBT的通断。在元器件选型上，较为详细地介绍了IGBT的选型，分析了交流侧电感和直流侧电容的作用，以及它们的选型。最后根据实际充电机的需求，选择元器件具体的参数，并用simulink进行仿真，以验证所设计的单相电压型PWM整流器的性能。实现了单相电压型PWM整流器的高功率因数，低纹波输出等功能。 关键词：PWM整流simulink 双极性调制IGBT
目录 1.引言 ......................................................... - 5 - 1.1 PWM整流器产生的背景.................................... - 5 - 1.2 PWM整流器的发展状况.................................... - 5 - 1.3 本文所研究的主要内容.................................... - 6 - 2.单相电压型PWM整流电路的工作原理 ............................. - 7 - 2.1电路工作状态分析......................................... - 7 - 2.2 PWM控制信号分析......................................... - 8 - 2.3 交流测电压电流的矢量关系............................... - 9 - 3.单相电压型PWM整流电路的设计 ................................ - 10 - 3.1 主电路系统设计......................................... - 10 - 3.2 IGBT和二极管的选型设计................................. - 11 - 3.3 交流侧电感的选型设计................................... - 11 - 3.4 直流侧电容的选型设计................................... - 12 - 3.5 直流侧LC滤波电路的设计................................ - 13 - 4.单相PWM整流电路的仿真及分析 ................................ - 13 - 4.1 整流电路的simulink仿真............................... - 13 - 4.2 对simulink仿真结果的分析............................. - 16 - 5．工作展望 ................................................... - 16 - 参考文献 ...................................................... - 17 -
PWM整流电路概述 1引言 在电力系统中，电压和电流应是完好的正弦波。但是在实际的电力系统中，由于非线性负载的影响，实际的电网电压和电流波形总是存在不同程度的畸变，给电力输配电系统及附近的其它电气设备带来许多问题，因而就有必要采取措施限制其对电网和其它设备的影响。随着电力电子技术的迅速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通、家庭等众多领域中的应用日益广泛，大量的非线性负载被引入电网，导致了日趋严重的谐波污染。电网谐波污染的根本原因在于电力电子装置的开关工作方式，引起网侧电流、电压波形的严重畸变。目前，随着功率半导体器件研制与生产水平的不断提高，各种新型电力电子变流装置不断涌现，特别是用于交流电机调速传动的变频器性能的逐步完善，为工业领域节能和改善生产工艺提供了十分广阔的应用前景。相关资料表明，电力电子装置生产量在未来的十年中将以每年不低于10%的速度递增，同时，由这类装置所产生的高次谐波约占总谐波源的70%以上。 在我国，当前主要的谐波源主要是一些整流设备，如化工、冶金行业的整流设备和各种调速、调压设备以及电力机车。传统的整流方式通常采用二极管整流或相控整流方式，采用二极管整流方式的整流器存在从电网吸取畸变电流，造成电网的谐波污染，而且直流侧能量无法回馈电网等缺点。采用相控方式的整流器也存在深度相控下交流侧功率因数很低，因换流引起电网电压波形畸变等缺点。这些整流器从电网汲取电流的非线性特征，给周围用电设备和公用电网都会带来不利影响。 为了抑制电力电子装置产生的谐波，其中的一种方法就是对整流器本身进行改进，使其尽量不产生谐波，且电流和电压同相位。这种整流器称为高功率因数变流器或高功率因数整流器。高功率因数变流器主要采用PWM整流技术，一般需要使用自关断器件。对电流型整流器，可直接对各个电力半导体器件的通断进行PWM调制，使输入电流成为接近正弦且与电源电压同相的PWM波形，从而得到接近1的功率因数。对电压型整流器，需要将整流器通过电抗器与电源相连。只要对整流器各开关器件施以适当的PWM控制，就可以对整流器网侧交流电流的大小和相位进行控制，不仅可实现交流电流接近正弦波，而且可使交流电流的相位与电源电压同相，即系统的功率因数总是接近于1。本文主要对与PWM整流器相关的功率开关器件、主电路拓扑结构和控制方式等进行详细说明，在此基础上对PWM整流技术的发展方向加以探讨。 2功率开关器件 PWM整流器的基础是电力电子器件，其与普通整流器和相控整流器的不同之处是其中用到了全控型器件，器件性能的好坏决定了PWM整流器的性能。优质的电力电子器件必须具有如下特点：(1)能够控制通断，确保在必要时可靠导通或截止；（2）能够承受一定的电压和电流，阻断状态时能承受一定电压，导通时匀许通过一定的电流；（3）具有较高的开关频率，在开关状态转换时具有足够短的导通时间和关断时间，并能承受高的di/dt 和dv/dt。目前在PWM整流器中得到广泛应用的电力电子器件主要有如下几种：
桥式整流器原理电路 桥式整流电路（如图5-5所示）是使用最多的一种整流电路。这种电路，只要增加两只二极管口连接成"桥"式结构，便具有全波整流电路的优点，而同时在一定程度上克服了它的缺点。 图5-5（a）为桥式整流电路图（b）为其简化画法 桥式整流电路的工作原理如下：e2为正半周时，对D1、D3和方向电压，Dl，D3导通；对D2、D4加反向电压，D2、D4截止。电路中构成e2、Dl、Rfz、D3通电回路，在Rfz，上形成上正下负的半波整洗电压，e2为负半周时，对D2、D4加正向电压，D2、D4导通；对D1、D3加反向电压，D1、D3截止。电路中构成e2、D2Rfz、D4通电回路，同样在Rfz 上形成上正下负的另外半波的整流电压。以上两种工作状态分别如图5-6（a）和（b）所示。
图5-6 桥式整流电路的工作原理示意图 如此重复下去，结果在Rfz，上便得到全波整流电压。其波形图和全波整流波形图是一样的。从图5-6中还不难看出，桥式电路中每只二极管承受的反向电压等于变压器次级电压的最大值，比全波整流电路小一半。 桥式整流电路的整流效率和直流输出与全波整流电路相同，变压器的利用率最高。现在常用的全桥整流，不用单独的四只二极管而用一只全桥，其中包括四只二极管，但是要标清符号，有交流符号的两端接变压器输出，+、-两端接入整流电路。 需要特别指出的是，二极管作为整流元件，要根据不同的整流方式和负载大小加以选择。如选择不当，则或者不能安全工作，甚至烧了管子；或者大材小用，造成浪费。表5-1所列参数可供选择二极管时参考。 另外，在高电压或大电流的情况下，如果手头没有承受高电压或整定大电滤的整流元件，可以把二极管串联或并联起来使用。 图5-7示出了二极管并联的情况：两只二极管并联、每只分担电路总电流的一半口三只二极管并联，每只分担电路总电流的三分之一。总之，有几只二极管并联，流经每只二极管的电流就等于总电流的几分之一。但是，在实际并联运用时，由于各二极管特性不完全一致，不能均分所通过的电流，会使有的管子困负担过重而烧毁。因此需在每只二极管上串联一只阻
PWM整流工作原理
图6-28 单相PWM 整流电路 整流电路也可分为电压型和电流型两大类，目前半桥电路直流侧电容必须由两个电容串联，其中点和交流电源单相半桥电路 交流侧电感电感和交流电源内部电感，是电全桥电路直流侧电容只要一个就可以。 单相全桥电路 6-8 电力电子技术 (1)单相全桥PWM 整流电路的工作原理 正弦信号波和三角波相比较的方法对图6-28b 中的V 1~V 4进行SPWM 控制，就可以在桥的交流输入端AB 产生一个SPWM 波u AB 。 u AB 中含有和正弦信号波同频率且幅值成比例的基波分量，以及和三角波载波有关的频率很高的谐波，不含有低次谐波。 由于L s 的滤波作用，谐波电压只使i s 产生很小的脉动。 当正弦信号波频率和电源频率相同时，i s 也为与电源频率相同的正弦波。 u s 一定时，i s 幅值和相位仅由u AB 中基波u ABf 的幅值及其与u s 的相位差决定。 改变u ABf 的幅值和相位，可使i s 和u s 同相或反相，i s 比u s 超前90°，或使i s 与u s 相位差为所需角度。 6.4.1 PWM 整流电路的工作原理
6-12 电力电子技术 (2)对单相全桥PWM 整流电路工作原理的进一步说明 整流状态下: u s > 0时，（V 2、VD 4、VD 1、L s ）和（V 3、VD 1、VD 4、L s ）分别组成两个升压斩波电路，以（V 2、VD 4、VD 1、L s ）为例。V 2通时，u s 通过V 2、VD 4向L s 储能。V 2关断时，L s 中的储能通过VD 1、VD 4向C 充电。u s < 0时，（V 1、VD 3、VD 2、L s ）和（V 4、VD 2、VD 3、L s ）分别组成两个升压斩波电路。 6.4.1 PWM 整流电路的工作原理
摩托车整流器的工作原理 (2009-12-23 16:48:44) 转载 标签： 杂谈 摩托车上有一个非常重要的电器部件，它为整车用电设备提供稳定的工作电压，这就是整流稳压器，即我们俗称的“硅整流”。整流就是将交流电压变为直流电压，稳压就是将发电机输出的不稳定电压稳定在规定范围内，实现这两个功能的器件我们就称之为整流稳压器。摩托车整流稳压器从产生到现在已经经历了几个阶段，但直到目前为止，大多数摩托车仍使用技术上存在缺陷的削波短路型整流稳压器。随着科技的发展，新技术和新元器件的出现，改进整流稳压器的性能有了可能，因此新一代的开关型整流稳压器已研制成功并面世，人们已开始认识并使用它，相信不久它就能全面替代削波短路型整流稳压器了。 在未发明二极管前，摩托车只能采用复杂的激磁直流发电机，使用机械调压, 就是用继电器调节激磁电流的大小，是一种简单的开关调压电路。二极管发明后，人们试着采用简单一点的激磁交流发电机，同时用机械调压，后来慢慢用电子调压替代了它。这就是现在汽车上用的调压方式。为什么早期摩托车要用结构复杂的激磁交流发电机而不用结构简单小巧、故障率极低
的永磁交流发电机呢？因为永磁交流发电机的磁场与线圈是固定的，输出电压和频率随发动机转速变化而成正比变化，范围极宽，无法象激磁交流发电机一样用调整激磁电流大小的方法从内部调节输出电压的大小，只能发出电压后再予以稳压，以当时的技术条件无法实现。但后来因小功率永磁交流发电机结构简单，故障率少，还是被广泛用到了摩托车上。 最早的永磁交流发电机用整流稳压器是不带稳压功能的，只有四个二极管，即全波整流，它全靠电瓶稳压（如 XF250 ）。发电机发出的交流电经过二极管桥式整流直接给电瓶充电，充电电压就是发电机输出电压，随转速变化很大，电压跟电流都远远超过电瓶正常的充电电压和电流，由于电瓶特有的稳压性能，所以电压能够稳定在合适的范围，但这是以电瓶的寿命为代价的（一般一年就损坏了，而电瓶的设计寿命为三年）。发动机运转当中，如果电瓶突然断开，所有用电设备便会即刻烧毁，而且随着时间的推移，电瓶稳压性能逐渐失去，电压逐渐升高，很容易烧毁用电设备。 因全波充电容易过充，就出现了半波充电，即只有一个二极管的整流器。因半波充电晚上电力不足，所以大灯只能由发电机交流直接供电，如早期的铃木A100 、本田CG125 等。半波充电也存在着问题：白天行驶时，电瓶仍然过充，于是就在照明线上接有泄流电阻，将电流通过电阻发热泄放掉，以免电瓶早期
四象限变频器技术介绍 浏览9341次 ——初升 摘要：四象限变频器一方面可以实现能量的双向流动，另一方面在大功率运行的时候，对电网的污染小。本文简单介绍了四象限变频器的工作原理及控制方法，并从实际应用的角度，给出四象限变频器各个部分的构成及作用。 关键词：能量回馈电流谐波四象限变频器 1、引言 在上个世纪80年代末，交流变频调速逐渐登上了工业传动调速方式的历史舞台。变频调速在调速范围、调速精度、控制灵活、工作效率、使用方便等方面都有很大的优点，这使变频调速成为最有发展前途的一种交流调速方式。 普通的变频器大都采用二极管整流桥将交流电转化成直流，然后采用IGBT逆变技术将直流转化成电压频率皆可调整的交流电动机。这种变频器只能工作在电动状态，所以称之为两象限变频器。由于两象限变频器采用二极管整流桥，无法实现能量的双向流动，所以没有办法将电机回馈系统的能量送回电网。在一些电动机要回馈能量的应用中，比如电梯，提升，离心机系统，只能在两象限变频器上增加电阻制动单元。将电动机回馈的能量消耗掉。另外，在一些大功率的应用中，二极管整流桥对电网产生严重的谐波污染。 IGBT功率模块可以实现能量的双向流动，如果采用IGBT做整流桥，用高速度、高运算能力的DSP产生PWM控制脉冲。一方面可以调整输入的功率因数，消除对电网的谐波污染，让变频器真正成为“绿色产品”。另一方面可以将电动机回馈产生的能量反送到电网，达到彻底的节能效果。 吉纳电机自2001年开始进行四象限变频器开发和研制工作。到目前已经形成380V、660V两个系列功率等级的成熟的产品和技术，并广泛应用于煤矿和油田领域。 2、四象限变频器的工作原理 四象限变频器的电路原理图如图1所示。
整流器工作原理 桥式整流器原理电路 桥式整流电路（如图5-5所示）是使用最多的一种整流电路。这种电路，只要增加两只二极管口连接成"桥"式结构，便具有全波整流电路的优点，而同时在一定 程度上克服了它的缺点。 图5-5（a）为桥式整流电路图（b）为其简化画法 式整流电路的工作原理如下：e2为正半周时，对D1、D3和方向电压，Dl，D3导通；对D2、D4加反向电压，D2、D4截止。电路中构成e2、Dl、Rfz、D3通电回路，在Rfz，上形成上正下负的半波整洗电压，e2为负半周时，对D2、D4加正向电压，D2、D4导通；对D1、D3加反向电压，D1、D3截止。电路中构成e2、D2Rfz、D4通电回路，同样在Rfz上形成上正下负的另外半波的整流电压。以上两种工作状态分别如图5-6（a）和（b）所示。
图5-6 桥式整流电路的工作原理示意图 如此重复下去，结果在Rfz，上便得到全波整流电压。其波形图和全波整流波形图是一样的。从图5-6中还不难看出，桥式电路中每只二极管承受的反向电压等于变压器次级电压的最大值，比全波整流电路小一半。 桥式整流电路的整流效率和直流输出与全波整流电路相同，变压器的利用率最高。现在常用的全桥整流，不用单独的四只二极管而用一只全桥，其中包括四只二极管，但是要标清符号，有交流符号的两端接变压器输出，+、-两端接入整流电路。 需要特别指出的是，二极管作为整流元件，要根据不同的整流方式和负载大小加以选择。如选择不当，则或者不能安全工作，甚至烧了管子；或者大材小用，造成浪费。表5-1所列参数可供选择二极管时参考。 另外，在高电压或大电流的情况下，如果手头没有承受高电压或整定大电滤的整流元件，可以把二极管串联或并联起来使用。
创作编号： GB8878185555334563BT9125XW 创作者：凤呜大王* 整流器工作原理 桥式整流器原理电路 桥式整流电路（如图5-5所示）是使用最多的一种整流电路。这种电路，只要增加两只二极管口连接成"桥"式结构，便具有全波整流电路的优点，而同时在一定程度上克服了它的缺点。 图5-5（a）为桥式整流电路图（b）为其简化画法 式整流电路的工作原理如下：e2为正半周时，对D1、D3和方向电压，Dl，D3导通；对D2、D4加反向电压，D2、D4截止。电路中构成e2、Dl、Rfz、D3通电回路，在Rfz，上形成上正下负的半波整洗电压，e2为负半周时，对D2、D4加正向电压，D2、D4导通；对D1、D3加反向电压，D1、D3截止。电路中构成e2、D2Rfz、D4通电回路，同样在Rfz上形成上正下负的另外
半波的整流电压。以上两种工作状态分别如图5-6（a）和（b）所示。 图5-6 桥式整流电路的工作原理示意图 如此重复下去，结果在Rfz，上便得到全波整流电压。其波形图和全波整流波形图是一样的。从图5-6中还不难看出，桥式电路中每只二极管承受的反向电压等于变压器次级电压的最大值，比全波整流电路小一半。 桥式整流电路的整流效率和直流输出与全波整流电路相同，变压器的利用率最高。现在常用的全桥整流，不用单独的四只二极管而用一只全桥，其中包括四只二极管，但是要标清符号，有交流符号的两端接变压器输出，+、-两端接入整流电路。 需要特别指出的是，二极管作为整流元件，要根据不同的整流方式和负载大小加以选择。如选择不当，则或者不能安全工作，甚至烧了管子；或者大材小用，造成浪费。表5-1所列参数可供选择二极管时参考。 另外，在高电压或大电流的情况下，如果手头没有承受高电压或整定大电滤的整流元件，可以把二极管串联或并联起来使用。
电子镇流器线路图大全１图片： 图片： 图片：
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浅析新型逆变式电子镇流器工作原理与设计方法（组图） 发布日期：2005-2005-09-10文章来源：谢勇张纳敏照明工程师社区浏览次数：15387 摘要：介绍一种新型逆变式电子镇流器电路结构，该电子镇流器利用电感、电容和二极管构成的辅助电路实现输入电流波形的校正并使功率开关管工作在零电压开关状态，具有高功率因数、高工作效率、低波峰系数和电路结构简单的特点。分析了电路的工作原理，介绍了电路参数设计方法，给出了实验结果。 1 引言 由于电子镇流器具有较高的灯光效、高的功率因数、重量轻、无闪烁、无噪声和使用电压范围较宽(170～270V)等优点，在我国已得到广泛的应用。电子镇流器功率虽小，但使用量极大。因而其性能好坏直接影响到节电效果和对电网污染的程度。本文介绍的电子镇流器不但性能好，而且电路结构简单，成本低，具有较好的应用前景。 2 电路工作原理分析 2．1 电路结构 新型逆变式电子镇流器主电路如图1所示，图中CS为隔直电容，虚线所包围的部分为实现高功率因数而附加的电路，电感L为一个能量传输者传递着电流，同时也起着提高直流电压和电流波形校正的作用。两个电容Cx、CY为两个小型能量槽储存一部分能量，这两个能量槽在高频方式下完成充放电功能。两个二极管VDx、VDy引导电感电流进入电解电容C或负载回路。由于附加能量处理单元的作用，使整流二极管导通角增大到180°。电感L中的电流是一个高频振荡波形，其平均值电流跟随输入电压的波形，从而达到功率因数校正的目的。R1、C1、双向触发二极管VD4为触发启动电路。 2．2 工作过程 为了分析方便，输入电压和整流桥被等效成Urec(t)和VDr表示，其中Urec(t)=Uimㄧsinωtㄧ，Uim为输入电压峰值，ω为输入交流电压频率。灯负载回路等效成一个电流源电路，其电流表达式为io(t)=Iomsinωot(Iom为负载电流幅值，ωo为功率管开关频率)。由于逆变电路开关频率远比输入交流电压频率高，在分析过程的每一开关周期中可认为输入电压是近似不变的。又由于该逆变电路在输入电压峰值附近和输入电压瞬时值较低时的工作状态略有不同，分析时按两种情况讨论。对应的等效电路图及工作波形图分别如图2和图3所示。 第一种工作情况：这种工作情况对应于输入电压瞬时值较低时的工作状态。整个工作过程分五个阶段，此种情况下Ucx最大值低于电解电容C两端直流电压Udc，而且电感电流iL是断续的。
第43卷第11期时代农机2016年11月V o l.43N o.11TIMES AGRICULTURAL M ACH INERY N o v.2016 HXD1C型电力机车四象限整流器工作过程 尹凤伟 (吉林铁道职业技术学院，吉林吉林132002) 摘要：HXD1C型电力机车交流牵引传动系统主要包括各高压设备、主变压器、牵引变流器、牵引电机及相应控制 系统。其中，牵引变流器是电力机车传动级控制的核心部件，其功能是实现将工频电网中25kV的交流电通过变频变压 控制，变换为适合于交流电力机车运行要求及频率可变的交流电。 关键词：牵引变流器；电力机车；四象限整流器 中图分类号:TM46 文献标识码:A文章编号:2095-980X(2016)l l-0026-01 Working Process of Four Quadrant Rectifier of Rype HXD1C Locomotive YIN Feng-wei (Jilin Railway Vocational and Technical College，Jilin，Jilin132002，China) Abstract:Type HXD1C locomotive ac traction drive system mainly includes high voltage equipment，main transformer，trac-tion converter，traction motor and the corresponding control system.Among them，the traction inverter is the core component of electric locomotive transmission level control，whose function is to realize the25kv ac power grid of power frequency through fre-quency conversion variable pressure control，transformed into alternating current suitable for AC electric locomotive operation re-quirements and variable frequency. Key words:traction converters；electric locomotive；four quadrant rectifier 牵引变流器主电路采用交一直一交结构，由电源侧 整流器和电机侧逆变器两部分组成，中间直流电路采用大容 量支撑电容储能的电压型结构，保证了两侧变流器(整流和逆 变）能够在互不干扰的情况下工作。整流器采用四象限整流 器，有利于提高机车的功率因素，减少谐波电流分量。逆变器 采用单轴控制，当某一轴出现故障时，可以将其隔离，只损失 部分牵引力，有利于机车运用。中间直流回路连接有二次谐振 电路、过压保护电路和接地检测电路等。此外，控制系统还采 用了直接转矩控制技术、再生制动技术、TCN网络技术等先 进的控制技术。 1多重四象限整流电路 牵引变流器的功能和状态参数均由TCU监控和保护。机 车在牵引工况时，变流器将主变压器次边绕组上的单相交流 电转变成驱动牵引电机所需的变压变频三相电。制动工况时，牵引电机处于发电工况，变流器将电机发出的电能反馈给电 网。以第一个主电路单元为例说明变流器主电路的工作原理。牵引变压器牵引绕组a1原x1输人电压首先经由KM4 R1组成的充电回路对直流回路的支撑电容充电，充电完成后闭 合短接接触器KM1牵引工况时单相工频电网电压经四象限 PWM整流器整流为1800V直流电压。再经逆变器逆变为三 相VVVF电压供给牵引电机，再生制动工况时牵引电机发出 的三相电压经整流，逆变后通过牵引变压器，受电弓反馈回电 网，电抗器L1和C3~C8组成二次谐振回路。用于滤除四象限 PW M整流器输出的二次谐波电流RCH1为过压斩波电阻，用于直流回路的过电压抑制R4用于将支撑电容上的电压放 至安全电压以下;R8、R9为直流分压电阻、中点接地，用于变 收稿日期=2016-10-088 作者简介:尹凤伟（1986-)，女，讲师，主要研究方向：电力机车和动车 组。 A代^WI biiisggag^iau-l 流器主电路接地检。 2四象限整流器工作过程 在牵引变流器中，四象限整流器设计成变流器模块的形 式。变流器模块(以下简称模块)集成了 IGBT元件、水冷散热 器、温度传感器、门控单元、门控电源、脉冲分配单元、支撑电 容器、低感母排等部件。模块上IGBT元件之间及与支撑电容 的连接使用低感母排，减少了线路上的杂散电感，省去了吸收 电路，使电路更为简洁可靠。脉冲分配单元与门控单元间的信 号传输通过光纤实现，解决了高压隔离问题，提高了模块的抗 干扰性能。四象限整流器在牵引工况下进行交一直变换，将 来自牵引变压器的单相交流输人电压转换为直流电压，为中 间电路提供电能;在再生制动工况时，通过中间直流电路进行 直— —交变换，将电能回馈电网。 四象限整流器是在牵引工况及制动工况下，电压和电流 间的相位角完全是可调节的。通过对电压和电流间的相位角 控制，能够在全部四象限内工作，从而实现能量的双向流动，如图1所示。 图1四象整流电路图原理 采用IGBT作为开关器件的四象限整流器，由高运算粗 粒能力的DSP产生PWM脉冲进行控制。当电机工作在电动 状态的时候，整流控制单元控制整流侧IGBT的开关和通断。IGBT的开通与断开与输人电抗器共同作用产生了与输人电 压相位一致的正弹性弦电流波形，这样就消（下转第28页 ）
电子整流器工作原理详细分析 日光灯电子镇流器典型电路如图1所示、D1～D4和电容C2、C3等构成整流滤波电路，向镇流器提供直流用电；开关功率三极管BG1、BG2和双向触发二级管ST、变压器T等构成高频开关波（方波）电路，其中R1、C4和ST组成锯齿波发生器，用于启动振荡电路；方波振荡电路将直流电变为高频交流电，用于点燃日光灯，由于BG1、BG2工作在开关状态，故可获得很高效率。电感L2和C8、C9等构成串联谐振电路，其作用是起辉日光灯管和限制灯管工作电 流。 接通电源，220V交流电经整流滤波后，输出约300V直流电压，该直流电压经R1对C4进行充电。当C4两端充电电压超过ST的转折电压（约32V）时，ST导通，给BG2管基极提供一个窄电流脉冲使BG2首先导通。此时直流电源通过日光灯管灯丝、L2和T的绕组n1等形成回路，给C8、C9充电，由于脉冲变压器T的线圈n1对n2和反向线圈n3的感应耦合作用，n 2产生的感应电压将使BG1导通，而n3上的感应电压将使BG2截至。故C8、C9又通过L2、n 1和BG1形成放电回路。如此反复循环，BG1、BG2轮流导通，很快形成频率约25kHz的自动 激振荡。 电路起振后，C4经D8和GB1不停地放电，使ST不再产生触发电压，即锯齿发生器停止工作。同时，高频振荡信号很快使C8、C9和L2等构成的串联电路发生谐振，由于C8容量远大于C9容量，因此在C9两端产生足够高（约500－600V）的谐振电压，使灯管一次性启动 点亮。 灯一旦被点亮，LC串联电路则失谐，灯管两端电压将为100V左右，L2只起限流作用，C 8则起隔直作用，C9通过的极小电流对灯丝起辅助加热作用。 另外，当BG2由导通变为截至时，L2的自感电压与电源整流后的电压叠加在一起，会使B G2承受上千伏的高频电压，容易使三极管击穿，C7则可有效降低这个电压 在供电正常时，J2得电吸合，其动触点与“N/O(常开点)”接通，后备蓄电池正端与IC1的反相端相联。IC1(LM308)和D5、D6组成电压比较器，参考电压由D5、D6决定。这里用一个硅二极管(D5)和一个6.2V的稳压二极管(D6)组成6.9V的参考电压，对充电压电压进行监控。当I C1的2脚输入电压(既蓄电池电压)低于6.9V时，IC1的6脚输出高电平，T1导通，J1得电，其动触点与“N/O(常开点)”接通，电源电压通过R2对蓄电池充电，同时LED2点亮为充电指示。改变R2阻值可调整充电电流。随着充电时间增加，IC1的2脚电压逐渐增加，当电压大于参考电压6.9V时，IC1的6脚输出低电平，T1截止，J1失电，断开充电回路，实现自动充电保护功能。
PWM整流电路的原理分析 摘要:无论是不控整流电路，还是相控整流电路，功率因数低都是难以克服的缺点.PWM整流电路是采用PWM控制方式和全控型器件组成的整流电路，本文以《电力电子技术》教材为基础，详细分析了单相电压型桥式PWM整流电路的工作原理和四种工作模式。通过对PWM整流电路进行控制，选择适当的工作模式和工作时间间隔，交流侧的电流可以按规定目标变化，使得能量在交流侧和直流侧实现双向流动，且交流侧电流非常接近正弦波，和交流侧电压同相位，可使变流装置获得较高的功率因数。 1 概述 传统的整流电路中，晶闸管相控整流电路的输人电流滞后于电压，其滞后角随着触发角的增大而增大，位移因数也随之降低。同时输人中谐波分量也相当大，因此功率因数很低。而二极管不控整流电路虽然位移因数接近于1，但输人电流中谐波分量很大，功率因数也较低。 PWM整流电路是采用PWM控制方式和全控型器件组成的整流电路，它能在不同程度上解决传统整流电路存在的问题。把逆变电路中的SPWM控制技术用于整流电路，就形成了PWM整流电路。通过对PWM整流电路进行控制，使其输人电流非常接近正弦波，且和输人电压同相位，则功率因数近似为1。因此，PWM整流电路也称单位功率因数变流器。 参考文献［1］在第6章“PWM控制技术”中增添了“PWM整流电路及其控制方法”这一部分内容。但在PWM整流电路的工作原理中介绍篇幅较少，只是针对PWM整流电路的运行方式相量图进行分析，没有分析其工作过程。对PWM 整流电路不熟悉的教师在了解这部分内容时普遍感觉吃力。 1 单相电压型桥式PWM整流电路 电压型单相桥式PWM整流电路最早用于交流机车传动系统，为间接式变频电源提供直流中间环节，其电路如图I所示。每个桥臂由一个全控器件和反并联的整流二极管组成。L为交流侧附加的电抗器，在PWM整流电路中是一个重要的元件，起平衡电压、支撑无功功率和储存能量的作用。为简化分析，可以忽略L的电阻。 图 1 电压型单相桥式PWM整流电路 除必须具有输人电感外，PWM整流器的电路结构和PWM逆变电路是相同的。按照
镇流器的一般工作原理和功能、性能及使用条件的简介 1 名词解释 1．1电光源将电能转换成光学辐射能的器件（有时也用于某些类型的照明器）。 1．2放电灯由气体、金属蒸气或几种气体与金属蒸气的混合放电而发光的灯。 1．3金属蒸气（放电）灯由金属蒸气放电而发光的灯，如汞（蒸气）灯、钠（蒸气）灯等等。 1．4汞（蒸气）灯由汞蒸气放电而发光的灯。 1．5高压汞（蒸气）灯放电稳定时，汞蒸气的分压强达到或大于10000Pa的汞（蒸气）灯。 1．6钠（蒸气）灯主要由钠蒸气放电而发光的灯。 1．7高压钠（蒸气）灯放电稳定时，灯内钠蒸气的分压强达到或大于10000Pa的钠（蒸气）灯。 1．8金属卤化物灯由金属蒸气与金属卤化物分解物的混合物放电而发光的放电灯。 1．9镇流器稳定放电灯放电的器件。 2 放电灯的主要性能及参数名词 2．1启动时间接通放电灯的电源开关至灯能开展工作所需的时间。 2．2再启动时间放电灯稳定工作后断开电源，从再次接通电源到灯重新开始启动工作所需的时间。 2．3启动电压放电灯开始持续放电时，电极之间所需的最低电压。 2．4灯电流光源稳定工作时，通过光源灯头触点上的电流。 2．5额定电压灯的设计工作电压（直流或交流的有效值）。 2．6额定电流灯在额定电压下的设计电流。 2．7额定功率灯的设计功率。 3 镇流器 3．1镇流器的功能 3．1．1将灯的启动电流限制在合适的范围内 启动电流是指灯在接通电源启动后的30秒内或灯预热过程中通过灯的电流。一般情况（尤其在最低温度状态）下，启动电流远大于灯的工作电流，所以每种灯都规定了启动电流的最大值。如果启动电流过大将会缩短灯的使用寿命：电流过小则不能使灯预热至正常的启动状态或完成由辉光放电向弧光放电过程。镇流器提供灯的启动电流就应该既能在较短的时间内启动灯，又不至于影响灯的正常使用寿命。 3．1．2提供的开路电压足以使灯顺利的启动 镇流器的开路峰值电压作为灯的启动电压时，必须足以电离气体放电灯中的气体，即产生峰值电流使电极之间产生辉光至弧光过度的放电，这样才能使灯启动工作。高压汞灯、金属卤化物灯在低温时比较难于启动，由镇流器提供的开路峰值电压必须足够的高。 3．1．3使灯的功率不发生较大幅度的变化 尽管灯在设计和出厂时对灯管的电压有一定范围的规定值，但在实际使用及整个寿命过程中灯管电压值却是变化的，这就需要由配套的镇流器在一定的范围内进行调整，不使灯管功率发生较大幅度的变化。理想的镇流器就应该使新近刚使用的灯和已经接近寿命终端的灯其灯管的功率不至于相差太大。 3．1．4自动控制灯的工作电流 在一定电压范围内的稳定阻抗，是阻抗式镇流器能控制灯的工作电流的基本条件。镇流器是利用电压正比于电流的时间变化率来调节灯的工作电流的。当某个周期中的开路电压导致灯工作电流增大时，镇流器的电感作用就会限制电流的增大速率：当电流开始减少时电感作用就会阻止电流减少的速率。 3．2 镇流器的主要性能指标 3．2．1电源电压和频率 每个镇流器都标明了使用的电源电压和频率，应该严格按规定进行安装、使用。否则，灯不能运行在设计