三相电压型PWM变换器

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1、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构。然后给出了电压型PWM变换器分别在三相静止坐标系、两相静止坐标系和两相旋转坐标系下的数学模型。2.1PWM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

2、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PWM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

3、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RL和负载电动势eL组成。当不考

4、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=idc•vdc(2.1)其中：v、i为交流侧电压、电流；vdc、idc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2.1PWM变换器模型电路2.1.1PWM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

5、VL

6、=ωL

7、I

8、可知，电感电压

9、矢量VL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VL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I90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I90度；当运行于负阻特性点，网侧电压矢量E与网侧电流矢量

10、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180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

11、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2.2PWM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

12、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