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1、
大連理工大學電源技術(shù)大作業(yè)
姓名：
學號：
學習中心： 奧鵬遠程教育青島學習中心（直屬）[25]VIP
題目四：三相PWM整流電路分析
總 則：圍繞三相PWM整流電路，介紹其工作原理，并簡述其在實際中的應用。
撰寫要求：
（1）介紹PWM整流電路的分類。
（2）介紹三相PWM整流電路的工作原理。
（3）簡述三相PWM整流電路在實際中的應用。
（4）學習心得
三相PWM整流電路分析
1. PWM整流電路的分類
2、
按輸出濾波方式分為：電壓型和電流型；電流型PWM整流器輸出端采用串聯(lián)濾波電感以維持輸出電 流低紋波，具有近似電流源的特性。
電流型PWM整流器又稱為Buck型整流器，如圖所示。交流側(cè)由L, C組成二階低通濾波器，以濾除交流側(cè)電流中的開關(guān)諧波;直流側(cè)接大電感，使直流側(cè)電流近似為平滑的直流。開關(guān)器件由可控器件與二極管串聯(lián)組成擴以提高器件的反向阻斷能力。與電壓型PWM整流器相似，電流型PWM整流器具有四象限運行的能力。
電流型PWM整流器結(jié)構(gòu)圖：
電壓型PWM整流器是以輸出端 并聯(lián)濾波電容 以維持輸出電壓低紋波，具有近似電壓源的特性。由于其電路結(jié)構(gòu)簡單，便于控制，響應速度快，目前研究及
3、實際應用較多的是電壓型電路。
2.三相PWM整流電路的工作原理
PWM整流器與以往的整流器相比，具有以下的優(yōu)良性能：(1)網(wǎng)側(cè)電流為正弦波；(2)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)可控制(如單位功率因數(shù)控制)；(3)電能雙向傳輸：(4)較快的動態(tài)控制響應。由于PWM整流器電能可雙向傳輸，當PWM整流器從電網(wǎng)吸收電能時，其運行于整流工作狀態(tài)；而當PWM整流器向電網(wǎng)傳輸電能時，其運行于有源逆變狀態(tài)。所謂單位功率因數(shù)是指：當PWM運行于整流狀態(tài)時，網(wǎng)側(cè)電壓、電流同相位(正阻特性)；當PWM運行于有源逆變狀態(tài)時，其網(wǎng)側(cè)電壓、電流反相位(負阻特性)。進一步研究表明，由于PWM整流器其網(wǎng)側(cè)電流及功率因數(shù)均可控制，因而可被推
4、廣應用于有源電力濾波及無功補償?shù)绕渌恍┓钦髌鲬脠龊?。由此可見，PWM整流器實際上是一個其交、直流側(cè)可控，可以在四象限運行的變流裝置。圖1-1為PWM整流器模型電路，該電路由交流回路、功率開關(guān)橋路以及直流回路組成。其中交流回路包括交流電動勢以及網(wǎng)側(cè)電感等，直流回路包括負載電阻及負載電動勢等；功率開關(guān)管整流電路可由電壓型或電流型整流電路組成。
圖1-1 PWM整流器模型電路圖
將普通整流電路中的二極管或晶閘管換成IGBT或MOSFET等自關(guān)斷器件，并將SPWM技術(shù)應用于整流電路，這就形成了PWM整流電路。通過對PWM整流電路的適當控制，不僅可以使輸入電流非常接近正弦波，而且還可以使輸
5、入電流和電壓同相位，功率PWM整流電路由于需要較大的直流儲能電感以及交流側(cè)LC濾波環(huán)節(jié)所導致的電流畸變、振蕩等問題，使其結(jié)構(gòu)和控制復雜化，從而制約了它的應用和研究。相比之下，電壓型PWM整流電路以其結(jié)構(gòu)簡單，較低的損耗等優(yōu)點，電壓型PWM整流電路的成功應用更現(xiàn)實故選擇電壓型PWM整流電路進行研究。
圖1-4 PWM整流電路兩種運行方式向量圖
a）整流運行 b）逆變運行
圖1-5 三相PWM整流電路
三相PWM整流電路主要結(jié)構(gòu)如圖所示，其工作原理和單相PWM整流電路類似。通過對電路進行SPWM控制，就可以在橋的交流輸入端ABC產(chǎn)生一個正弦調(diào)制PWM波，，。，對各相電壓按圖1-4a
6、)的向量圖進行控制，就可使各相電流，，為正弦波且和電壓相位相同，功率因數(shù)為1。
3.三相PWM整流電路在實際中的應用
目前在PWM整流器中得到廣泛應用的電力電子器件主要有如下幾種：
3.1門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)
GTO是最早的大功率自關(guān)斷器件，是目前承受電壓最高和流過電流最大的全控型器件。它能由門極控制導通和關(guān)斷，具有通過電流大、管壓降低、導通損耗小，dv/dt耐量高等優(yōu)點，目前已達6KV/6KA的應用水平，在大功率的場合應用較多。但是GTO的缺點也很明顯，驅(qū)動電路復雜并且驅(qū)動功率大，導致關(guān)斷時間長，限制了器件的開關(guān)頻率；關(guān)斷過程中的集膚效應容易導致局部過熱，嚴重情況下使器件失效；
7、為了限制dv/dt，需要復雜的緩沖電路，這些都限制了GTO在各個領(lǐng)域的應用，現(xiàn)在GTO主要應用在中、大功率場合。
3.2電力晶體管（GTR）
電力場效應管又稱為巨型晶體管，是一種耐高壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管，該器件與GTO一樣都是電流控制型器件，因而所需驅(qū)動功率較大，但其開關(guān)頻率要高于GTO，因而自20世紀80年代以來，主要應用于中小功率的變頻器或UPS電源等場合。目前其地位大多被絕緣柵雙極晶體管(IGBT)和電力場效應管（PowerMOSFET）所取代。
3.3電力場效應管（PowerMOSFET）
電力場效應管是用柵極電壓來控制漏極電流的，屬于電壓控制型器件，因此它的第一個顯著特
8、點是驅(qū)動電路簡單，需要的驅(qū)動功率小。其第二個顯著特點是開關(guān)速度快，工作頻率高。另外PowerMOSFET的熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR。但是PowerMOSFET電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過10kW的場合。
3.4絕緣柵雙極晶體管(IGBT)
IGBT是后起之秀，將MOSFET和GTR的優(yōu)點于一身，既具有MOSFET的輸入阻抗高、開關(guān)速度快的優(yōu)點，又具有GTR耐壓高、流過電流大的優(yōu)點，是目前中等功率電力電子裝置中的主流器件。目前的應用水平已經(jīng)達到3.3KV/1.2KA。柵極為電壓驅(qū)動，所需驅(qū)動功率小，開關(guān)損耗小、工作頻率高，不需緩沖電路，適用于較高頻率的場合。其主要缺點是高壓IGBT內(nèi)
9、阻大，通態(tài)壓降大，導致導通損耗大；在應用于高（中）壓領(lǐng)域時，通常需要多個串聯(lián)。
3.5集成門極換流晶閘管(IGCT)和對稱門極換流晶閘管(SGCT)
IGCT是在GTO的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型復合器件，兼有MOSFET和GTO兩者的優(yōu)點，又克服了兩者的不足之處，是一種較為理想的兆瓦級、高（中）壓開關(guān)器件。與MOSFET相比，IGCT通態(tài)壓降更小，承受電壓更高，通過電流更大；與GTO相比，通態(tài)壓降和開關(guān)損耗進一步降低，同時使觸發(fā)電流和通態(tài)時所需的門極電流大大減小角，有效地提高了系統(tǒng)的開關(guān)速度。IGCT采用的低電感封裝技術(shù)使得其在感性負載下的開通特性得到顯著改善。與GTO相比，IGCT的體積更小
10、，便于和反向續(xù)流二極管集成在一起，這樣就大大簡化了電壓型PWM整流器的結(jié)構(gòu)，提高了裝置的可靠性。其改進形式之一稱為對稱門極換流晶閘管(SGCT)，兩者的特性相似，不同之處是SGCT可雙向控制電壓，主要應用于電流型PWM中。目前，兩者的應用水平已經(jīng)達到6KV/6KA。
學習心得
隨著PWM整流器在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應用和電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展．對PWM整流器控制策略的研究將不斷深人．其控制技術(shù)主要向以下幾方面發(fā)展：
(1)電網(wǎng)不平衡條件下PWM整流器的控制技術(shù)研究
目前關(guān)于電網(wǎng)處于不平衡狀態(tài)時，PWM整流器的研究主要圍繞整流器嗣側(cè)的電感及直流側(cè)電容的設(shè)計準則，或者是通過控制系統(tǒng)本身去改善和抑
11、制整流器輸入側(cè)的不平衡因素。為了使PWM整流器在電網(wǎng)處于不平衡狀態(tài)下仍能正常運行，必須提出相應的控制策略。
(2)將非線性控制理論應用到PWM整流器控制技術(shù)中
為提高PWM 整流器的性能，國內(nèi)外學者開始將非線性狀態(tài)反饋控制、Lyapunov非線性大信號方法以及無源性控制理論應用到PWM整流器控制中。仍然需要研究的共同問題是最佳能量函數(shù)和反饋控制律的確定方法
(3)智能控制技術(shù)的研究
針對PWM整流器的雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)中PJ調(diào)節(jié)器的參數(shù)難以確定。以及系統(tǒng)參數(shù)具有非線性和時變性的問題+為進一步提高PWM整流器的性能，將模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制結(jié)合起來．利用模糊邏輯的智能推理機制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學習能力，將能組成更好的控制方案。
大工16春《電源技術(shù)》大作業(yè)
