大工春《電源技術(shù)》大作業(yè)

大連理工大學(xué)電源技術(shù)大作業(yè)姓名：學(xué)號(hào)：學(xué)習(xí)中心：奧鵬遠(yuǎn)程教育青島學(xué)習(xí)中心（直屬）25VIP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(jiǎn)述其在實(shí)際中的應(yīng)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(jiǎn)述三相PWM整流電路在實(shí)際中的應(yīng)用。（4）學(xué)習(xí)心得三相PWM整流電路分析1. PWM整流電路的分類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(kāi)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(kāi)關(guān)器件由可控器件與二極管串聯(lián)組成擴(kuò)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(yùn)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(jiǎn)單，便于控制，響應(yīng)速度快，目前研究及實(shí)際應(yīng)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(dòng)態(tài)控制響應(yīng)。由于PWM整流器電能可雙向傳輸，當(dāng)PWM整流器從電網(wǎng)吸收電能時(shí)，其運(yùn)行于整流工作狀態(tài)；而當(dāng)PWM整流器向電網(wǎng)傳輸電能時(shí)，其運(yùn)行于有源逆變狀態(tài)。所謂單位功率因數(shù)是指：當(dāng)PWM運(yùn)行于整流狀態(tài)時(shí)，網(wǎng)側(cè)電壓、電流同相位(正阻特性)；當(dāng)PWM運(yùn)行于有源逆變狀態(tài)時(shí)，其網(wǎng)側(cè)電壓、電流反相位(負(fù)阻特性)。進(jìn)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，因而可被推廣應(yīng)用于有源電力濾波及無(wú)功補(bǔ)償?shù)绕渌恍┓钦髌鲬?yīng)用場(chǎng)合。由此可見(jiàn)，PWM整流器實(shí)際上是一個(gè)其交、直流側(cè)可控，可以在四象限運(yùn)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(kāi)關(guān)橋路以及直流回路組成。其中交流回路包括交流電動(dòng)勢(shì)以及網(wǎng)側(cè)電感等，直流回路包括負(fù)載電阻及負(fù)載電動(dòng)勢(shì)等；功率開(kāi)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(yīng)用于整流電路，這就形成了PWM整流電路。通過(guò)對(duì)PWM整流電路的適當(dāng)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(chǔ)能電感以及交流側(cè)LC濾波環(huán)節(jié)所導(dǎo)致的電流畸變、振蕩等問(wèn)題，使其結(jié)構(gòu)和控制復(fù)雜化，從而制約了它的應(yīng)用和研究。相比之下，電壓型PWM整流電路以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，較低的損耗等優(yōu)點(diǎn)，電壓型PWM整流電路的成功應(yīng)用更現(xiàn)實(shí)故選擇電壓型PWM整流電路進(jìn)行研究。圖1-4 PWM整流電路兩種運(yùn)行方式向量圖a）整流運(yùn)行 b）逆變運(yùn)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(guò)對(duì)電路進(jìn)行SPWM控制，就可以在橋的交流輸入端ABC產(chǎn)生一個(gè)正弦調(diào)制PWM波，。，對(duì)各相電壓按圖1-4a)的向量圖進(jìn)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(shí)際中的應(yīng)用目前在PWM整流器中得到廣泛應(yīng)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(guò)電流最大的全控型器件。它能由門極控制導(dǎo)通和關(guān)斷，具有通過(guò)電流大、管壓降低、導(dǎo)通損耗小，dv/dt耐量高等優(yōu)點(diǎn)，目前已達(dá)6KV/6KA的應(yīng)用水平，在大功率的場(chǎng)合應(yīng)用較多。但是GTO的缺點(diǎn)也很明顯，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜并且驅(qū)動(dòng)功率大，導(dǎo)致關(guān)斷時(shí)間長(zhǎng)，限制了器件的開(kāi)關(guān)頻率；關(guān)斷過(guò)程中的集膚效應(yīng)容易導(dǎo)致局部過(guò)熱，嚴(yán)重情況下使器件失效；為了限制dv/dt，需要復(fù)雜的緩沖電路，這些都限制了GTO在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，現(xiàn)在GTO主要應(yīng)用在中、大功率場(chǎng)合。3.2電力晶體管（GTR）電力場(chǎng)效應(yīng)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(dòng)功率較大，但其開(kāi)關(guān)頻率要高于GTO，因而自20世紀(jì)80年代以來(lái)，主要應(yīng)用于中小功率的變頻器或UPS電源等場(chǎng)合。目前其地位大多被絕緣柵雙極晶體管(IGBT)和電力場(chǎng)效應(yīng)管（PowerMOSFET）所取代。3.3電力場(chǎng)效應(yīng)管（PowerMOSFET）電力場(chǎng)效應(yīng)管是用柵極電壓來(lái)控制漏極電流的，屬于電壓控制型器件，因此它的第一個(gè)顯著特點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，需要的驅(qū)動(dòng)功率小。其第二個(gè)顯著特點(diǎn)是開(kāi)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(guò)10kW的場(chǎng)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(diǎn)于一身，既具有MOSFET的輸入阻抗高、開(kāi)關(guān)速度快的優(yōu)點(diǎn)，又具有GTR耐壓高、流過(guò)電流大的優(yōu)點(diǎn)，是目前中等功率電力電子裝置中的主流器件。目前的應(yīng)用水平已經(jīng)達(dá)到3.3KV/1.2KA。柵極為電壓驅(qū)動(dòng)，所需驅(qū)動(dòng)功率小，開(kāi)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(chǎng)合。其主要缺點(diǎn)是高壓IGBT內(nèi)阻大，通態(tài)壓降大，導(dǎo)致導(dǎo)通損耗大；在應(yīng)用于高（中）壓領(lǐng)域時(shí)，通常需要多個(gè)串聯(lián)。3.5集成門極換流晶閘管(IGCT)和對(duì)稱門極換流晶閘管(SGCT)IGCT是在GTO的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新型復(fù)合器件，兼有MOSFET和GTO兩者的優(yōu)點(diǎn)，又克服了兩者的不足之處，是一種較為理想的兆瓦級(jí)、高（中）壓開(kāi)關(guān)器件。與MOSFET相比，IGCT通態(tài)壓降更小，承受電壓更高，通過(guò)電流更大；與GTO相比，通態(tài)壓降和開(kāi)關(guān)損耗進(jìn)一步降低，同時(shí)使觸發(fā)電流和通態(tài)時(shí)所需的門極電流大大減小角，有效地提高了系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)速度。IGCT采用的低電感封裝技術(shù)使得其在感性負(fù)載下的開(kāi)通特性得到顯著改善。與GTO相比，IGCT的體積更小，便于和反向續(xù)流二極管集成在一起，這樣就大大簡(jiǎn)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(jìn)形式之一稱為對(duì)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(yīng)用于電流型PWM中。目前，兩者的應(yīng)用水平已經(jīng)達(dá)到6KV/6KA。學(xué)習(xí)心得隨著PWM整流器在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用和電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展對(duì)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(shí)，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(jì)準(zhǔn)則，或者是通過(guò)控制系統(tǒng)本身去改善和抑制整流器輸入側(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(yùn)行，必須提出相應(yīng)的控制策略。(2)將非線性控制理論應(yīng)用到PWM整流器控制技術(shù)中為提高PWM 整流器的性能，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)始將非線性狀態(tài)反饋控制、Lyapunov非線性大信號(hào)方法以及無(wú)源性控制理論應(yīng)用到PWM整流器控制中。仍然需要研究的共同問(wèn)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(duì)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(shí)變性的問(wèn)題+為進(jìn)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(lái)利用模糊邏輯的智能推理機(jī)制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)能力，將能組成更好的控制方案。