三相PWM整流器及其控制
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三相PWM整流器及其控制
三相PWM整流器及其控制
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浙江大學(xué)
碩士學(xué)位論文
三相PWM整流器及其控制
姓名：接峰
申請學(xué)位級別：碩士
專業(yè)：電機與電器
指導(dǎo)教師：黃進(jìn)
20060301浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章緒論
第一章緒論
夔萋功率半導(dǎo)體菝零懿不齲發(fā)曩，越張越多筑魄力邀子裝置廣泛戇運強，弓l
超的諧波及無功污染問題逐漸引起了入銷的重視。特別是常規(guī)整流環(huán)節(jié)廣泛采用
的=極管不掇整流電路和齲閘管相控熬流電路，對電闡注入了大墩諧波及無功，
逡成了嚴(yán)重的電網(wǎng)“污染”。
1．1諧波的危害
傳統(tǒng)的二搬管不控整淡穩(wěn)鑫闡管擺搜整濾的主要不是是{1I：
～、整流器對電麗產(chǎn)生大量的諧波。
二、整流器工作于深艘相控狀態(tài)時，裝置的功率因數(shù)很低。
三、整流器輸出側(cè)設(shè)擻較大的平波電抗器和濾波電容以濾除紋波。這導(dǎo)致熬
套設(shè)鍪夔傣獲穗重量壤大，按耗也程應(yīng)主蠢。
四、整流器相控導(dǎo)致調(diào)節(jié)周期長，加之輸出濾波時間常數(shù)又較大，所以系統(tǒng)
動態(tài)響應(yīng)慢。
以上第三：靼條只是影響整流裝置本身的性能，蔫第一、二兩條對電網(wǎng)造成
．
了諧波污染秘?zé)o功增蕊，降低了電霹懿燧行質(zhì)量。無功靜剿俸霜交糯為降舔了發(fā)
電、輸電設(shè)備的利用率，增加了線路損耗。無功還使線路和變壓器的電壓降增大。
諧波的危害主要有以下幾條：
一、諧波罐撩了公震毫嬲豹囂熱羧魄援耗，降低了發(fā)電、輸電設(shè)冬斡稠愛率。
二、在暾纜輸電的情況下諧波以正比于其他電壓懈值的形式增加了介質(zhì)的電
場強度，縮綴了電纜的使用壽命，還增加了事故次數(shù)和修理費用。
三、諧波對周圍的環(huán)城產(chǎn)生電磁予揀，影響通傣設(shè)備的正常工作。
鍾、港沒逐弓|超菜驁縫電器、接融瓣靜誤動終。
五、諧波使常規(guī)電氣儀表測量不準(zhǔn)確。
六、諧波會影響設(shè)備的正常工作。比如諧波對電帆產(chǎn)生附加轉(zhuǎn)矩，導(dǎo)致不希
臻豹飆摭震動、噪聲。{騫波懟電爨還會霉|入驥熱鋼損、鐵損，以及j篷電壓，導(dǎo)致
髑部過熱，絕緣老化，縮斑設(shè)備使用壽禽。瞬時的t簿波高壓還可自％損壞其他一蹙
對過電壓敏感的電子設(shè)備。
七、諧波容易使電網(wǎng)產(chǎn)生局部的并聯(lián)或串聯(lián)諧振，麗諧振導(dǎo)致的諧波放大效
應(yīng)又進(jìn)一參黲曩：籟熬裁了掰鴦蔻述閼囂。浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章緒論
1．2諧波抑制和功率因數(shù)校正技術(shù)
消除諧波污染并提高功率因數(shù)，已經(jīng)成為電力電子技術(shù)中的一個重大課題。
為了抑制諧波，直接的方法是采用消除諧波的濾波器，可以分為無源和有源補償
兩種措施。
無源濾波的基本原理是利用電容器提供的超前無功電流補償電網(wǎng)的滯后無
功：利用電感、電容構(gòu)成的濾波器或陷波器，吸收電網(wǎng)的諧波。無源濾波器在實
際中得到了大量的應(yīng)用，但是存在明顯的缺陷。
一、電容器對無功的補償是固定的，對負(fù)載變化的適應(yīng)性差。
二、為消除低次諧波設(shè)計的濾波器，體積和重量都很大，損耗也大。
三、動態(tài)響應(yīng)慢，對快速變化過程效果不佳。
西、容易產(chǎn)生諧振。
解決電力電子裝置的諧波污染和低功率因數(shù)問題還可以采用有源濾波
(APF)，靜止無功補償(SvC)等。
有源濾波雖然有很大的優(yōu)越性，但是也存在一些不足：一般有源濾波是集中
設(shè)置，因而只對濾波器接入點之前的電路產(chǎn)生補償效果，后級電路仍然存在諧波
問題，有源濾波器屬于事后補救辦法。其次，實現(xiàn)諧波的檢測、分離和補償比較
復(fù)雜，成本也較高。
為了解決電力電子裝置的諧波污染問題，除了采用諧波補償裝景對其諧波進(jìn)
行諧波補償以外，就是開發(fā)新型變流器，使其不產(chǎn)生諧波，且功率因數(shù)為1。這
種變流器稱為單位功率變流器(u血yPowerFactorconvener)，高功率因數(shù)整流
器也可以稱為單位功率因數(shù)整流器。
F面介紹幾種抑制諧波的高功率因數(shù)變流器技術(shù)：
一、多重化技術(shù)【21【31
多重化技術(shù)就是將多個方波進(jìn)行疊加，以消除次數(shù)較低的諧波，從而得至Ⅱ接
近正弦波的階梯波?？梢韵胂?，重數(shù)越多，階梯波就越接近正弦波，不過電路結(jié)
構(gòu)也越復(fù)雜。
多重化技術(shù)是大容量變流器提高功率因數(shù)和減少諧波的主要方法。如果要求
功率因數(shù)為l，甚至提供超前的無功功率，則一般需要使用關(guān)斷器件的變流器。
對于電流型變流器，多重化技術(shù)就是將方波電流疊加，使得輸入電流為接近正弦
的階梯波，功率因數(shù)就相應(yīng)提高了。它的連接方式有串聯(lián)和并聯(lián)多重化，而控制
方式則有移相、順序控制、非對稱控制和滯后超前控制多重化等幾種形式。對于
電壓型變流器，必須用電感和交流電源相連，大多用移相多重化，把方波疊加，
使其在網(wǎng)側(cè)產(chǎn)生接近正弦的階梯波電壓，并且與電源電壓保持適當(dāng)?shù)南辔魂P(guān)系，
使輸入電流成為與電源電壓同相位的正弦波。如果需要，可以控制輸入電流的相
2浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章緒論
位，使交流器麓夠?qū)o功功率迸幸亍補髏。
二、功率因數(shù)校正器(pFC)
功率因數(shù)校正器是在二極管不控整流和濾波電容之間加上一級月子功率暇
數(shù)校正夔秘攀交換毫路。一觳熬，這穗凌率變換奄潦為Pw鹺鵓輕波方式。
霪l—l單擺二輟譬整漉PFC魄黯
為了實現(xiàn)擎位功率蠢數(shù)，小容量整流器大多采弼二板管整流嬲pWM轎波方
式。這種方式在各種開關(guān)電源方面有醬廣闊的應(yīng)用前景。圖1一l給出了單相二極
簿整流加Boost斬波器的PFC電路例子，其中升壓斬波器的基本作用是：調(diào)節(jié)電
路浚窶豹鑫浚灌匿，建之終潦襄予毫深憊蘧峰蓬竣爨持壤臻歪露王終；控裁滾綴
電感的電流，從而使電源電流成為與電聰聞相位的正弦波。但這種熬流器中能激
只能單向流渤，因而負(fù)載如果是驅(qū)動電機的逆變器，就無法實現(xiàn)雨生制動。
警今的摹襁PFc技術(shù)融經(jīng)銀藏熟，軟開關(guān)技術(shù)應(yīng)斕予PFc電鼴媳褥到了廣泛
麓研究，功率爨數(shù)校正技術(shù)在一些開關(guān)如源裝置中蠢筑褥箋了廣泛豹應(yīng)焉。
三、矩陣交換器
相對于傳統(tǒng)的交——贏——交電壓濺逆變器，矩陣變換器是～種直接變換
囂，短簿交羧器茲主毫臻自3×3拿雙囊開關(guān)綞藏。每個輸出蓑透過雙藏牙關(guān)壹按
和輸入端相讖。通過控制雙向開關(guān)的導(dǎo)邋時間和導(dǎo)通順序，就可以得到需要的輸
出波形。由于矩陣變換器自身具有雙向結(jié)構(gòu)，易于實現(xiàn)四象限運行，能量就能雙
尚流動。矩l晦變換器輸入墩流為正弦波，磬星可以實域單位功率因數(shù)，雖與負(fù)載
情況無關(guān)。骰楚由予叁鴦嘏籍靜隈翩，麓最高電壓轉(zhuǎn)羧率秀e。886；出于囊歪意
義上的雙向開關(guān)器件尚未窳現(xiàn)，因此它的控制及保護(hù)電路復(fù)雜。窳用性較差。
四、PWM蹩流器
采矮PwM整滾霹獲褥單建凌率囂數(shù)囂菱弦詫輸入邀濾。與撩撩整滾提斃，
PwM整流器對電容、電感這類無源濾波元件或儲能元件的要求大大降低，動態(tài)
性能也有大幅度提高。三相PWM整流器在幾乎不增加任何硬件的纂礎(chǔ)上，即可
實現(xiàn)能量的雙向流動，并鼠電路性能穩(wěn)定，其控制筑路的實用性研究是當(dāng)前電力
憊子領(lǐng)域懿一令熱熹，逡燕本漂蘑臻究瓣重點內(nèi)容。漸扭大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章緒論
碩士學(xué)位論文
三相PWM整流器及其控制
姓名：接峰
申請學(xué)位級別：碩士
專業(yè)：電機與電器
指導(dǎo)教師：黃進(jìn)
20060301浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章緒論
第一章緒論
夔萋功率半導(dǎo)體菝零懿不齲發(fā)曩，越張越多筑魄力邀子裝置廣泛戇運強，弓l
超的諧波及無功污染問題逐漸引起了入銷的重視。特別是常規(guī)整流環(huán)節(jié)廣泛采用
的=極管不掇整流電路和齲閘管相控熬流電路，對電闡注入了大墩諧波及無功，
逡成了嚴(yán)重的電網(wǎng)“污染”。
1．1諧波的危害
傳統(tǒng)的二搬管不控整淡穩(wěn)鑫闡管擺搜整濾的主要不是是{1I：
～、整流器對電麗產(chǎn)生大量的諧波。
二、整流器工作于深艘相控狀態(tài)時，裝置的功率因數(shù)很低。
三、整流器輸出側(cè)設(shè)擻較大的平波電抗器和濾波電容以濾除紋波。這導(dǎo)致熬
套設(shè)鍪夔傣獲穗重量壤大，按耗也程應(yīng)主蠢。
四、整流器相控導(dǎo)致調(diào)節(jié)周期長，加之輸出濾波時間常數(shù)又較大，所以系統(tǒng)
動態(tài)響應(yīng)慢。
以上第三：靼條只是影響整流裝置本身的性能，蔫第一、二兩條對電網(wǎng)造成
．
了諧波污染秘?zé)o功增蕊，降低了電霹懿燧行質(zhì)量。無功靜剿俸霜交糯為降舔了發(fā)
電、輸電設(shè)備的利用率，增加了線路損耗。無功還使線路和變壓器的電壓降增大。
諧波的危害主要有以下幾條：
一、諧波罐撩了公震毫嬲豹囂熱羧魄援耗，降低了發(fā)電、輸電設(shè)冬斡稠愛率。
二、在暾纜輸電的情況下諧波以正比于其他電壓懈值的形式增加了介質(zhì)的電
場強度，縮綴了電纜的使用壽命，還增加了事故次數(shù)和修理費用。
三、諧波對周圍的環(huán)城產(chǎn)生電磁予揀，影響通傣設(shè)備的正常工作。
鍾、港沒逐弓|超菜驁縫電器、接融瓣靜誤動終。
五、諧波使常規(guī)電氣儀表測量不準(zhǔn)確。
六、諧波會影響設(shè)備的正常工作。比如諧波對電帆產(chǎn)生附加轉(zhuǎn)矩，導(dǎo)致不希
臻豹飆摭震動、噪聲。{騫波懟電爨還會霉|入驥熱鋼損、鐵損，以及j篷電壓，導(dǎo)致
髑部過熱，絕緣老化，縮斑設(shè)備使用壽禽。瞬時的t簿波高壓還可自％損壞其他一蹙
對過電壓敏感的電子設(shè)備。
七、諧波容易使電網(wǎng)產(chǎn)生局部的并聯(lián)或串聯(lián)諧振，麗諧振導(dǎo)致的諧波放大效
應(yīng)又進(jìn)一參黲曩：籟熬裁了掰鴦蔻述閼囂。浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章緒論
1．2諧波抑制和功率因數(shù)校正技術(shù)
消除諧波污染并提高功率因數(shù)，已經(jīng)成為電力電子技術(shù)中的一個重大課題。
為了抑制諧波，直接的方法是采用消除諧波的濾波器，可以分為無源和有源補償
兩種措施。
無源濾波的基本原理是利用電容器提供的超前無功電流補償電網(wǎng)的滯后無
功：利用電感、電容構(gòu)成的濾波器或陷波器，吸收電網(wǎng)的諧波。無源濾波器在實
際中得到了大量的應(yīng)用，但是存在明顯的缺陷。
一、電容器對無功的補償是固定的，對負(fù)載變化的適應(yīng)性差。
二、為消除低次諧波設(shè)計的濾波器，體積和重量都很大，損耗也大。
三、動態(tài)響應(yīng)慢，對快速變化過程效果不佳。
西、容易產(chǎn)生諧振。
解決電力電子裝置的諧波污染和低功率因數(shù)問題還可以采用有源濾波
(APF)，靜止無功補償(SvC)等。
有源濾波雖然有很大的優(yōu)越性，但是也存在一些不足：一般有源濾波是集中
設(shè)置，因而只對濾波器接入點之前的電路產(chǎn)生補償效果，后級電路仍然存在諧波
問題，有源濾波器屬于事后補救辦法。其次，實現(xiàn)諧波的檢測、分離和補償比較
復(fù)雜，成本也較高。
為了解決電力電子裝置的諧波污染問題，除了采用諧波補償裝景對其諧波進(jìn)
行諧波補償以外，就是開發(fā)新型變流器，使其不產(chǎn)生諧波，且功率因數(shù)為1。這
種變流器稱為單位功率變流器(u血yPowerFactorconvener)，高功率因數(shù)整流
器也可以稱為單位功率因數(shù)整流器。
F面介紹幾種抑制諧波的高功率因數(shù)變流器技術(shù)：
一、多重化技術(shù)【21【31
多重化技術(shù)就是將多個方波進(jìn)行疊加，以消除次數(shù)較低的諧波，從而得至Ⅱ接
近正弦波的階梯波?？梢韵胂?，重數(shù)越多，階梯波就越接近正弦波，不過電路結(jié)
構(gòu)也越復(fù)雜。
多重化技術(shù)是大容量變流器提高功率因數(shù)和減少諧波的主要方法。如果要求
功率因數(shù)為l，甚至提供超前的無功功率，則一般需要使用關(guān)斷器件的變流器。
對于電流型變流器，多重化技術(shù)就是將方波電流疊加，使得輸入電流為接近正弦
的階梯波，功率因數(shù)就相應(yīng)提高了。它的連接方式有串聯(lián)和并聯(lián)多重化，而控制
方式則有移相、順序控制、非對稱控制和滯后超前控制多重化等幾種形式。對于
電壓型變流器，必須用電感和交流電源相連，大多用移相多重化，把方波疊加，
使其在網(wǎng)側(cè)產(chǎn)生接近正弦的階梯波電壓，并且與電源電壓保持適當(dāng)?shù)南辔魂P(guān)系，
使輸入電流成為與電源電壓同相位的正弦波。如果需要，可以控制輸入電流的相
2浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章緒論
位，使交流器麓夠?qū)o功功率迸幸亍補髏。
二、功率因數(shù)校正器(pFC)
功率因數(shù)校正器是在二極管不控整流和濾波電容之間加上一級月子功率暇
數(shù)校正夔秘攀交換毫路。一觳熬，這穗凌率變換奄潦為Pw鹺鵓輕波方式。
霪l—l單擺二輟譬整漉PFC魄黯
為了實現(xiàn)擎位功率蠢數(shù)，小容量整流器大多采弼二板管整流嬲pWM轎波方
式。這種方式在各種開關(guān)電源方面有醬廣闊的應(yīng)用前景。圖1一l給出了單相二極
簿整流加Boost斬波器的PFC電路例子，其中升壓斬波器的基本作用是：調(diào)節(jié)電
路浚窶豹鑫浚灌匿，建之終潦襄予毫深憊蘧峰蓬竣爨持壤臻歪露王終；控裁滾綴
電感的電流，從而使電源電流成為與電聰聞相位的正弦波。但這種熬流器中能激
只能單向流渤，因而負(fù)載如果是驅(qū)動電機的逆變器，就無法實現(xiàn)雨生制動。
警今的摹襁PFc技術(shù)融經(jīng)銀藏熟，軟開關(guān)技術(shù)應(yīng)斕予PFc電鼴媳褥到了廣泛
麓研究，功率爨數(shù)校正技術(shù)在一些開關(guān)如源裝置中蠢筑褥箋了廣泛豹應(yīng)焉。
三、矩陣交換器
相對于傳統(tǒng)的交——贏——交電壓濺逆變器，矩陣變換器是～種直接變換
囂，短簿交羧器茲主毫臻自3×3拿雙囊開關(guān)綞藏。每個輸出蓑透過雙藏牙關(guān)壹按
和輸入端相讖。通過控制雙向開關(guān)的導(dǎo)邋時間和導(dǎo)通順序，就可以得到需要的輸
出波形。由于矩陣變換器自身具有雙向結(jié)構(gòu)，易于實現(xiàn)四象限運行，能量就能雙
尚流動。矩l晦變換器輸入墩流為正弦波，磬星可以實域單位功率因數(shù)，雖與負(fù)載
情況無關(guān)。骰楚由予叁鴦嘏籍靜隈翩，麓最高電壓轉(zhuǎn)羧率秀e。886；出于囊歪意
義上的雙向開關(guān)器件尚未窳現(xiàn)，因此它的控制及保護(hù)電路復(fù)雜。窳用性較差。
四、PWM蹩流器
采矮PwM整滾霹獲褥單建凌率囂數(shù)囂菱弦詫輸入邀濾。與撩撩整滾提斃，
PwM整流器對電容、電感這類無源濾波元件或儲能元件的要求大大降低，動態(tài)
性能也有大幅度提高。三相PWM整流器在幾乎不增加任何硬件的纂礎(chǔ)上，即可
實現(xiàn)能量的雙向流動，并鼠電路性能穩(wěn)定，其控制筑路的實用性研究是當(dāng)前電力
憊子領(lǐng)域懿一令熱熹，逡燕本漂蘑臻究瓣重點內(nèi)容。漸扭大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章緒論
