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1、第2章三相電壓型PWM變換器本章首先簡要概述了三相電壓型PWM變換器的原理，分析了PWM變換器具備四象限運行能力的原因，并介紹了電壓型PWM變換器幾種常見的拓撲結構。然后給出了電壓型PWM變換器分別在三相靜止坐標系、兩相靜止坐標系和兩相旋轉坐標系下的數(shù)學模型。2.1PWM變換器的基本原理整流器的發(fā)展經(jīng)歷了二極管不控整流、晶閘管相控整流器到可關斷功率開關管的PWM整流器。二極管不控與晶閘管相控整流器均會在網(wǎng)側電流中產(chǎn)生諧波，且功率因數(shù)不高，其中，二極管不控整流的直流側母線電壓不可控。PWM整流器以其優(yōu)良的性
2、能成為發(fā)展的趨勢。PWM整流器不但實現(xiàn)網(wǎng)側電流正弦化，單位功率因數(shù)控制，電能的雙向傳輸以及快速的動態(tài)控制響應。PWM整流器不僅實現(xiàn)了傳統(tǒng)的AC-DC整流功能，還由于其具備四象限運行能力，使得其可工作在逆變狀態(tài)，實現(xiàn)電能從直流側向電網(wǎng)側傳輸。由于PWM整流器網(wǎng)側呈現(xiàn)受控電流源特性，因此其網(wǎng)側功率因數(shù)可控。當控制其網(wǎng)側電流網(wǎng)測電壓同相時，PWM整流器運行于單位功率因數(shù)整流狀態(tài)；當控制器網(wǎng)側電流與網(wǎng)側電壓反相時，PWM整流器運行于單位功率因數(shù)逆變狀態(tài)。雙PWM交-直-交變頻器正是采用了PWM整流和PWM逆變的兩
3、種特性。當電機運行于亞同步速發(fā)電時，能量從電網(wǎng)通過變頻器流入電機，網(wǎng)側變換器處于整流狀態(tài)而電機側變換器處于逆變狀態(tài)；當電機運行于超同步速時，能量從電機通過變頻器回饋到電網(wǎng)，此時網(wǎng)側變換器處于逆變狀態(tài)而電機側變換器處于整流狀態(tài)。兩變換器的工作狀態(tài)的轉換完全由功率流向決定、自動完成。PWM變換器電路可看作由交流回路、功率開關管橋路以及直流回路組成，如圖2.1。其中，交流回路由電網(wǎng)電動勢e和交流側電感L組成；功率開關管橋路依據(jù)電壓型或電流型PWM變換器有所不同；直流回路由負載電阻RL和負載電動勢eL組成。當不考
4、慮功率開關管的橋路損耗時，交流側輸入或回饋的功率和直流側消耗或產(chǎn)生的功率相平衡，有：i?v=idc?vdc(2.1)其中：v、i為交流側電壓、電流；vdc、idc為直流側電壓、電流；由式2.1可知，通過控制交流側的電壓、電流可實現(xiàn)對直流側的控制；反過來，通過直流側的控制可實現(xiàn)交流側的控制。圖2.1PWM變換器模型電路2.1.1PWM變換器的四象限運行為便于理解PWM變換器的四象限運行能力，從變換器穩(wěn)態(tài)條件下的交流側矢量關系來闡述，如圖2.2。當網(wǎng)側電流矢量I幅值不變時，由
5、VL
6、=ωL
7、I
8、可知，電感電壓
9、矢量VL的幅值也不變，電網(wǎng)電壓矢量也可看作不變，則可以得到交流側電壓矢量V的軌跡為一個以電感電壓矢量VL的幅值為半徑的圓。PWM整流器可運行圓上的任一點而呈現(xiàn)不同的特性。其中有4個運行點最為特殊，它們分別是純電感特性運行點，正阻特性運行點、純電容特性運行點以及負阻特性運行點。當運行于純電感特性點，網(wǎng)側電壓矢量E超前于網(wǎng)側電流矢量I90度；當運行于正阻特性點，網(wǎng)側電壓矢量E與網(wǎng)側電流矢量I同相位；當運行于純電容特性點，網(wǎng)側電壓矢量E滯后于網(wǎng)側電流矢量I90度；當運行于負阻特性點，網(wǎng)側電壓矢量E與網(wǎng)側電流矢量
10、I相位相反。當PWM變換器處于第一象限運行時，網(wǎng)側電壓矢量E滯后網(wǎng)側電流矢量I的角度介于90度和180度之間，此時PWM變換器處于有源逆變狀態(tài)，有功功率和容性無功功率從直流側向電網(wǎng)傳輸，能量回饋到電網(wǎng)上；當PWM變換器處于第二象限運行時，網(wǎng)側電壓矢量E超前網(wǎng)側電流矢量I的角度介于90度和180度之間，此時PWM變換器仍處于有源逆變狀態(tài)，有功功率和感性無功功率從直流側向電網(wǎng)傳輸，能量回饋到電網(wǎng)上；當PWM變換器處于第三象限運行時，網(wǎng)側電壓矢量E超前網(wǎng)側電流矢量I的角度介于0度和90度之間，此時PWM變換器工
11、作在整流狀態(tài)，有功功率和感性無功功率從直流側向電網(wǎng)傳輸，PWM變換器從電網(wǎng)吸收能量；當PWM變換器處于第四象限運行時，網(wǎng)側電壓矢量E滯后網(wǎng)側電流矢量I的角度介于0度和90度之間，此時PWM變換器工作在整流狀態(tài)，有功功率和容性無功功率從直流側向電網(wǎng)傳輸，PWM變換器從電網(wǎng)吸收能量；從以上分析可得看出，通過控制電網(wǎng)側電流可以實現(xiàn)PWM變換器的四象限運行。圖2.2PWM變換器交流側穩(wěn)態(tài)矢量圖2.1.1電壓型PWM變換器的基本電路拓撲結構PWM變換器技術發(fā)展到今天，已經(jīng)設計出了多種PWM變換器。最基本的分類方法是
12、根據(jù)直流儲能形式的不同分為電壓型和電流型兩類。電流型PWM整流器因為需要大直流儲能電感和交流側LC濾波環(huán)節(jié)所致使的電流畸變、振蕩的問題，其發(fā)展受到一定的限制。但是隨著超導技術的發(fā)展和超導儲能技術的應用，超導線圈可作為直流儲能電感，電流型PWM整流器也開始得到了發(fā)展，尤其是在超導儲能變流環(huán)節(jié)，電流型PWM整流器無需另加直流電感，并且具有良好的電流保護性能，使得它比電壓型PWM整流器具有更大的優(yōu)勢。而電壓型PWM變換器因其結構簡單
