三相PWM整流器及其控制
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三相PWM整流器及其控制
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浙江大学
硕士学位论文
三相PWM整流器及其控制
姓名：接峰
申请学位级别：硕士
专业：电机与电器
指导教师：黄进
20060301浙江大学硕士学位论文 第一章绪论
第一章绪论
夔萋功率半导体菝零懿不龋发曩，越张越多筑魄力邀子装置广泛戆运强，弓l
超的谐波及无功污染问题逐渐引起了入销的重视。特别是常规整流环节广泛采用
的=极管不掇整流电路和龋闸管相控熬流电路，对电阐注入了大墩谐波及无功，
逡成了严重的电网“污染”。
1．1谐波的危害
传统的二搬管不控整淡稳鑫阐管摆搜整滤的主要不是是{1I：
～、整流器对电丽产生大量的谐波。
二、整流器工作于深艘相控状态时，装置的功率因数很低。
三、整流器输出侧设擞较大的平波电抗器和滤波电容以滤除纹波。这导致熬
套设鍪夔傣获穗重量壤大，按耗也程应主蠢。
四、整流器相控导致调节周期长，加之输出滤波时间常数又较大，所以系统
动态响应慢。
以上第三：靼条只是影响整流装置本身的性能，蔫第一、二两条对电网造成
．
了谐波污染秘无功增蕊，降低了电霹懿燧行质量。无功静剿俸霜交糯为降舔了发
电、输电设备的利用率，增加了线路损耗。无功还使线路和变压器的电压降增大。
谐波的危害主要有以下几条：
一、谐波罐撩了公震毫嬲豹嚣热羧魄援耗，降低了发电、输电设冬斡稠爱率。
二、在暾缆输电的情况下谐波以正比于其他电压懈值的形式增加了介质的电
场强度，缩缀了电缆的使用寿命，还增加了事故次数和修理费用。
三、谐波对周围的环城产生电磁予拣，影响通傣设备的正常工作。
锺、港没逐弓|超菜骜缝电器、接融瓣静误动终。
五、谐波使常规电气仪表测量不准确。
六、谐波会影响设备的正常工作。比如谐波对电帆产生附加转矩，导致不希
臻豹飙摭震动、噪声。{骞波怼电爨还会霉|入骥热钢损、铁损，以及j篷电压，导致
髑部过热，绝缘老化，缩斑设备使用寿禽。瞬时的t簿波高压还可自％损坏其他一蹙
对过电压敏感的电子设备。
七、谐波容易使电网产生局部的并联或串联谐振，丽谐振导致的谐波放大效
应又进一参黪曩：籁熬裁了掰鸯蔻述阏嚣。浙江大学硕士学位论文 第一章绪论
1．2谐波抑制和功率因数校正技术
消除谐波污染并提高功率因数，已经成为电力电子技术中的一个重大课题。
为了抑制谐波，直接的方法是采用消除谐波的滤波器，可以分为无源和有源补偿
两种措施。
无源滤波的基本原理是利用电容器提供的超前无功电流补偿电网的滞后无
功：利用电感、电容构成的滤波器或陷波器，吸收电网的谐波。无源滤波器在实
际中得到了大量的应用，但是存在明显的缺陷。
一、电容器对无功的补偿是固定的，对负载变化的适应性差。
二、为消除低次谐波设计的滤波器，体积和重量都很大，损耗也大。
三、动态响应慢，对快速变化过程效果不佳。
西、容易产生谐振。
解决电力电子装置的谐波污染和低功率因数问题还可以采用有源滤波
(APF)，静止无功补偿(SvC)等。
有源滤波虽然有很大的优越性，但是也存在一些不足：一般有源滤波是集中
设置，因而只对滤波器接入点之前的电路产生补偿效果，后级电路仍然存在谐波
问题，有源滤波器属于事后补救办法。其次，实现谐波的检测、分离和补偿比较
复杂，成本也较高。
为了解决电力电子装置的谐波污染问题，除了采用谐波补偿装景对其谐波进
行谐波补偿以外，就是开发新型变流器，使其不产生谐波，且功率因数为1。这
种变流器称为单位功率变流器(u血yPowerFactorconvener)，高功率因数整流
器也可以称为单位功率因数整流器。
F面介绍几种抑制谐波的高功率因数变流器技术：
一、多重化技术【21【31
多重化技术就是将多个方波进行叠加，以消除次数较低的谐波，从而得至Ⅱ接
近正弦波的阶梯波。可以想象，重数越多，阶梯波就越接近正弦波，不过电路结
构也越复杂。
多重化技术是大容量变流器提高功率因数和减少谐波的主要方法。如果要求
功率因数为l，甚至提供超前的无功功率，则一般需要使用关断器件的变流器。
对于电流型变流器，多重化技术就是将方波电流叠加，使得输入电流为接近正弦
的阶梯波，功率因数就相应提高了。它的连接方式有串联和并联多重化，而控制
方式则有移相、顺序控制、非对称控制和滞后超前控制多重化等几种形式。对于
电压型变流器，必须用电感和交流电源相连，大多用移相多重化，把方波叠加，
使其在网侧产生接近正弦的阶梯波电压，并且与电源电压保持适当的相位关系，
使输入电流成为与电源电压同相位的正弦波。如果需要，可以控制输入电流的相
2浙江大学硕士学位论文 第一章绪论
位，使交流器麓够对无功功率迸幸亍补髅。
二、功率因数校正器(pFC)
功率因数校正器是在二极管不控整流和滤波电容之间加上一级月子功率暇
数校正夔秘攀交换毫路。一觳熬，这穗凌率变换奄潦为Pw鹾鹁轻波方式。
霪l—l单摆二辍譬整漉PFC魄黯
为了实现擎位功率蠢数，小容量整流器大多采弼二板管整流嬲pWM轿波方
式。这种方式在各种开关电源方面有酱广阔的应用前景。图1一l给出了单相二极
簿整流加Boost斩波器的PFC电路例子，其中升压斩波器的基本作用是：调节电
路浚窭豹鑫浚灌匿，建之终潦襄予毫深惫蘧峰蓬竣爨持壤臻歪露王终；控裁滚缀
电感的电流，从而使电源电流成为与电聪闻相位的正弦波。但这种熬流器中能激
只能单向流渤，因而负载如果是驱动电机的逆变器，就无法实现雨生制动。
警今的摹襁PFc技术融经银藏熟，软开关技术应斓予PFc电鼹媳褥到了广泛
麓研究，功率爨数校正技术在一些开关如源装置中蠢筑褥笺了广泛豹应焉。
三、矩阵交换器
相对于传统的交——赢——交电压溅逆变器，矩阵变换器是～种直接变换
嚣，短簿交羧器兹主毫臻自3×3拿双囊开关缍藏。每个输出蓑透过双藏牙关壹按
和输入端相谶。通过控制双向开关的导邋时间和导通顺序，就可以得到需要的输
出波形。由于矩阵变换器自身具有双向结构，易于实现四象限运行，能量就能双
尚流动。矩l晦变换器输入墩流为正弦波，磬星可以实域单位功率因数，虽与负载
情况无关。骰楚由予叁鸯嘏籍静隈翩，麓最高电压转羧率秀e。886；出于囊歪意
义上的双向开关器件尚未窳现，因此它的控制及保护电路复杂。窳用性较差。
四、PWM蹩流器
采矮PwM整滚霹获褥单建凌率嚣数嚣菱弦诧输入邀滤。与撩撩整滚提毙，
PwM整流器对电容、电感这类无源滤波元件或储能元件的要求大大降低，动态
性能也有大幅度提高。三相PWM整流器在几乎不增加任何硬件的纂础上，即可
实现能量的双向流动，并鼠电路性能稳定，其控制筑路的实用性研究是当前电力
惫子领域懿一令热熹，逡燕本漂蘑臻究瓣重点内容。渐扭大学硕士学位论文 第一章绪论
硕士学位论文
三相PWM整流器及其控制
姓名：接峰
申请学位级别：硕士
专业：电机与电器
指导教师：黄进
20060301浙江大学硕士学位论文 第一章绪论
第一章绪论
夔萋功率半导体菝零懿不龋发曩，越张越多筑魄力邀子装置广泛戆运强，弓l
超的谐波及无功污染问题逐渐引起了入销的重视。特别是常规整流环节广泛采用
的=极管不掇整流电路和龋闸管相控熬流电路，对电阐注入了大墩谐波及无功，
逡成了严重的电网“污染”。
1．1谐波的危害
传统的二搬管不控整淡稳鑫阐管摆搜整滤的主要不是是{1I：
～、整流器对电丽产生大量的谐波。
二、整流器工作于深艘相控状态时，装置的功率因数很低。
三、整流器输出侧设擞较大的平波电抗器和滤波电容以滤除纹波。这导致熬
套设鍪夔傣获穗重量壤大，按耗也程应主蠢。
四、整流器相控导致调节周期长，加之输出滤波时间常数又较大，所以系统
动态响应慢。
以上第三：靼条只是影响整流装置本身的性能，蔫第一、二两条对电网造成
．
了谐波污染秘无功增蕊，降低了电霹懿燧行质量。无功静剿俸霜交糯为降舔了发
电、输电设备的利用率，增加了线路损耗。无功还使线路和变压器的电压降增大。
谐波的危害主要有以下几条：
一、谐波罐撩了公震毫嬲豹嚣热羧魄援耗，降低了发电、输电设冬斡稠爱率。
二、在暾缆输电的情况下谐波以正比于其他电压懈值的形式增加了介质的电
场强度，缩缀了电缆的使用寿命，还增加了事故次数和修理费用。
三、谐波对周围的环城产生电磁予拣，影响通傣设备的正常工作。
锺、港没逐弓|超菜骜缝电器、接融瓣静误动终。
五、谐波使常规电气仪表测量不准确。
六、谐波会影响设备的正常工作。比如谐波对电帆产生附加转矩，导致不希
臻豹飙摭震动、噪声。{骞波怼电爨还会霉|入骥热钢损、铁损，以及j篷电压，导致
髑部过热，绝缘老化，缩斑设备使用寿禽。瞬时的t簿波高压还可自％损坏其他一蹙
对过电压敏感的电子设备。
七、谐波容易使电网产生局部的并联或串联谐振，丽谐振导致的谐波放大效
应又进一参黪曩：籁熬裁了掰鸯蔻述阏嚣。浙江大学硕士学位论文 第一章绪论
1．2谐波抑制和功率因数校正技术
消除谐波污染并提高功率因数，已经成为电力电子技术中的一个重大课题。
为了抑制谐波，直接的方法是采用消除谐波的滤波器，可以分为无源和有源补偿
两种措施。
无源滤波的基本原理是利用电容器提供的超前无功电流补偿电网的滞后无
功：利用电感、电容构成的滤波器或陷波器，吸收电网的谐波。无源滤波器在实
际中得到了大量的应用，但是存在明显的缺陷。
一、电容器对无功的补偿是固定的，对负载变化的适应性差。
二、为消除低次谐波设计的滤波器，体积和重量都很大，损耗也大。
三、动态响应慢，对快速变化过程效果不佳。
西、容易产生谐振。
解决电力电子装置的谐波污染和低功率因数问题还可以采用有源滤波
(APF)，静止无功补偿(SvC)等。
有源滤波虽然有很大的优越性，但是也存在一些不足：一般有源滤波是集中
设置，因而只对滤波器接入点之前的电路产生补偿效果，后级电路仍然存在谐波
问题，有源滤波器属于事后补救办法。其次，实现谐波的检测、分离和补偿比较
复杂，成本也较高。
为了解决电力电子装置的谐波污染问题，除了采用谐波补偿装景对其谐波进
行谐波补偿以外，就是开发新型变流器，使其不产生谐波，且功率因数为1。这
种变流器称为单位功率变流器(u血yPowerFactorconvener)，高功率因数整流
器也可以称为单位功率因数整流器。
F面介绍几种抑制谐波的高功率因数变流器技术：
一、多重化技术【21【31
多重化技术就是将多个方波进行叠加，以消除次数较低的谐波，从而得至Ⅱ接
近正弦波的阶梯波。可以想象，重数越多，阶梯波就越接近正弦波，不过电路结
构也越复杂。
多重化技术是大容量变流器提高功率因数和减少谐波的主要方法。如果要求
功率因数为l，甚至提供超前的无功功率，则一般需要使用关断器件的变流器。
对于电流型变流器，多重化技术就是将方波电流叠加，使得输入电流为接近正弦
的阶梯波，功率因数就相应提高了。它的连接方式有串联和并联多重化，而控制
方式则有移相、顺序控制、非对称控制和滞后超前控制多重化等几种形式。对于
电压型变流器，必须用电感和交流电源相连，大多用移相多重化，把方波叠加，
使其在网侧产生接近正弦的阶梯波电压，并且与电源电压保持适当的相位关系，
使输入电流成为与电源电压同相位的正弦波。如果需要，可以控制输入电流的相
2浙江大学硕士学位论文 第一章绪论
位，使交流器麓够对无功功率迸幸亍补髅。
二、功率因数校正器(pFC)
功率因数校正器是在二极管不控整流和滤波电容之间加上一级月子功率暇
数校正夔秘攀交换毫路。一觳熬，这穗凌率变换奄潦为Pw鹾鹁轻波方式。
霪l—l单摆二辍譬整漉PFC魄黯
为了实现擎位功率蠢数，小容量整流器大多采弼二板管整流嬲pWM轿波方
式。这种方式在各种开关电源方面有酱广阔的应用前景。图1一l给出了单相二极
簿整流加Boost斩波器的PFC电路例子，其中升压斩波器的基本作用是：调节电
路浚窭豹鑫浚灌匿，建之终潦襄予毫深惫蘧峰蓬竣爨持壤臻歪露王终；控裁滚缀
电感的电流，从而使电源电流成为与电聪闻相位的正弦波。但这种熬流器中能激
只能单向流渤，因而负载如果是驱动电机的逆变器，就无法实现雨生制动。
警今的摹襁PFc技术融经银藏熟，软开关技术应斓予PFc电鼹媳褥到了广泛
麓研究，功率爨数校正技术在一些开关如源装置中蠢筑褥笺了广泛豹应焉。
三、矩阵交换器
相对于传统的交——赢——交电压溅逆变器，矩阵变换器是～种直接变换
嚣，短簿交羧器兹主毫臻自3×3拿双囊开关缍藏。每个输出蓑透过双藏牙关壹按
和输入端相谶。通过控制双向开关的导邋时间和导通顺序，就可以得到需要的输
出波形。由于矩阵变换器自身具有双向结构，易于实现四象限运行，能量就能双
尚流动。矩l晦变换器输入墩流为正弦波，磬星可以实域单位功率因数，虽与负载
情况无关。骰楚由予叁鸯嘏籍静隈翩，麓最高电压转羧率秀e。886；出于囊歪意
义上的双向开关器件尚未窳现，因此它的控制及保护电路复杂。窳用性较差。
四、PWM蹩流器
采矮PwM整滚霹获褥单建凌率嚣数嚣菱弦诧输入邀滤。与撩撩整滚提毙，
PwM整流器对电容、电感这类无源滤波元件或储能元件的要求大大降低，动态
性能也有大幅度提高。三相PWM整流器在几乎不增加任何硬件的纂础上，即可
实现能量的双向流动，并鼠电路性能稳定，其控制筑路的实用性研究是当前电力
惫子领域懿一令热熹，逡燕本漂蘑臻究瓣重点内容。渐扭大学硕士学位论文 第一章绪论
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