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三相电流型PWM整流器具有可以直接控制电流、动态响应快以及短路保护的优点,在中大功率的应用场合(电机驱动和金属热处理领域)具有广泛的应用前景。混合开关技术的应用和发展,使三相电流型PWM整流器的中大功率开关器件成本大幅下降;让三相电流型PWM整流器应用在中大功率领域具有明显的成本优势。本文在归纳现有可控开关管和半控开关管的基础上,分析了混合开关的特点;并基于混合开关三相整流桥的结构,提出并分析了三种可用于提高混合开关电路工作频率的反压网络;针对电路的控制策略,在常规的电流型空间矢量控制方法基础上,提出了可提高混合开关电路工作频率的优化电流型空间矢量控制方法;针对基于单桥的三相混合开关电路,本文还提出了具有使混合开关工作频率进一步提升的一种基于混合开关的三相双重整流桥电流型PWM整流器。
首先,本文在将全可控开关管和半可控开关管的成本和特性进行比较和分析的基础上,对混合开关的特性以及成本优势进行了总结;通过分析三相混合开关电流型PWM整流器的工作过程,总结了混合开关电路中晶闸管的基本工作状态;最后通过简化电路对混合开关器件的两种基本工作状态进行具体分析,对混合开关器件中的可控开关管(IGBT)和半可控开关管(晶闸管)的阻断电压、通态电流、频率特性和损耗等进行总结。本文总结出适应于三相混合开关电流型PWM整流器的PWM脉宽调制方式,并分析了该控制方法对电路工作频率限制的因素。
其次,为提高三相混合开关电流型PWM整流器的工作频率,通过建立晶闸管的反压关断恢复模型,来研究反压作用能够有效缩短晶闸管关断恢复时间的工作条件,并通过实验测试的验证。通过实验和仿真验证了在混合开关整流器的主电路中增加反压网络,可以提高电路的工作频率从而缩小电路的滤波元件,提高电路的输出电压范围。最后本文提出了3种可有效缩短混合开关关断过程的反压网络,并对3种反压网络的反向电压源参数和开关器件的类型、耐量和数量进行分析和比较,并总结了不同反压网络的应用场合。
本文还分析了从优化脉宽调制的角度来提高三相混合开关电流型PWM整流器的工作频率。首先在基于常规的三相电流型空间矢量控制策略的基础上,针对电路的关断工作特性,将空间矢量控制策略进行优化;优化后的电流型空间矢量应用到混合开关电路中,最大可以使混合开关电路的工作频率比使用常规电流型空间矢量的提高一倍。然后通过仿真来研究3种优化后的空间矢量策略对电路工作特性的可行性以及带来的缺点;并对使用优化控制策略的电路进一步进行改进,使混合开关电路在达到国家相应的谐波标准条件下,可以最大限度的提高电路的工作频率。最后通过实验验证优化后的三相电流型空间矢量控制策略的能够提高电路工作频率的可行性。
最后,本文从电路拓扑结构上加以改进,在研究了三相混合开关电流型PWM整流器的基础上,提出了基于混合开关的三相双重整流桥电流型PWM整流器。该种新型的混合开关电路可以使晶闸管的关断恢复时间至少为电路工作周期的一半,从而进一步的提升了电路的工作频率,并使普通的晶闸管也可应用到相当高频的混合开关电路当中。本文具体研究和分析该新型的混合开关电路与单整流桥的混合开关电路以及常规的三相IGBT电流型整流电路的主电路的成本比较,总结出该新型整流器的优势。本文还介绍了该双重整流桥混合开关电路的电路工作原理,通过仿真和实验来研究和验证了该新型混合开关电路的可行性和优越性。
本文对晶闸管的反压关断过程和所有的混合开关电路拓扑进行了大量的仿真和实验,本文还对混合开关技术在三相电流型整流器中的工程应用进行了设计和实现。系统、详细的仿真及实验研究结果验证了本文理论研究的正确性。