兩電平和三電平脈沖整流器的比較

1、兩電平與三電平的脈沖波形比較電牽二班徐剛堂 代思瑤 兩電平與三電平的脈沖波形比較我國引進的時速200公里動力分散型交流傳動動車組中，CRHI、CRHS動車組主電路均 采用了兩電平全橋整流電路。為了降低開關(guān)管的電壓應(yīng)力和改善 PWk整流器網(wǎng)側(cè)輸出波 形,CRHZ動車組采用了二極管箱位三電平 PWM8流器電路結(jié)構(gòu)。下面主要對這兩種電路拓 撲的工作原理及數(shù)學(xué)模型進行分析和研究。兩電平整流器原理與數(shù)學(xué)模型單相電壓型兩電平Pwm整流器主電路如圖2 一 1所示，網(wǎng)側(cè)漏感L二起傳遞和儲存能 量,抑制高次諧波的作用 ;支撐電容 Cd 起抑制高次諧波 , 減少直流電壓紋波的作用 ;電感 LZ和電容CZ形成串聯(lián)諧

2、振電路，用于濾除電網(wǎng)的2次諧波分量。把開關(guān)器件（這里采用 IGBT）視為理想開關(guān)元件,定義理想開關(guān)函數(shù)S,和S,從而得到如圖2 一 2所示簡化等效 電路。兩電平PWI脈沖整流電路兩電平PWM8流器等效電路由于上橋臂與下橋臂不能夠出現(xiàn)直通,則紜與S2a、S“與S2b不能同時導(dǎo)通和關(guān)斷,驅(qū) 動信號應(yīng)該互補。PW輕流器網(wǎng)側(cè)輸入端電壓Uab取值有Udc、O、-Udc三種電平,有效的開 關(guān)組合有22 =4種，即S,S,=OO、01、10、11四種邏輯,則PWMg流器輸入端電壓Uab有如 下關(guān)系:Uab =（ SASB） Udc則由式（2 一 2）, 系統(tǒng)的瞬時等值電路如圖 2一 3所示瞬時等值電路由圖2

3、- 3可見，通過不同的控制方法適當(dāng)調(diào)節(jié)“ Uab的大小和相位,就能控制輸入電 流的相位以控制系統(tǒng)功率因數(shù) ;同時控制輸入電流的大小以控制傳入功率變換的能量 , 也 就控制了直流側(cè)輸出電壓。 因此, 通常采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)相結(jié)合的雙閉環(huán)控制方式。 此等值電路的電壓矢量平衡方程為 : 對應(yīng)于四個開關(guān)的不同工作狀態(tài) ,電路共有以下三種工作模式 :工作模式1： SaSb =00或11,即下橋臂開關(guān)或上橋臂開關(guān)全部導(dǎo)通,則此時“ Uab =0,電容Cd 向負載供電 , 直流電壓通過負載形成回路釋放能量 , 直流電壓下降 , 因此, 為了保證直流側(cè) 電壓的穩(wěn)定 ,工作模式 1的導(dǎo)通時間比較短 , 這也

4、是在空間電壓矢量調(diào)制中 , 兩個零矢量的作用時間要比其他六個矢量的作用時間短的原因。另一方面，網(wǎng)側(cè)電壓Un二兩端電壓直接加在電感Ln上,對電感Ln充、的影響)：放電。此時對應(yīng)的電壓矢量平衡方程如下(忽略等效電阻7：工作模式3: SaSb=10,等效電路如圖2- 4(b)所示，則Uab=Ude。5 >0,儲存在電感中的能量向負載Rl和電容Cd釋放，電感電流iN下降,一方面給電容充電，使得直流電壓上升，保證直流電壓穩(wěn)定，同時高次諧波電流通過電容形成低阻抗回路 ；另一方面給負載提供恒定 的電流。此時對應(yīng)的電壓矢量平衡方程如下：Ln 丁 =Un - UdeSaSb =01時的電路SaSb=10時

5、的電路在任意時刻,PWM整流器只能工作在上述三種模式中的一種狀態(tài)下，在不同的時區(qū)，通過對上述3種開關(guān)模式的切換，保持直流側(cè)負載電壓的穩(wěn)定和負載電流I。的雙向流動，也即實現(xiàn)能量的雙向流通。由圖2-1所示主電路結(jié)構(gòu)可知，網(wǎng)側(cè)串入一電感元件形成Boost電路的拓撲結(jié)構(gòu)，使得直流側(cè)輸出電壓大于網(wǎng)側(cè)電壓峰值。假設(shè)開關(guān)管為理想模型， 在換相過程中沒有功率損失和能量儲存，則交流側(cè)與直流側(cè)瞬時功率應(yīng)當(dāng)相等。即：Uab 1 N =Ude 1 0又由等效電路的拓撲結(jié)構(gòu)可得：Cd 警 io一詈-|2將式(2-7)、(2-8)代入式(2-9),得式(2-10)所示兩電平PW整流器的主電路數(shù)學(xué)模型，其中U2為二次濾波電

6、容上的電壓。SB ) UdeCddt= ( SaSb ) i nUde - I 2Rl三電平整流器原理三電平二極管箱位PWM整流IGBT)構(gòu)成兩組對稱的橋臂。每一橋臂有器拓撲如圖8個功率開關(guān)器件(這里采用2-5所示,它米用4個開關(guān)管，其中直接連到正負直流母線上的2個開關(guān)管稱之為主開關(guān)管 , 中間的 2 個開關(guān)管稱之為輔助開關(guān)管。 兩組橋臂各帶 2個箱位 二極管，以防止電容Cl或Cz因開關(guān)操作而發(fā)生直通。直流側(cè)支撐電容由2個同樣的電容串聯(lián)組成，這樣就可以提供一個中性點，連接到中性點上的2個箱位二極管可以把PWM整 流器的電壓箱位到中性點電位,因此該整流器也稱為中點箱位 PWM整流器.為了便于分析

7、電路，首先根據(jù)開關(guān)管不同的工作狀態(tài)，定義電路的三種工作狀態(tài):1態(tài)、0 態(tài)、 -1 態(tài)（ 假設(shè)兩電容上的電壓相等 ）, 以左半橋為例 : 根據(jù)每種不同情況我們可以等效電路為：二電平二極管箱位PWM整流器開關(guān)等效電路圖由開關(guān)等效電路可知 , 每組橋臂可以等效為一個開關(guān) , 該開關(guān)具有 1、 0、一 1 三種等效狀 態(tài), 兩組橋臂有 329 種開關(guān)關(guān)組合 , 主電路有 9 種工作模式。工作模式0:（ Sa,Sb） = （1,1）,開關(guān)管乞與S2a、弘與導(dǎo)通,整流器交流側(cè)被短路,網(wǎng)側(cè)輸入電壓Ua等于0,電容Cl、 Cz通過直流側(cè)負載放電,網(wǎng)側(cè)電流i N的大小隨網(wǎng)側(cè)電壓Un的變化而增大或減小。工作模式1

8、:（ Sa，Sb ） = （1，0）,開關(guān)管與S2a , S3a和Ssb導(dǎo)通，網(wǎng)側(cè)輸入電壓5等于6網(wǎng)側(cè)漏感電壓等于Un - Un電容q上的電壓被正向（或反向）,電流充電（或放電）,電容CZ 通過直流側(cè)負載放電。在此舉兩個工作模式，剩下見開關(guān)表根據(jù)Sa、Sb的不同組合，可以得到不同的五個電平：根據(jù)以上的原理分析可知,三電平PwM整流器與兩電平PWM整流器相比,具有很多優(yōu)點:1. 每個功率開關(guān)器件所承受的電壓峰值只有兩電平PWM整流器的一半，降低了功率開關(guān)管的電壓應(yīng)力 , 較好的解決了開關(guān)器件耐壓不夠高的問題。2. 在相同的開關(guān)頻率及控制方式下，由于電平數(shù)的增加，三電平PwMg流器的網(wǎng)側(cè)電流 波形比兩電平中的正弦性要好 , 且電平數(shù)越多 , 電流越接近正弦 , 可以獲得更好的頻譜特 性和動態(tài)性能。3. 輸出電壓為 5個電平的階梯波 , 相對于兩電平的 3個電平, 輸出波形階梯增多 , 各級 間的幅值變化降低 , 可更加接近正弦波 ;電壓脈動小 , 降低了輸出電壓的跳變 , 減小對負載 和本身的損害 ; 輸出電壓諧波含量減少 , 對外圍電路的干擾減小。但是這種三電平結(jié)構(gòu)也有它固有的不足之處 :1. 因為不同管子的開關(guān)時間不同 , 器件所需額定電流不同。2. 電容均壓問題 : 這是制約其應(yīng)用的最大障礙之一。直流側(cè)電容由于一個周期內(nèi)電流 的流入和流出可能不同 , 使某些電容總在放電 ,