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。為了降低開關管的電壓應力和改善 PW整流器網(wǎng)側輸出波形,CRHZ 動車組采用了二極管箱位三電平 PWh整流器電路結構。下面主要對這兩種電路拓撲的工作原 理及數(shù)學模型進行分析和研究。1.1兩電平整流器原理與數(shù)學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)諧振電路,

2、用于濾除電網(wǎng)的2次諧波分量。把開關器件（這里采用IGBT）視為理想 開關元件,定義理想開關函數(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S與S2a、S與S2b不能同時導通和關斷,驅動信 號應該互補。PWh整流器網(wǎng)側輸入端電壓Uab取值有Udc、0、-Ude三種電平,有效的開關組合 有22=4種，即S,S,=00、01、10、11四種邏輯,則PWM8流器輸入端電壓Uab有如下關系：Uab =（ SA - Sb） 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可見

3、，通過不同的控制方法適當調節(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，也就控制了直流側輸出電壓。因此，通常采用電壓外環(huán)和電流內環(huán)相結合的雙閉環(huán)控制方式。此等值電路的電壓矢量平衡方程為：對應于四個開關的不同工作狀態(tài)，電路共有以下三種工作模式：工作模式1： SaSb =00或11,即下橋臂開關或上橋臂開關全部導通,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,為了保證直流側電壓的 穩(wěn)定,工作模式1的導通時間比較短，這也是在空間電壓矢量調制中，兩個零矢量的作用時間 要比其他

4、六個矢量的作用時間短的原因。另一方面，網(wǎng)側電壓Un二兩端電壓直接加在電感Ln上，對電感Ln充、放電。此時對應的電壓矢量平衡方程如下（忽略等效電阻的影響）：工作模式3: SaSb =10,等效電路如圖2- 4(b)所示，則Uab =Udc。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i N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 對應的電壓矢量平衡方程如下：仔UN-UdcSaSb =01時的電路SaSb =10時的電路在任意時刻,PWMK流器只能工作在上述三種模式中的一種狀態(tài)下 ，在不

5、同的時區(qū)，通過對 上述3種開關模式的切換，保持直流側負載電壓的穩(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所示主電路結構可知，網(wǎng)側串入一電感元件形成 Boost電路的拓撲 結構，使得直流側輸出電壓大于網(wǎng)側電壓峰值。假設開關管為理想模型 ，在換相過程中沒有功 率損失和能量儲存，則交流側與直流側瞬時功率應當相等。即：Uab i N =Udc i 0又由等效電路的拓撲結構可得：LN dt1 N =UN - i N Rn - UabCdd=ic-dtUdc iRl -i2將式(2-7)、(2-8)代入式(2-9),得式(2-10)所示兩電平PWM8流器的主電路數(shù)學模型,其中6為

6、二次濾波電容上的電壓。Ln許UN-iNRN- (Sa-SB) UdeCd譽=(Sa-Sb)iNUdcii 2Rl22.2三電平整流器原理三電平二極管箱位PWM8流器拓撲如圖2-5所示,它采用8個功率開關器件(這里采用IGBT) 構成兩組對稱的橋臂。每一橋臂有4個開關管，其中直接連到正負直流母線上的 2個開關管稱 之為主開關管，中間的2個開關管稱之為輔助開關管。兩組橋臂各帶 2個箱位二極管，以防止電容Cl或Cz因開關操作而發(fā)生直通。直流側支撐電容由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PW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

7、 PWM8流器為了便于分析電路，首先根據(jù)開關管不同的工作狀態(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PWM8流器開關等效電路圖由開關等效電路可知，每組橋臂可以等效為一個開關，該開關具有1、0、一 1三種等效狀態(tài)， 兩組橋臂有32二9種開關關組合,主電路有9種工作模式。工作模式0:（ Sa, Sb）=（1,1）,開關管S“與S2a、與S2b導通，整流器交流側被短路,網(wǎng)側輸入電壓Ua等于0,電容Cl、Cz通過直流側負載放電,網(wǎng)側電流i n的大小隨網(wǎng)側電壓Un的變 化而增大或減小。工作模式1:（ Sa

8、, Sb ） = （1，0）,開關管與S2a, S3a和導通，網(wǎng)側輸入電壓U等于U網(wǎng)側漏感電壓等于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 流側負載放電。在此舉兩個工作模式，剩下見開關表根據(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PWM8流器相比,具有很多優(yōu)點：1. 每個功率開關器件所承受的電壓峰值只有兩電平PWM8流器的一半，降低了功率開關管的電壓應力，較好的解決了開關器件耐壓不夠高的問題。2. 在相同的開關頻率及控制方式下,由于電平數(shù)的增加,三電平PwM整流器的網(wǎng)側電流波 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。但是這種三電平結構也有它固有的不足之處：1. 因為不同管子的開關時間不同，器件所需額定電流不同。2. 電容均壓問題：這是制約其應用的最大障礙之一。直流側電容由于一個周期內電流