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、CRH劭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)管的電壓應力和改善PWMSI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PWMI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Pw取流器主電路如圖21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)諧振電路，用于濾除電網(wǎng)的2次諧波分

2、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22所示簡化等效電路。兩電平PW脈沖整流電路兩電平PW慳流器等效電路由于上橋臂與下橋臂不能夠出現(xiàn)直通，則Sa與8a、Sb與S2b不能同時導通和關(guān)斷，驅(qū)動信號應該互補。PWMI流器網(wǎng)側(cè)/&入端電壓Uab取值有Udc、0、-Udc三種電平,有效的開關(guān)組合有22=4種，即S,S,=00、01、10、11四種邏輯，則PWMI流器輸入端電壓Uab有如下關(guān)系：Uab=(SA-SB)Udc則由式(22),系統(tǒng)的瞬時等值電路如圖23所示瞬時等值電路由圖2-3可見，通過不同的控制方法適當調(diào)節(jié)“Uab的大小和相位，就能控制輸

3、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的導通時間比較短，這也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

4、，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)：山/器dt工作模式3:SaSb=10,等效電路如圖2-4(b)所示，則Uab=Udc。Un0,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。此時對應的電壓矢量平衡方程如下：LnJN-=Un-UdcdtSaSb=01時的電路SaSb=10時的電路在任意時刻，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

5、。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)用入一電感元件形成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)瞬時功率應當相等。即：UabiN=Udci0又由等效電路的拓撲結(jié)構(gòu)可得Ln=Un-iNRn-UabdtCddUdc=i0-Uc-i2dtRl將式(2-7)、(2-8)代入式(2-9),其中5為二次濾波電容上的電壓得式(2-10)所示兩電平PWMg流器的主電路數(shù)學模型，d_LN常叫-SbddUdc一(dOiUdcCd.=(SASB)iN-i2dtRL2.2三電平整流器原理三

6、電平二極管箱位PWMI流器拓撲如圖2-5所示，它采用8個功率開關(guān)器件（這里采用IGBT）構(gòu)成兩組對稱的橋臂。每一橋臂有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PWMI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PWMI流器.為了便于分析電路，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)、O態(tài)、-1態(tài)（假設兩電容上的電壓相等）,以左半橋為例：根

7、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PWMI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32=9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Sia與S2a、Sib與S2b導通，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iN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:（Sa，Sb）=（1,0）,開關(guān)管Sia與S2a,S3a和S3b導通,網(wǎng)側(cè)輸入電壓”等于Ui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

8、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PwMS流器與兩電平PWMI流器相比，具有很多優(yōu)百：1 .每個功率開關(guān)器件所承受的電壓峰值只有兩電平PWMI流器的一半，降低了功率開關(guān)管的電壓應力，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PwMI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