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組員： 楊 洋20121550 曾紹桓20121543 徐剛堂20121544代思瑤20121565 黃異彩20121569 趙 杰20121571兩電平與三電平的脈沖波形比較我國引進(jìn)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PWM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PWM整流器電路結(jié)構(gòu)。下面主要對這兩種電路拓?fù)涞墓ぷ髟砑皵?shù)學(xué)模型進(jìn)行分析和研究。1.1兩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

2、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PWM脈沖整流電路 兩電平PWM整流器等效電路由于上橋臂與下橋臂不能夠出現(xiàn)直通,則與、與不能同時導(dǎo)通和關(guān)斷,驅(qū)動信號應(yīng)該互補。PWM整流器網(wǎng)側(cè)輸入端電壓取值有、0、-三種電平,有效的開關(guān)組合有=4種,即S,S,=00、01、10、11四種邏輯,則PWM整流器輸入端電壓有如下關(guān)系:=（）則由式(2一2),系統(tǒng)的瞬時等值電路如圖2一3所示瞬

3、時等值電路由圖2- 3可見,通過不同的控制方法適當(dāng)調(diào)節(jié)“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：=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“=0,電容向負(fù)載供電,直流電壓通過負(fù)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

4、間短的原因。另一方面,網(wǎng)側(cè)電壓二兩端電壓直接加在電感上,對電感充、放電。此時對應(yīng)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: =10,等效電路如圖2- 4(b)所示,則=。0,儲存在電感中的能量向負(fù)載和電容釋放,電感電流下降,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(fù)載提供恒定的電流。此時對應(yīng)的電壓矢量平衡方程如下:=- =01時的電路 =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(fù)載電壓的穩(wěn)定和負(fù)載電流i。的雙向流動,也即實現(xiàn)能

5、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?fù)浣Y(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:=又由等效電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可得: =-=-將式(2-7)、(2-8)代入式(2-9),得式(2-10)所示兩電平PWM整流器的主電路數(shù)學(xué)模型,其中為二次濾波電容上的電壓。=-（）=（）-2.2三電平整流器原理三電平二極管箱位PWM整流器拓?fù)淙鐖D2-5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(fù)直流母線上的2個開關(guān)管

6、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,以防止電容或因開關(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(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 9

7、種開關(guān)關(guān)組合,主電路有9種工作模式。工作模式0:()=(1,1),開關(guān)管與、與導(dǎo)通,整流器交流側(cè)被短路,網(wǎng)側(cè)輸入電壓等于0,電容、 通過直流側(cè)負(fù)載放電,網(wǎng)側(cè)電流的大小隨網(wǎng)側(cè)電壓的變化而增大或減小。工作模式1:( )=(1，0),開關(guān)管與,和導(dǎo)通,網(wǎng)側(cè)輸入電壓等于網(wǎng)側(cè)漏感電壓等于-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(fù)載放電。在此舉兩個工作模式，剩下見開關(guān)表根據(jù)、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

8、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PwM整流器的網(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(fù)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