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(guó)引進(jìn)的時(shí)速200公里動(dòng)力分散型交流傳動(dòng)動(dòng)車組中，CRHI、CRHS動(dòng)車 組主電路均采用了兩電平全橋整流電路。為了降低開(kāi)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(dòng)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(duì)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

2、遞和儲(chǔ)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(kāi)關(guān)器件（這里采用IGBT）視為理想開(kāi)關(guān)元件，定義理想開(kāi)關(guān)函數(shù)S,和S,從而得 到如圖2 一 2所示簡(jiǎn)化等效電路。Rl V1:uRl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Sia與S2a、Sib與S2b不能同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷,驅(qū)動(dòng)信號(hào)應(yīng)該互補(bǔ)。PWM整流器網(wǎng)側(cè)輸入端電壓Uab取值有Ude、0、- Ude三 種電平，有效的開(kāi)關(guān)組合有22=4種，即S,S=OO、01、10、11四種邏輯,則PWM 整流器輸

3、入端電壓Uab有如下關(guān)系：Uab =（ SASB） Ude則由式（2 一 2）,系統(tǒng)的瞬時(shí)等值電路如圖2 一 3所示瞬時(shí)等值電路由圖2- 3可見(jiàn)，通過(guò)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(shí)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UnLn； fiN Uab對(duì)應(yīng)于四個(gè)開(kāi)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 =OO或11,即下橋臂開(kāi)關(guān)或上橋臂開(kāi)關(guān)全部導(dǎo)通，則此時(shí)“ Uab =0,電容Cd向負(fù)載供電

4、，直流電壓通過(guò)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(shí)間比較短，這也是在空間電壓矢 量調(diào)制中，兩個(gè)零矢量的作用時(shí)間要比其他六個(gè)矢量的作用時(shí)間短的原因。另 方面，網(wǎng)側(cè)電壓Un二兩端電壓直接加在電感Ln上對(duì)電感Ln充、放電。此時(shí)對(duì)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: SaSb=10,等效電路如圖2- 4(b)所示，則Uab = Udc。 5 >0,儲(chǔ)存在電 感中的能量向負(fù)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(shí)高次諧波電流通過(guò)電容形成低阻抗回路；另一方面給負(fù)載

5、提供恒定的電流。此時(shí)對(duì)應(yīng)的電壓矢量平衡方程如下I diN=Un - UdcLn RhRlRlSaSb =O1時(shí)的電路SaSb=10時(shí)的電路在任意時(shí)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(shí)區(qū)，通過(guò)對(duì)上述3種開(kāi)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(dòng)，也即實(shí)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?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(kāi)關(guān)管為理想模型，在換相過(guò)程中沒(méi)有功率損失和能量?jī)?chǔ)存，則交流側(cè)與直流側(cè)瞬時(shí)功率應(yīng)當(dāng)相等。即Uab i N = Udci 0又由等效電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可得L2dt

6、2Udci0瓦-i2Udc - Uc2i2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U2為二次濾波電容上的電壓。Ln許UnuRn-(SASb)UdcdUdC =( Sa Sb)iN-Cd dtUdc - Uc2C dUc22 "dFi22.2三電平整流器原理 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(gè)功率開(kāi)關(guān)器件(這 里采用IGBT)構(gòu)成兩組對(duì)稱的橋臂。每一橋臂有4個(gè)開(kāi)關(guān)管，其中直接連到正負(fù)直 流母線上的2個(gè)開(kāi)關(guān)管稱之為主開(kāi)關(guān)管，中間的2個(gè)開(kāi)關(guān)管稱之為輔助開(kāi)關(guān)管。兩組橋臂各帶2個(gè)箱位二極管,以防止電容Cl或

7、Cz因開(kāi)關(guān)操作而發(fā)生直通。直流側(cè)支撐電容由2個(gè)同樣的電容串聯(lián)組成，這樣就可以提供一個(gè)中性點(diǎn)，連接到中性 點(diǎn)上的2個(gè)箱位二極管可以把PWM整流器的電壓箱位到中性點(diǎn)電位，因此該整流器也稱為中點(diǎn)箱位PWM整流器.:企等效狀態(tài)，兩組橋臂有329種開(kāi)關(guān)關(guān)組合，主電路有9種工作模式。為了便于分析電路，首先根據(jù)開(kāi)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?yàn)槔篜廠CPb, 脣-U吐V禮創(chuàng)1S 圍CUN “b 0UdeT Cl根據(jù)每種不同情況我們可以等效電路為:Oiiti Ln 毀1】>/_ 0i.二電平二極管箱位PWM整流器開(kāi)關(guān)等效電路圖由開(kāi)關(guān)等

8、效電路可知，每組橋臂可以等效為一個(gè)開(kāi)關(guān)，該開(kāi)關(guān)具有1、0、一 1三種工作模式O：(Sa, Sb) = (1,1),開(kāi)關(guān)管Sia與S2a、與Sqb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(guò)直流側(cè)負(fù)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:( Sa, Sb ) = (1 ,0),開(kāi)關(guān)管S1a與S2a,S3a和Ssb導(dǎo)通,網(wǎng)側(cè)輸入電壓丄 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(或放 電)，電容cz通過(guò)直流側(cè)負(fù)載放電。在此舉兩個(gè)工作模式，剩下見(jiàn)開(kāi)關(guān)表%旳,九b珂6Uq%L3Mode1L01I00I1U(蟲(chóng)00

9、11000II0I001110000I11-1IIILli+Uj201101I0&010U|U|301t0011n0nC004011000t1,0-10-出50011110ft-I11心-Ui.Uj60lOi1J10I10-10-Wj0-XJ;70O'110011-10ft根據(jù)Sa、Sb的不同組合，可以得到不同的五個(gè)電平:4 11*1.Li而4.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(diǎn):1. 每個(gè)功率開(kāi)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(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力，較好的解決了開(kāi)關(guān)器件耐壓不夠高的問(wèn)題。2. 在相同的開(kāi)

10、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(dòng)態(tài)性能。3. 輸出電壓為5個(gè)電平的階梯波，相對(duì)于兩電平的3個(gè)電平，輸出波形階梯增多， 各級(jí)間的幅值變化降低，可更加接近正弦波；電壓脈動(dòng)小，降低了輸出電壓的跳變， 減小對(duì)負(fù)載和本身的損害；輸出電壓諧波含量減少，對(duì)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?yàn)椴煌茏拥拈_(kāi)關(guān)時(shí)間不同，器件所需額定電流不同。2. 電容均壓?jiǎn)栴}：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(gè)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，而另一部分總在充電，使得 電容電壓不均衡，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)工作不利。3. 需要較多的箱位二極管.兩電平仿真模型B*