两电平和三电平脉冲整流器的比较

1、.两电平与三电平的脉冲波形比较电牵二班组员：杨洋 20121550曾绍桓 20121543徐刚堂 20121544代思瑶 20121565黄异彩 20121569赵杰 20121571.两电平与三电平的脉冲波形比较我国引进的时速 200 公里动力分散型交流传动动车组中,CRHI、CRHS动车组主电路均采用了两电平全桥整流电路。为了降低开关管的电压应力和改善PWM整流器网侧输出波形 ,CRHZ动车组采用了二极管箱位三电平PWM整流器电路结构。下面主要对这两种电路拓扑的工作原理及数学模型进行分析和研究。1.1 两电平整流器原理与数学模型单相电压型两电平 Pwm整流器主电路如图 2 一 1 所示 ,

2、 网侧漏感 L 二起传递和储存能量 , 抑制高次谐波的作用 ; 支撑电容 Cd 起抑制高次谐波 , 减少直流电压纹波的作用 ; 电感 LZ 和电容 CZ形成串联谐振电路 , 用于滤除电网的 2 次谐波分量。把开关器件 ( 这里采用 IGBT)视为理想开关元件 , 定义理想开关函数 S, 和 S, 从而得到如图 2 一 2 所示简化等效电路。两电平 PWM脉冲整流电路两电平 PWM整流器等效电路由于上桥臂与下桥臂不能够出现直通, 则 S1a 与 S2a 、S1b 与 S2 b 不能同时导通和关断驱动信号应该互补。整流器网侧输入端电压 Uab取值有 Udc、 、U三,PWM0 -dc种电平 , 有

3、效的开关组合有 22 =4 种 , 即 S,S,=00 、01、10、11 四种逻辑 , 则 PWM整流器输入端电压 Uab 有如下关系 :.Uab =（ SASB ） Udc则由式 (2 一 2), 系统的瞬时等值电路如图2一3所示瞬时等值电路由图 2- 3 可见 , 通过不同的控制方法适当调节“ Uab 的大小和相位 , 就能控制输入电流的相位以控制系统功率因数 ; 同时控制输入电流的大小以控制传入功率变换的能量 , 也就控制了直流侧输出电压。 因此 , 通常采用电压外环和电流内环相结合的双闭环控制方式。此等值电路的电压矢量平衡方程为 :UNLNdiNRN i NUabdt对应于四个开关的

4、不同工作状态, 电路共有以下三种工作模式 :工作模式S S或11,即下桥臂开关或上桥臂开关全部导通,则此时“ U1：A B=00ab =0,电容 Cd 向负载供电 , 直流电压通过负载形成回路释放能量, 直流电压下降 , 因此 ,为了保证直流侧电压的稳定 , 工作模式 1 的导通时间比较短 , 这也是在空间电压矢量调制中 , 两个零矢量的作用时间要比其他六个矢量的作用时间短的原因。另一方面 , 网侧电压 UN 二两端电压直接加在电感LN 上, 对电感 LN 充、放电。此时对应的电压矢量平衡方程如下( 忽略等效电阻的影响 ):UN =LN di Ndt工作模式 3:SASB =10, 等效电路如

5、图2- 4(b)所示 , 则 Uab =Udc 。 UN 0, 储存在电感中的能量向负载RL 和电容 Cd 释放 , 电感电流 i N 下降 , 一方面给电容充电 , 使得直流电压上升 , 保证直流电压稳定 , 同时高次谐波电流通过电容形成低阻抗回路;另一方面给负载提供恒定的电流。此时对应的电压矢量平衡方程如下:LN di N =UN - Udcdt.SASB =01 时的电路SASB =10 时的电路在任意时刻 ,PWM整流器只能工作在上述三种模式中的一种状态下 , 在不同的时区 , 通过对上述 3 种开关模式的切换 , 保持直流侧负载电压的稳定和负载电流 i 。的双向流动 , 也即实现能量

6、的双向流通。由图 2-1 所示主电路结构可知 , 网侧串入一电感元件形成 Boost 电路的拓扑结构 , 使得直流侧输出电压大于网侧电压峰值。假设开关管为理想模型 , 在换相过程中没有功率损失和能量储存 , 则交流侧与直流侧瞬时功率应当相等。即 :Uab i N =Udci 0又由等效电路的拓扑结构可得 :di NLN dt=UN - i N RN - UabCddUdc =i 0 - Udc - i 2dRtLL2di 2Udc -UC 2dtC2dUC2i 2dt将式 (2-7) 、(2-8) 代入式 (2-9),得式 (2-10)所示两电平 PWM整流器的主电路数学模型 , 其中 U2

7、为二次滤波电容上的电压。diNLN d=UN - i N RN - （ SASB ） UdctCddUdc=（ SASB ） i N -Udc- i 2dRtLL2di 2Udc -UC 2dtC2dUC2i 2dt.2.2 三电平整流器原理三电平二极管箱位 PWM整流器拓扑如图 2-5 所示 , 它采用 8 个功率开关器件 ( 这里采用 IGBT)构成两组对称的桥臂。每一桥臂有 4 个开关管 , 其中直接连到正负直流母线上的 2 个开关管称之为主开关管 , 中间的 2 个开关管称之为辅助开关管。两组桥臂各带 2 个箱位二极管 , 以防止电容 CL 或 CZ 因开关操作而发生直通。 直流侧支撑

8、电容由 2 个同样的电容串联组成 , 这样就可以提供一个中性点 , 连接到中性点上的 2 个箱位二极管可以把 PWM整流器的电压箱位到中性点电位 , 因此该整流器也称为中点箱位 PWM整流器 .为了便于分析电路 , 首先根据开关管不同的工作状态 , 定义电路的三种工作状态 :1 态、 O态、 -1 态( 假设两电容上的电压相等 ), 以左半桥为例 :根据每种不同情况我们可以等效电路为：二电平二极管箱位PWM整流器开关等效电路图由开关等效电路可知 , 每组桥臂可以等效为一个开关, 该开关具有 1、0、一 1 三种等效状态 , 两组桥臂有 329 种开关关组合 , 主电路有 9 种工作模式。工作模

9、式 0:( SA, SB )=(1,1),开关管 S1a 与 S2a 、 S1b 与 S2 b 导通 , 整流器交流侧.被短路 , 网侧输入电压 Ua 等于 0, 电容 CL 、 CZ 通过直流侧负载放电 , 网侧电流 i N的大小随网侧电压 UN 的变化而增大或减小。工作模式1:(S , S，开关管 S与 S2a ,S和 S导通网侧输入电压A B )=(10),1a3 a3 b,Ua 等于 U1 网侧漏感电压等于 UN - UN 电容 q 上的电压被正向 ( 或反向 ), 电流充电( 或放电 ), 电容 CZ通过直流侧负载放电。在此举两个工作模式，剩下见开关表根据 SA 、 SB 的不同组合

10、，可以得到不同的五个电平：根据以上的原理分析可知 , 三电平 PwM整流器与两电平 PWM整流器相比 , 具有很多优点 :1. 每个功率开关器件所承受的电压峰值只有两电平 PWM整流器的一半 , 降低了功率开关管的电压应力 , 较好的解决了开关器件耐压不够高的问题。2. 在相同的开关频率及控制方式下 , 由于电平数的增加 , 三电平 PwM整流器的网侧电流波形比两电平中的正弦性要好 , 且电平数越多 , 电流越接近正弦 , 可以获得更好的频谱特性和动态性能。3. 输出电压为 5 个电平的阶梯波 , 相对于两电平的 3 个电平 , 输出波形阶梯增多 , 各级间的幅值变化降低 , 可更加接近正弦波 ; 电压脉动小 , 降低了输出电压的跳变 , 减小对负载和本身的损害 ; 输出电压谐波含量减少 , 对外围电路的干扰减小。但是这种三电平结构也有它固有的不足之处 :1. 因为不同管子的开关时间不同 , 器件所需额定电流不同。2. 电容均压问题 : 这是制约其应用的最大障碍之一。 直流侧电容由于一个周期内电