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(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(chē)組中，CRHI、CRHS動(dòng)車(chē)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 PW整流器網(wǎng)側(cè)輸出波形,CRHZ 動(dòng)車(chē)組采用了二極管箱位三電平 PWh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?理及數(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(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,

2、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。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(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷,驅(qū)動(dòng)信 號(hào)應(yīng)該互補(bǔ)。PWh整流器網(wǎng)側(cè)輸入端電壓Uab取值有Udc、0、-Ude三種電平,有效的開(kāi)關(guān)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(guān)系：Uab =（ SA - Sb） Udc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)

3、，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：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 =00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,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

4、六個(gè)矢量的作用時(shí)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，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：仔UN-UdcSaSb =01時(shí)的電路SaSb =10時(shí)的電路在任意時(shí)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(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)?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(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 =Udc i 0又由等效電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(xué)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(yù)=(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?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(chēng)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(chēng) 之為主開(kāi)關(guān)管，中間的2個(gè)開(kāi)關(guān)管稱(chēng)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PW整流器的電壓箱位到中性點(diǎn) 電位,因此該整流器也稱(chēng)為中點(diǎn)箱位

7、 PWM8流器為了便于分析電路，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焊鶕?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(kāi)關(guān)等效電路圖由開(kāi)關(guān)等效電路可知，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 1三種等效狀態(tài)， 兩組橋臂有32二9種開(kāi)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(kāi)關(guān)管S“與S2a、與S2b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

8、, Sb ） = （1，0）,開(kāi)關(guān)管與S2a, S3a和導(dǎo)通，網(wǎng)側(cè)輸入電壓U等于U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)表根據(jù)Sa、Sb的不同組合，可以得到不同的五個(gè)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(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PWM8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)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