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,网侧漏感L二起传递和

2、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,则与、与不能同时导通和关断,驱动信号应该互补。PWM整流器网侧输入端电压取值有、0、-三种电平,有效的开关组合有=4种,即S,S,=00、01、10、11四种逻辑,则PWM整流器输入端电压有如下关系:=（）则由式(2一2),系统的瞬时等值电路如图2一3所示

3、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“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:对应于四个开关的不同工作状态,电路共有以下三种工作模式:工作模式1：=00或11,即下桥臂开关或上桥臂开关全部导通,则此时“=0,电容向负载供电,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

4、时间短的原因。另一方面,网侧电压二两端电压直接加在电感上,对电感充、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):=工作模式3: =10,等效电路如图2- 4(b)所示,则=。0,储存在电感中的能量向负载和电容释放,电感电流下降,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:=- =01时的电路 =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

5、能量的双向流通。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:=又由等效电路的拓扑结构可得: =-=-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,其中为二次滤波电容上的电压。=-（）=（）-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

6、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,以防止电容或因开关操作而发生直通。直流侧支撑电容由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

7、9种开关关组合,主电路有9种工作模式。工作模式0:()=(1,1),开关管与、与导通,整流器交流侧被短路,网侧输入电压等于0,电容、 通过直流侧负载放电,网侧电流的大小随网侧电压的变化而增大或减小。工作模式1:( )=(1，0),开关管与,和导通,网侧输入电压等于网侧漏感电压等于-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、的不同组合，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

8、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流的流入和流出可能不同