两电平和三电平脉冲整流器的比较
发布时间:2020-06-12 05:24:23
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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
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“
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:
工作模式3:
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
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
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
工作模式0:(
工作模式1:(
在此举两个工作模式,剩下见开关表
根据
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流的流入和流出可能不同,使某些电容总在放电,而另一部分总在充电,使得电容电压不均衡,对整个系统工作不利。
3.需要较多的箱位二极管.
两电平仿真模型
两电平Un、In波形
两电平Ud、Id波形
两电平Uab
两电平Udc
三电平仿真模型
三电平Un、In波形
三电平Ud、Id波形
三电平Uab