CRH动车组牵引传动控制及计算第四章 四象限脉冲整流器的工作原理与控制设计

工作模式6 (Sa=0，Sb=-1)：
u1
p ip
u1
C1
1 Ls is us Rs a -1 uab
Sa 0 1 b Sb 0 -1
C1 o io C2 in n
u1
Ls us is
Rs uab
Udc
u2
u2
开关管Ta2,Ta3,Tb2和Tb3导通，Ta1,Ta4,Tb1和Tb4关断 网侧端电压uao=0，ubo=0，uab=0。如果网侧电源电压us>0，则正向网 侧电流is增大，电容C1和C2通过负载电流放电。
1, T1 on,T2 off Sa = 0, T2 on,T1 off
1, T3 on,T4 off Sb = 0, T4 on,T3 off
5
脉冲整流器的数学模型:
dis Ls dt + is Rs = us − ( Sa − S b )U dc C dU dc = ( S − S )i − U dc − i d a b s 2 dt RL L di2 = U − U dc c2 2 dt C2 dU c2 = i2 dt d
u2
u2
开关管Ta3,Ta4,Tb2和Tb3导通，Ta1,Ta2,Tb1和Tb4关断 网侧端电压uao=-u2，ubo=0，uab=-u2。如果反向的电源电压us大于（ 或小于）直流侧电压Udc的一半，则网侧电流is减小（或增大）；反 向网侧电流对电容C2进行充电，而电容C1通过负载电流放电。
四象限脉冲整流器的双闭环控制器设计 正弦脉宽调制技术 (SPWM) 三电平脉冲整流器中性点电压平衡方案
2
脉冲整流器概述 脉冲整流器 概述
Electric Railway Traction AC Drive Systems Electric Railway Traction AC Drive Systems
Rs uab
i2 Sa L2 b Sb 0 C2 Lo oad 1 Udc Cd
a 0
us
is
开关T1 和T3 导通，T2 和T4 关断，uab=0。如果电源电压 us>0，则网流 is 升高，直流侧电容Cd 将对负载放电.
7
开关 T1 和 T4 导通, T2 和 T3 关断, 并且 uab=Udc. 整流器工作在升压状态，所以直流侧电压比电源电压的 幅值大。此时，加在电感两边的电压为负，因此电流以 (us-Udc)/Ls的斜率减小。电流 is对直流侧电容Cd充电.
C1 o
u1
us
Udc io C2 in n
u2
io
开关管Ta1,Ta2,Tb2和Tb3导通，Ta3,Ta4,Tb1和Tb4关断。 网侧端电压uao=u1，ubo=0，uab=u1。如果正向电源电压us大于（或 小于）直流侧电压Udc的一半，则网侧电流is增大（或减小），网侧 电流is对电容C1进行充电，而电容C2通过负载电流放电。
概述
Electric Railway Traction AC Drive Systems
两电平四象限脉冲整流器的工作原理分析 三电平四象限脉冲整流器的工作原理分析 四象限脉冲整流器的控制概念与对象
创新、自主研发
第四章 四象限脉冲整流器的工作原理与控制设计
主讲人：宋文胜 Email: songwsh@ 西南交通大学电气工程学院 列车控制与牵引传动研究室
工作模式 4 (Sa=0，Sb=0)：
i1 1 Ls Rs uab a 0 b 1 Sb C 0 2 Cd Sa i2 L2 Udc
工作模式3 (Sa=0，Sb=1)：
i1 1 Ls L Load us is uab Rs a 0 b 1 Sb C 0 2 Cd Sa i2 L2 Udc
Load
us
两电平整流器的工作原理分析
i1 1 Ls us is uab b Rs a 0 1 Sb 0 C2 Cd Sa i2 L2 Udc
uab = ( Sa − S b )U dc
Load
i1 + i2 = ( Sa − S b )is
电路有22 = 4 个开关状态，对应着四种工作模式. Uab的取值有Udc 、0和 -Udc三种电平.
14
开 关 管 Ta1,Ta2,Tb1 和 Tb2 导 通 ， Ta3,Ta4,Tb3 和 Tb4 关 断 ， 网 侧 端 电 压 uao=u1，ubo=u1，uab=0。如果网侧电源电压us>0，则网侧电流is增大， 电容C1和C2通过负载电流放电。
13
三电平脉冲整流器的工作模式
Electric Railway Traction AC Drive Systems
8
两电平整流器的工作原理分析
Electric Railway Traction AC Drive Systems Electric Railway Traction AC Drive Systems Electric Railway Traction AC Drive Systems
两电平整流器的工作原理分析
三电平脉冲整流器的工作模式
工作模式4 (Sa=0，Sb=1)：
工作模式 3 (Sa=1，Sb=-1)：
u1
u1
Load
Load
Load
u2
is
o
Udc
u2
开关管Ta1,Ta2,Tb3和Tb4导通，Ta3,Ta4,Tb1和Tb2关断。网侧端电压 uao=u1，ubo=-u2，uab=u1+u2。 整流器工作在升压状态，所以直流侧电压比电源电压的幅值大。此 时，加在电感两边的电压为负，因此电流以(us-Udc)/Ls的斜率减小 。正向网侧电流is对电容C1和C2充电。
15
L Load
开关管Ta2,Ta3,Tb1和Tb2导通，Ta1,Ta4,Tb3和Tb4关断。 网侧端电压uao=0，ubo=u1，uab=-u1。如果反向的电源电压us大于（ 或小于）直流侧电压Udc的一半，则网侧电流is减小（或增大），反 向网侧电流对电容C1进行充电，而电容C2通过负载电流放电。
16
L Load
三电平脉冲整流器的工作模式
工作模式5 (Sa=0，Sb=0)：
Ta1 Ta2 Tb1 Tb2 a o b Ta3 Ta4 Tb3 C2 Tb4 in n u2 io ip p
三电平脉冲整流器的工作模式
Electric Railway Traction AC Drive Systems
11
12
三电平脉冲整流器的工作模式
Electric Railway Traction AC Drive Systems Electric Railway Traction AC Drive Systems Electric Railway Traction AC Drive Systems
三电平脉冲整流器的工作模式
17
三电平脉冲整流器的工作模式
Electric Railway Traction AC Drive Systems
三电平脉冲整流器的工作模式
工作模式 8(Sa=-1，Sb=0)：
u1
工作模式 7(Sa=-1，Sb=1)：
u1
Load
Udc
Load
三电平脉冲整流器的工作模式
Electric Railway Traction AC Drive Systems Electric Railway Traction AC Drive Systems Electric Railway Traction AC Drive Systems
整流器的数学模型:
di s 1 S a ( S a + 1) S b ( S b + 1) S a ( S a − 1) S b ( S b − 1) = − − u s − R s is − u1 − u2 dt L 2 2 2 2 s du1 u1 + u 2 1 S a ( S a + 1) − S b ( S b + 1) is − [ ] = C1 RL 2 dt du 2 S ( S − 1) − S b ( S b − 1) u + u2 1 = is − 1 [− a a ] C2 RL 2 dt
开关管Ta2,Ta3,Tb3和Tb4导通，Ta1,Ta4,Tb1和Tb2关断 网侧端电压uao=0，ubo=-u2，uab=u2。如果正向电源电压us大于（或 小于）直流侧电压Udc的一半，则网侧电流is增大（或减小）。正 向的网侧电流对电容C2进行充电，而电容C1因为给输出电路提供 能量而放电。
18
脉冲整流器概述 脉冲整流器 概述
jωs Ls Iɺs
牵引变压器的内阻Rs很小，可 以忽略不计。
jωs Ls Iɺs
ɺ U s Iɺs ɺ U ab
ɺ U ab Iɺs
ɺ U s
Ps (t ) = us (t ) ⋅ is (t ) = 2U s sin ωs t × 2 I s sin ωs t = U s I s − U s I s cos 2ωs t
u2
u2
u2
Sa ( Sa + 1) − Sb ( Sb + 1) is 2 S ( S − 1) − Sb ( Sb − 1) in = a a is 2 ip =
S ( S + 1) S b ( Sb + 1) Sa ( Sa − 1) S b ( Sb − 1) uab = uao − uao = a a − − u1 − u2 2 2 2 2
6
两电平整流器的工作原理分析
Electric Railway Traction AC Drive Systems