第四节　脉冲整流器工作原理及控制

一、脉冲整流器工作原理

脉冲整流器是列车牵引传动系统电源侧变流器。在牵引时作为整流器，将单相交流电转变成直流电；再生制动时作为逆变器，将直流电转变成单相交流电，它可方便地运行于电压电流平面的四个象限，因此亦称为四象限脉冲整流器。

图2-4为脉冲整流器电路原理图，由交流回路、功率开关桥路以及直流回路组成。其中交流回路包括变压器牵引绕组的输出电压uN、漏电感LN和绕组电阻RN（RN很小，可以忽略不计）；直流回路包括二次滤波环节L2、C2和中间支撑电容Cd。其简化的等效电路如图2-5所示。

脉冲整流器的电压矢量平衡方程为

式中　　 ——二次侧牵引绕组电压相量；

——二次侧牵引绕组电流的基波相量；

——调制电压的基波电量。

当二次侧牵引绕组电压一定时，的幅值和相位仅由的幅值及其与的相位差来决定。改变基波的幅值和相位，就可以使与同相位或反相位。在牵引工况下，与的相位差为0°，该工况下的矢量图如图2-6（a）所示，此时滞后；而对于再生制动工况，与的相位差为180°，该工况下的矢量图如图2-6（b）所示，此时超前，电机通过脉冲整流器向接触网反馈能量。

由图2-3可以得到下式

式中　　Ud——直流侧电压；

Mα——变流器的调制深度（从系统工作的安全可靠性和电网的特性考虑控制系统应保证0.8≤Mα≤0.9）；

K——短路阻抗的标幺值，一般取0.3～0.35。

由式（2-2）可得

式（2-3）表明了中间直流电压Ud与变压器牵引绕组电压UN、变压器短路阻抗标幺值K以及调制深度Mα的关系。

由图2-6可知，如果保持与同方向，即位移因数为1，则随负载电流变化。显而易见，当，这时调制深度Mα为最小，即。而Mα的最大值主要取决于元件的开关频率及调制比。

在图2-7中，当调制比达到其最大值时，门极信号相邻两个开关点的间距须满足tde≥ton+tD，其中ton是为了复原吸收回路所需的最短时间；td是保证一个器件开通之前另一个器件必须完全关断所需的最小时间，假定载波信号的幅值为1，则由△ABC～△Ade有

假定对于高速列车，满足Ud=3000V，K=0.3，当Mαmax=0.9时有

考虑网压波动范围为22.5～29kV，如果上述最大值只有在网压为29kV的工况下才允许出现，而在系统设计时，变流器的输入电压通常对应25kV工况，因此折算到25kV时的额定电压为

折算到22.5kV时的额定电压为

二、两电平脉冲整流器

1.两电平脉冲整流器的工作原理

单相两电平脉冲整流器主电路如图2-8所示，LN和RN分别为牵引绕组漏电感和电阻，开关管T1、T2、T3、T4组成一个全控桥电路，L2和C2组成一个二次滤波器，Cd为中间直流侧支撑电容。

为了便于分析，定义理想开关函数SA和SB如式（2-5）和式（2-6）所示。采用理想开关函数并忽略牵引绕组电阻，则图2-8所示的两电平脉冲整流器主电路可以等效为图2-9所示的电路。

由于上桥臂与下桥臂不允许直通，则Si（i=A，B）与（为下桥臂的开关函数）必须满足。于是uab的取值有Ud、0、-Ud三种电平，有效的开关组合有22=4种，即SASB=00，01，10，11四种逻辑，则uab可表示为

uab=（SA-SB）Ud　　（2-7）

对应于4个开关的不同开闭状态，电路共有以下三种工作模式。

工作模式1：SASB=00或11，即下桥臂开关或上桥臂开关全部导通，则此时uab=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。另一方面，牵引绕组两端电压uN直接加在电感LN上，对电感LN充放电。当uN>0，D1与T3导通或T2与D4导通，电感电流iN上升，电感LN储存能量；当uN<0，D3与T1导通或T4和D2导通，电感电流iN下降，电感LN释放能量。在此过程中，有下式成立

工作模式2：SASB=01，其等效电路如图2-10（a）所示，此时Uab=-Ud。T1和T4同时关断，由D3和D2导通形成回路，uN<0，电流流向与电流iN的参考方向相反，并对电感充电储能，电感电流iN上升，满足如下关系式

工作模式3：SASB=10，其等效电路如图2-10（b）所示，此时uab=Ud。T3和T2同时关断，由D1和D4导通形成回路，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iN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，满足如下关系式

在任意时刻，处于整流状态的脉冲整流器都只能工作在三种模式中的一种，在不同的时间段，通过对上述三种开关模式的切换，实现直流侧负载电压的稳定和负载电流的双向流动。

2.两电平脉冲整流器的PWM控制原理

两电平脉冲整流器PWM调制采用SPWM调制，其调制方式如图2-11所示。当ua>uca时，SA为1，否则为0。b相与a相调制方式相同，但ub与ua相位相差180°，ucb与uca相同。图2-12为两电平脉冲整流器SPWM调制波形。

三、三电平脉冲整流器

1.三电平脉冲整流器工作原理

单相三电平脉冲整流器主电路如图2-13所示，图中u1为直流侧支撑电容C1上的电压，u2为直流侧支撑电容C2上的电压。为了便于分析，定义理想开关函数SA和SB如式（2-8）、式（2-9）所示。采用理想开关函数并忽略牵引绕组电阻，则图2-13所示的三电平脉冲整流器主电路可以等效为图2-14所示的电路。

显然，由SA和SB组成的电路共有32=9种组合，对应主电路有九种工作模式。开关状态及相应的电压值见表2-1。

工作模式1（SA=1，SB=1）：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uN>0，则网侧电流iN增大，电容C1和C2通过负载电流放电。

工作模式2（SA=1，SB=0）：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uN大于（或小于）直流侧电压Ud的一半，则网侧电流iN增大（或减小），网侧电流对电容C1进行充电，而电容C2通过负载电流放电。

工作模式3（SA=1，SB=-1）：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。正向网侧电流iN减小，正向网侧电流对电容C1和C2充电。

工作模式4（SA=0，SB=1）：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uN大于（或小于）直流侧电压Ud的一半，则网侧电流iN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。

工作模式5（SA=0，SB=0）：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uN>0，则正向网侧电流iN增大，电容C1和C2通过负载电流放电。

工作模式6（SA=0，SB=-1）：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uN大于（或小于）直流侧电压Ud的一半，则网侧电流iN在增大（或减小），网侧电流对电容C2进行充电，而电容C1通过负载电流放电。

工作模式7（SA=-1，SB=1）：开关管Ta3，Ta4，Tb1和Tb2导通，Ta1，Ta2，Tb3和Tb4关断，网侧端电压uao=-u2，ubo=u1，uab=-u1-u2。反向网侧电流iN减小，反向网侧电流对电容C1和C2充电。

工作模式8（SA=-1，SB=0）：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uN大于（或小于）直流侧电压Ud的一半，则网侧电流iN在减小（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。

工作模式9（SA=-1，SB=-1）：开关管Ta3，Ta4，Tb3和Tb4导通，Ta1，Ta2，Tb1和Tb2关断，网侧端电压uao=-u2，ubo=-u2，uab=0。如果网侧电源电压uN>0，则正向网侧电流iN增大，电容C1和C2通过负载电流放电。

2.三电平脉冲整流器PWM控制原理

三电平脉冲整流器PWM调制方式为SPWM，其理想相开关函数如式（2-10），其调制方式如图2-15所示。当b相调制波ub和a相相差180°相位，其与b相载波ucb之间的关系与上述关系相同，为减少高次谐波，b相载波需要偏离a相载波180°相位。

三电平脉冲整流器利用上述调制方式进行切换动作，得到的PWM调制和动作波形如图2-16所示，uab是采用Ud，Ud/2，0，-Ud/2，-Ud这五种电平来等效的正弦波，与两电平脉冲整流器相比，这样可以有效地减少网侧输入端电流iN的谐波。