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在稳态条件下，PWM整流器交流侧矢量关系如图2.3所示。为简化分析，对于PWM整流器模型电路，只考虑基波分量而忽略PWM谐波分量，并且不计交流侧电阻。这样可以从图2.3分析：当以电网电动势矢量为参考时，通过控制交流电压矢量V即可实现PWM整流器的四象限运行。若假设不变，因此也固定不变，在这种情况下，PWM整流器交流电压矢量V端点运动轨迹构成了一个以为半径的圆。当电压矢量V端点位于圆轨迹A点时，电流矢量I比电动势矢量E滞后90°，此时PWM整流器网侧呈现纯电感特性，如图2.3(a)所示；当电压矢量V端点运动至圆轨迹B点时，电流矢量I与电动势矢量平行切同向，此时PWM整流器网侧呈现正电阻特性，如图2.3(b)所示；当电压矢量V端点运动至圆轨迹C点时，电流矢量I比电动势矢量E超前90°，此时，PWM整流器网侧呈现纯电容特性，如图2.3(c)所示；当电压矢量V端点运动至圆轨迹D点时，电流矢量I与电动势矢量E平行且反向，此时，PWM整流器网侧呈现负阻特性，如图2.3(d)所示。以上，A、B、C、D四点是PWM整流器四象限运行的四个特殊工作状态点。
图2.3 PWM整流器交流侧稳态矢量关系
a) 纯电感特性运行 b) 正阻特性运行 c) 纯电容特性运行 d) 负阻特性运行
E—交流电网电动势矢量 V—交流侧电压矢量
VL—交流侧电感电压矢量 I—交流侧电流矢量
2.2.2 单相三电平四象限PWM整流器的系统分析
三电平PWM整流器电路常采用中点箝位型结构，如图2.4。这里不包括吸收电路和保护电路，是以IGBT为主开关器件的PWM整流器主电路，其中为交流侧输入电感和是直流侧支撑电容，L2和C2分别是二次谐振电感和电容，Q1-Q8是主开关管IGBT,D1-D8是反并联的整流二极管。在直流测，直流电容是由2个一样的电容串联组成，这样就可以提供一个中性点，连接到中性点的两个二极管，称为箝位二极管，它可以把整流器的电压箝位到中性点电位。
从图2.4可以看出，通过IGBT的反并联续流二极管，三电平整流器可以将电网交流电能整流为直流，供给负载，而直流也可经IGBT逆变为交流，反馈给电网。所以这种三电平四象限整流器的能量变换或传递是可逆的，这一点在要求再生制动的应用场合具有很大的优势，而能量传递的总趋势，或者说四象限整流器工作在整流还是逆变工况与IGBT的脉宽调制方式有关。
图2.4 单相三电平Boost型VSR拓扑结构
这种单相三电平整流器每一相的四个开关管的可能导通情况为Q1和Q2、Q2和Q3、Q3和Q4，这三种情况对应的电压分别+、0和，当Q2和Q3导通时，中点电压被钳位为零。这三种状态分别用P、O、N来表示，在换相过程中，直接从P到N是不允许的，因为这需要4个开关管同时动作。根据交流侧电压的不同取值（+、+、0、、）单相三电平整流器可分为5种工作模式，其中对应三种情况，和分别对应两种情况，和各对应一种情况。
2.3 三相三电平逆变器的主电路结构及空间矢量分析
2.3.1 三电平逆变器的主电路结构
多电平变流器的基本思想源于日本长冈科技大学Nabae等人在1980年IEEE IAS年会上，首次提出的中性点箝位(NPC-Neutral Point Clamped)三电平逆变器，而后Bhagwat和Stefanovic在1993年的IAS年会上，进一步将三电平推广到多电平的结构上，奠定了NPC结构的多电平模式。NPC的出现为中压大容量电压型变流器的发展开辟了一条新思路。在此基础上，经过多年的研究发展出3种主要的拓扑结构：(1) 二极管箝位式多电平变流器(Diode-clamped multilevel inverter)；(2) 飞跨电容型多电平变流器(Flying－Capacitors multilevel inverter)；(3) 级联型多电平变流器(Cascaded multilevel inverter)。在动车组牵引系统中，逆变电路采用的拓扑结构为二极管箝位式，如图2.5所示。
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