电机与电器学科最新发展动态 入频率操作，然而能确定转子位置的凸极电机的开发已经被证实能够控制零输入频率。
实际上，零轴转速胜任很多像拉丝机和顶部驱动器等高性能的应用场合，这些场合下当需要改变钻头的时候，钻头要被夹紧和放松。因此，用于直接转矩控制驱动器的流量观测器更加胜任这些场合。如果所使用的内部微处理器足够快能满足流量观测器的计算要求，其他采用标准PWM技术的流量观测器也可以胜任。很多研究人员已经着手此领域的工作，而且很多电机驱动器制造商提供了高级测器算法。
问题是更明智的处理方法。安川公司是第一个提出在通用低压设备中采用三级驱动结构的驱动器制造商。安川公司所属的三级驱动器拓扑结构被称为三级中性点钳位逆变器。 三级中性点钳位逆变器是1980年由A. Nabae, I. Takahashi 和H. Akagi 首先提出并于1981年发表。在这个电路结构中，施加到开关设备上的电压是传统的两级逆变器（图2）的一半。由于这一特性，它被应用于中高压驱动器中。早期在欧洲和日本被应用于钢铁行业和铁路牵引机等领域。
除了处理高压的能力，NPC（中性点钳位）逆变器还有许多优点；较低的线电压和共模电压，一个载波周期内更频繁的电压阶跃，相同载波频率下输出电流中脉动成分更低。这些优点以及之前所说的施加到电机线圈和轴承上的电压较低，对相邻的设备噪声影响更小，使得其与传统的两级电机驱动器相比具有明显的优势。加上先进的PWM控制方案，使得采用双观测器方法来提高动态性能成为可能。
为了发挥上述优越特性，把通用脉宽调制NPC逆变器应用于低压驱动器设备。在此产品中，采用了一项特殊技术来平衡交流总线电容电压。这将在接下来的部分详细解释。
图4为NPC三级逆变器的电路图。每相有4个开关设备（IGBT）顺次串联起来，以U相为例，此电路按以下方式工作。
当IGBT管
和
导通时输出
3 电力拓扑学取得的进步
半导体技术的突飞猛进促进了更高开关频率的基于电压源逆变器（现在交流电机驱动器的主力军）的PWM技术的出现。开关频率在10-kHz 到15-kHz的载体十分普遍。这十分有助于提高电压，电流，和转矩的可控性。同时有助于减少噪声。然而，高速切换的IGBT会增加高频泄漏电流，轴承电流和转轴电压。但这更加剧了电压反射问题带来的电机终端高压，尤其是当电机与驱动器之间的距离在20m以上时。电力电子和交流电机驱动器领域的研究人员和工程师发现这个问题已经很久了，并且为此开发了很多工具，将这些工具放在电机与驱动器之间以解决类似的应用问题。 3.1 三级中性点钳位逆变器
和在电机与驱动器间添加器件相比通过改变电力拓扑结构来较少上述
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电压U和电流总线的正向相连，当
电机与电器学科最新发展动态 IGBT管和导通时输出电压U
和
= A sin (ωt –120°) (2) =A sin(ωt–240°) (3) A为调制指数。假设不采用三次谐波成分来提高直流线电压的使用。
输出电压的波形随着调制指数和相角改变。为了描绘输出电压的变化，取A为1.0即采用全电压控制，并使U相相角为75°。这种条件如图5所示，相电压为：
= 1.0 sin 75° = 0.966 (4) = 1.0sin(75°–120°)= -0.707 (5) = 1.0sin(75°–240°) = -0.259 (6)
与中性点O相连，当IGBT管
导通时输出电压U与交流总线的负端相连。因此，输出电压有三个量值，而传统的两级拓扑结构只有两个量值。输出电压（相对于直流中性点的电压）与IGBT的开关状态之间的关系如表1所示。
需要串联直流总线电容以使得中点输出电压值为零。这并不是缺点，因为电压范围在400-480 V时高压电解电容不可用，所以在通用逆变器中串联直流电容是很正常的做法。
对上述条件，一个周期被PWM载波信号的相电压，线电压，共模电压波形如图6所示。
由逆变桥流入电容中点的电流是此拓扑结构的唯一的新问题，并且保持两电容间的电压平衡很重要，这要影响到此控制方案。
为了描绘输出电压的波形，设PWM参考信号U,V,W依次为， = A sin (ωt) (1)
压
在图6中，Tc为载波信号的周期。线电
定义如下， =
(7)
它是实际施加到电机终端的电压。
共模电压定义如下：
= (
+
+
) / 3 (8)
共模电压影响泄漏电流，转轴电压
和承载电流。
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电机与电器学科最新发展动态 测量的两项和三相逆变器线电压相同PWM载波频率下三级逆变器的纹波电流成分较小。换句话说，和两级逆变器相比对于同样品质的电流载波频率可以低一些，这样可以减少IGBT的开关损失。
3.2.2 电机终端的冲击电压
当逆变器与电机之间的电缆较长时，电机终端的电压要比逆变器一端高，这是由陡峭的暂态电压和电缆的分布电感电容引起的。电机终端出现的高电压可能损坏线圈的绝缘材料。电压高速率的变化也会产生线圈匝数之间电压分配不均匀的现象，这会影响绝缘材料的寿命。
由于三相逆变器的电压阶跃是两相逆变器的一半，所以其电机终端的
波形如图7所示。所测的共模电压比较如图8所示。
峰值电压也要低的多。图9中的波形是在把阶跃电压施加到L-C振荡电路后电压可上摆到输入电压两倍这一概念的基础上得到的。在图9 (a)中，E的超调量与原有的E相加使得峰值达到2E。在图9(b)中，电压跳变0.5E，再与原有E相加得到峰值电压为1.5E。
图7和图8是一个460V, 7.5kW电
机驱动系统的波形。从图6到图8可以看出无论是线电压还是共模电压三相逆变器的要比两相逆变器的阶跃小。此外，在某些相角范围内三级逆变器的共模电压幅值要不两级逆变器的低。这些特征给驱动器的应用带来显著的好处。
3.2 三级逆变器的特点与优势
这部分比较两级逆变器与三级逆变器电机终端的冲击电压、泄漏电流、转轴电压和承载电流。 3.2.1 电流波形
首先，由于电压阶跃更小更频繁，
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图10所示为电缆长为100m时测得的电机电压波形。这些波形清楚的表明峰值电压的不同。从图中也可以看到分布参数引起的高频振荡。
电机与电器学科最新发展动态 转轴电压的形状和共模电压很相似。转轴电压的尖峰使电流流过轴承的绝缘层。这会导致绝缘层分解和转轴电压的放电。
3.2.3 泄露电流
高速率的共模电压使得来自电缆导体和电机线圈的漏电流通过这些组分中的寄生电容流向大地。这个漏电流给逆变器附近的设备带来噪声问题。它和电磁干扰噪声等级有很大关系。
由于共模电压的的阶跃比较小，三级逆变器的漏电流比二级逆变器要小得多。
图11显示三级情况下漏电流峰值显著下降。测量是在460V, 7.5kW 的电机 100m长电缆的情况下进行的。
由于三级逆变器的共模电压的改变较小，使得其在转轴电压和轴承电流方面与两级逆变器相比具有显著优势。图12两级与三级逆变器转轴电压与轴承电流的测试结果。在这些测试中，在轴承和轴承盖之间加入了绝缘材料以便更利于轴承电流的观察。
尽管图12中显示三级逆变器的轴承电流相当小，但仍然很难估计轴承寿命的差异。实际上为了证实三级逆变器的优越性已经进行了很长一段时间的测试了。图13显示出使用三级拓扑结构轴承的寿命会更长。
在图13轴承寿命测试实验中考虑了极端条件包括温度，油脂类型和电机速度等。应该指出实际上正常的轴承寿命比此处显示的要长。
3.2.4 转轴电压与轴承电流
逆变器驱动的电机的轴承发生损坏。这些问题是由共模电压和其尖峰所产生的转轴电压和轴承电流所引起的。
有报道在转轴没有接地的情形下
当电机转子随轴承经油脂薄膜绝缘后旋转时，在转子和机架之间存在着电容。这个电容由共模电压通过定子绕组与转子之间的电容充电。因此，
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电机与电器学科最新发展动态 尽管在输入输出的处理上有了各种各样的进步但电压源型逆变器还是引起了电网污染，所以仍然需要一种较简单的不需要外围设备就能处理输入输出电网污染问题的变流器。这样的驱动器将会是可以实现与环境和谐友好的系统。有希望实现这一目标的变流器的拓扑结构是矩阵变流器。
矩阵变流器（MC）是一个直接频率转换设备（AC –Ac变流器），可以
图14所示为一400V, 1.5kW的部件。此类部件从18.5kW到高达300KW有标准的内置直流反应堆。这减小了输入正弦电流的失真。此外，此单元额外装配了一个整流桥以促进十二脉波的整流。这可以通过采用一个角角星隔离相移变压器来实现。使用十二脉波法可使输入电流畸变率降低12%左右。
3.3 矩阵变流器
电压源型PWM逆变器已经被列为电机驱动系统的主要控制器。然而，这和前部分叙述的相关的输入方面，交流电源方面或输出方面以及电机方面都有关。两级逆变器的典型问题包括：
a.输入电流的高次谐波对电力系统有不利影响
b.大共模电流及电磁辐射对其他设备的影响
c. 电机终端的冲击电压潜在着使绝缘失效的可能
d.由于转轴电压和轴承电流导致的电机轴承过早损坏
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直接利用交流电网中的电压产生不同幅值不同频率的输出电压。它是完全可再生的并且具有整功率因数的正弦输入电流。图15为矩阵变流器的基本拓扑结构。
矩阵变流器的概念首先由Venturini提出。此后，它一直是备受关注的一个拓扑结构。缺乏低成本高性能的半导体器件制约了整个拓扑结构的采纳。由于最近的发展，它逐渐成为非常可行的产品。安川公司是把这种产品商业化的首批公司之一。三相MC 由双向开关组成，这可以做到输入电流和输出电流的PWM控制。它不需要典型电压源型逆变器中的中间直流连接和相关的大电容性滤波器。
在实际应用中，理解开关之间的切换程序十分重要。两开关之间的换流