硕士学位论文
2三电平逆变器和空间矢量脉宽调制的原理
2.1三电平逆变器的基本工作原理
1980年，A.Nabae等人提出了中性点三电平逆变器的主电路拓扑，即通过增加逆变器输出的电平数来降低共模电压(du/dt)和电磁干扰(EMI),减少开关损耗和谐波含量，扩大逆变器的输出电压和功率。多电平逆变器技术经过30多年的研究和发展，现在形成了几种典型的主电路拓扑结构。按逆变器的工作原理上分为两大类：
1.钳位式半桥结构，包括二极管钳位、飞跨电容钳位、二极管飞跨电容混合钳位和通用钳位式半桥结构；
2.级联式结构，包括2H桥级联式、3H级联式、混合级联式和三相半桥式SPWM逆变器的级联开绕组双端供电式级联等。
2.1.1三电平逆变器主电路拓扑
在高压大功率变频调速的场合，三电平逆变器被广泛的应用， 其主电路的拓扑结构有很多。钳位式三电平逆变器是最常用的一种结构，主要包括两种二极管钳位式和电容钳位式。
1.电容钳位式三电平逆变器
电容钳位式三电平逆变器主电路如图2-1所示，逆变器采用电力电容对相应的开关器件钳位，使电压的合成选择增多，选择开关的状态的空间更大。通过合理安排多种开关状态的组合[6-9]，实现对串联电容电压的均衡，较好的实现有功补偿和变频调速，但是控制方案复杂。
2.二极管钳位式三电平逆变器
如图2-2所示，二极管钳位式三电平逆变器主电路主电路，每一相有四个功率器件和两个钳位式二极管组成的带电压中性点钳位的三电平逆变器。电路中的钳位二极管的作用一方面把桥臂上与其相连接的电压钳到直流电源电压的中点，另一方面防止电容(C1、C2)工作时短路。
二极管钳位式和电容钳位式相比，在实现三电平输出时用二极管代替了钳位电容，减小了体积、减少了成本、易于控制、变频系统性能很好，但是二极管钳位式结构并不是完美的存在不足之处如：
1.桥臂上的功率元件承受的电流是不同，造成有的功率元件发热
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2 三电平逆变器和空间矢量调制的原理 量较大，也就是承受负载分配的不均；
2.直流母线上的分压电容存在电压不均衡的问题，严重时会造成逆变设备的烧毁。
上述的缺点伴随着半导体技术的发展和控制理论的成熟应用，都得到了很大程度上弥补，促进了二极管钳位式三电平技术的发展。
图2-1电容钳位式三电平逆变器主电路
Figure 2-1 Capacitor clamped three-level inverter main circuit
图2-2二极管钳位式三电平逆变器主电路
Figure 2-2 Diode clamp three-level inverter main circuit
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2.1.2三电平逆变器中三电平的形成
在图2-2每一相有四个IGBT器件，改变开关状态可获得三种不同的输出电压(Ud/2，0，-Ud/2)，Ud为直流母线电压。表1为a相输出的电压组合，用P、O、N表示输出的三电平。
表2-1三电平NPC逆变器输出电压的组合
Table 2-1Three-level NPC inverter output voltage combinations
VT11 on off off
VT12 on on off
VT13 off on on
VT14 off off on
输出电压 状态符号 Ud/2 0 -Ud/2
P O N
(a)P状态 (b)O状态 (c)N状态
图2-3三电平逆变器A相输出的三种状态
Figure 2-3 Three-level inverter which A phase output three states
以a相为例说明三电平逆变器工作的三个状态(P、O、N)：
1.正状态见图2-3(a)，开关器件VT1、VT2导通 ，VT3、VT4关闭，Ua输出端与A相连，a相的输出电压为Uao=Uc1=Ud/2,定义此时的状态为P。
2.零状态见图2-3(b)，开关器件VT2、VT3、导通 ，VT1、VT4关闭，Ua输出端与直流母线O相连，a相的输出电压为Uao=0,定义此时的状态为O。
3.负状态见图2-3(c)，开关器件VT1、VT2关断 ，VT3、VT4导通，Ua输出端与直流母线的负断B相连，a相的输出电压为
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2 三电平逆变器和空间矢量调制的原理 Uao=-Uc2=-Ud/2,定义此时的状态为N。
由此可见，三电平逆变器每一相可以输出三种状态即P、O、N三种电平，比二电平逆变器多输出一个状态，所以叫做三电平逆变器。由于三相开关器件在运行时是不断切换的，因此在选择开关状态时利用冗余开关状态，避免状态P直接到状态N，容易发生四个功率器件的贯通。
2.2空间脉宽调制(SVPWM)的原理
SVPWM技术是通过控制逆变器输出电压矢量，使电动机定子线圈形成的磁链轨迹逼近于圆形为目的。SVPWM技术选择不同的开关状态，输出不同的电压矢量，控制合成的磁链的运动轨迹。与SPWM的区别是：SPWM技术是通过提高载波的频率即开关频率，是输出的电压更接近与正弦波；SPWM的开关状态是调制波与载波的时刻交点确定的，由于输出的电压谐波含量较高，造成电动机的转矩脉动，开关频率受功率元件的工作频率限制，且频率越高，开关损耗越大；SVPWM由于合成的磁链轨迹接近圆形，所以输出的电压谐波含量低、转矩平稳。
2.2.1逆变器输出电压的坐标变换
逆变器输出的是时变的三相电压，可以通过坐标变换把三相相对静止坐标系(a、b、c)变成两相垂直静止坐标系(?、?)。三相电压可以用一个空间旋转矢量UK在三相静止坐标系(a、b、c)投影来表示。如图2-4所示若UK与?轴的相角为?，那么UK在?、?轴上的投影分别为U?、U?满足公式(2-1)，设UK的模为Um。
?U??Umcos???U?Umsin? ???2U?U???Um?同时，UK在
2 (2-1)
?a、b、c轴上的投影为Ua、Ub、Uc满足公式：
?Ua?Umco?s?? (2-2) s?12?0 ?Ub?Umco???U?Uco???s?12?0m?c
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