摘 要：介紹了二極管箱位（NPC）型三電平逆變器的電路拓撲結構，采用空間矢量脈寬調制（Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM）的控制策略，達到對異步電機轉矩精確控制的目標。研究了三電平逆變器的SVPWM控制策略以及控制算法。采用MATLAB軟件對三電平逆變器SVPWM調制算法進行了仿真分析，證明了該調制算法的正確性。該調制方案在應用于電機變頻調速系統中具有良好的節能效果。 關鍵詞：三電平逆變器;空間矢量控制;SIMULINK [b][align=center]A SVPWM Control Method Based on Three Level Inverter Zhang Hong-ling, WANG Da-zhi[/align][/b] Abstract: Introduced the form of diode-clamped three-level inverter, using the method of SVPWM for high toque control accuracy. Investigating the three-level inverter and space vector pulse width modulation control method used in motor. At last，the SVPWM modulating method of three-level inverters is simulated by MATLAB，and the correct result is as proved.There has good effect in high controlling motor. Key word: three level inverter;space vector control;SIMULINK; 　　近年來，多電平逆變器在高壓大功率場合的應用受到越來越多的關注，各種電路拓撲結構及控制方法紛紛被提出和研究，其中三電平結構更是研究的熱點。在三電平有多種拓撲結構，如二極管箝位型、飛躍電容型和獨立直流電源級聯等拓撲結構，其中二極管箝位型拓撲結構運用最廣泛。它能有效地提高調速系統的耐壓、降低輸出電壓諧波和開關損耗，在電力系統的大功率應用中受到普遍的重視。本文基于三電平逆變器的二極管拓撲結構，采用空間電壓空間矢量控制策略，實現了低諧波分量的高性能的電壓矢量控制。 1 三電平逆變器拓撲結構 　　在下圖1中，每相橋臂上有4個IGBT，2個箝位二極管和4個反向恢復二極管。在運行過程中，始終保證每相橋臂的1、3管互鎖，2、4管互鎖，每相輸出有三種電平。例如，在A相同時導通S1、S2，關斷S3、S4，在逆變電路輸出端可以獲得一個正電平;同時導通S2、S3，關斷S1、S4輸出電壓為零;同時導通S3、S4，關斷S1、S4，可在輸出端得到一個負電平。從電路結構可以看出零電平是靠S2、S3和二極管D5、D6共同作用實現的。 [align=center] 圖1 三電平逆變器主電路拓撲結構[/align] 　　因此，從三電平的拓撲結構來看，每一相可以有三種開關狀態，在使用同樣的開關器件時，可以得到比兩電平更高的逆變電壓，而且在相同的直流電壓下，三電平拓撲結構比兩電平結構更加可靠。此外，在控制開關器件的關斷時，要合理的設置死區時間以避免發生同一橋臂IGBT同時導通或關斷。 2 三電平逆變器空間電壓矢量 　　2.1 空間電壓矢量原理 　　若開關變量Sa、Sb、Sc代表各相橋臂的輸出狀態，Si（i=a,b,c）=（1,0,-1）分別代表第i相輸出電平P,第i相輸出電平O，和第i相輸出電平N，因此三相三電平逆變器就可以輸出3[sup]3[/sup]=27種開關狀態。輸出狀態表達為： 　　 　　按照幅值相等的原則，定子電壓空間向量可表示為： 　　 　　將（1）帶入（2）得： 　　 　　將其對應到平面上，則三電平變換器27組開關狀態所對應的空間矢量如圖2所示。這27個空間矢量可分成四類，其中，6個長矢量，6個中矢量，12個小矢量，3個零矢量 。把矢量幅值與之對應起來，可以很清楚的看出三電平電壓矢量分布規律，對矢量圖分析一般按照對稱的原則，只要分析其中60度的區域，60度區域小三角形個數為4，三電平逆變器輸出相電壓從波谷到波峰之間的電壓等級為9級，輸出線電壓從波峰到波谷之間的電壓等級為5級。 [align=center] 圖2 三電平逆變器的空間電壓矢量分布圖[/align] 　　2.2 空間電壓矢量對中點電位的影響 　　在電路拓撲結構中可以看出，只要中點電流不為零，直流側的電容就會充放電，從而影響中點電位。在四種基本電壓矢量中，零矢量由于三相電位相等，所以中點不會有電流通過，因此不會影響中點電位;大矢量由于中點根本就沒有參與能量的傳輸，因此也不會產生影響;中矢量和小矢量，中點會參與能量的傳輸，中點電流不會為零，所以都會影響中點電位。 　　無論是小矢量還是中矢量，中點電流灌入的時候，中點電位上升，中點電流抽出的時候，中點電位下降。當某相電流方向確定的時候，小矢量狀態對中點電位的影響是相反的，這也是為什么可以通過選擇小矢量狀態作用時間可以調節中點電位平衡的原因。 3 三電平的SVPWM調制方案 　　3.1 電壓矢量與磁鏈空間矢量的關系 　　交流電動機需要輸入三相正弦電流的最終目的是在電動機空間形成圓形旋轉磁場，從而產生恒定的電磁轉矩。磁鏈的軌跡是交替使用不同的電壓空間矢量得到的，因此SVPWM控制又稱磁鏈跟蹤控制。當異步電機的三相對稱定子繞組由三相平衡正弦電壓供電時，定子電壓可表示為： 　　 　　其中，分別為定子三相電壓、電流、磁鏈合成空間矢量，ψ[sub]m[/sub]是磁鏈的幅值， ω1為其旋轉角速度。當電機轉速不很低時，定子電阻壓降可忽略不計，電壓u[sub]s[/sub]表示為： 　　 [align=center] 圖3 逼近圓形的磁鏈增量軌跡[/align] 　　可見，當磁鏈幅值ψ[sub]m[/sub]一定時，u[sub]s[/sub]的大小與ω1成正比，其方向即為磁鏈圓的切線方向。增加逆變器的開關切換次數即可使磁鏈逼近圓形，如圖3，設磁鏈增量由六段組成，每段的電壓矢量也不同，因此采用不同 　　電壓空間矢量在不同時間作用時的線性組合即可得到所需相位的磁鏈增量。 　　3.2 三電平的SVPWM調制 [align=center] 圖4 三電平逆變器空間矢量小區劃分[/align] 　　對于三電平逆變器，可用類似兩電平的方法將空間電壓矢量圖分成6個扇區，每個扇區又分為4個小三角形區，共有24個三角區。圖4中Va、Vc是長矢量，Vb是中矢量，V1、V2是短矢量，V0是零矢量。在不考慮電壓補償時，調制比m=f/50，f為運行頻率。設合成的參考矢量為V且落在扇區1內，由V1、V2和V0合成，分別對應的開關狀態時間為T1、T2和T0。則有 　　 　　其他扇區參考矢量的計算方法類似。這樣需分24種情況來確定參考矢量，再對不同的三角區用不同的表達式計算參與合成的矢量和其作用的時間。 4 仿真實驗結果 　　從仿真結果圖5可以看出，電機起動時電流波動較大，但當電機達到給定轉速時，電機的電流基本在穩定值附近。三電平逆變器的輸出線電壓波形接近正弦波，諧波分量較小。磁鏈軌跡基本接近圓形，符合空間電壓空間矢量控制要求。中點電位在平衡點上下有輕微波動，但上下幾乎對稱，基本平衡。 　?。╝） 電機的定子三相電流波形 　?。╞） 三電平線電壓波形 　?。╟） 滯環控制的磁鏈軌跡 　　（d） 中點電位的波形 [align=center] 圖5　基于SVPWM的三電平逆變器仿真結果[/align] 5 結論 　　本文提出的基于三電平的SVPWM調制技術通過優化開關矢量及其作用時間，有效降低了開關損耗，減少了交流側的諧波畸變率，提高了變頻調速系統的輸出電壓和母線電壓的利用率。采用SVPWM控制時，逆變器輸出線電壓基波最大值為直流側電壓，這比一般的SPWM逆變器輸出電壓提高了15%。 參考文獻： 　　[1] 劉鳳君.多電平逆變技術及其應用[M].北京：機械工業出版社,2007. 　　[2] 李永東,肖曦,高躍.大容量多電平變換器-原理∙控制∙應用[M].北京：科學出版社，2005. 　　[3] 丁文鵬，洪乃剛.一種三電平逆變器參考電壓矢量區域判斷的新算法【J】.安徽大學學報，2007，（1）：72-75. 　　[4] 宋文祥，陳國呈，武慧.～種具有中點電位平衡功能的三電平空間矢量調制方法及其實現[J】.中國電機工程學報，2006，26（12）：95-100.