摘 要：介紹了二極管箱位（NPC）型三電平逆變器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用空間矢量脈寬調(diào)制（Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM）的控制策略，達(dá)到對(duì)異步電機(jī)轉(zhuǎn)矩精確控制的目標(biāo)。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(duì)三電平逆變器SVPWM調(diào)制算法進(jìn)行了仿真分析，證明了該調(diào)制算法的正確性。該調(diào)制方案在應(yīng)用于電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)中具有良好的節(jié)能效果。 關(guān)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(lái)，多電平逆變器在高壓大功率場(chǎng)合的應(yīng)用受到越來(lái)越多的關(guān)注，各種電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制方法紛紛被提出和研究，其中三電平結(jié)構(gòu)更是研究的熱點(diǎn)。在三電平有多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如二極管箝位型、飛躍電容型和獨(dú)立直流電源級(jí)聯(lián)等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中二極管箝位型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)運(yùn)用最廣泛。它能有效地提高調(diào)速系統(tǒng)的耐壓、降低輸出電壓諧波和開(kāi)關(guān)損耗，在電力系統(tǒng)的大功率應(yīng)用中受到普遍的重視。本文基于三電平逆變器的二極管拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用空間電壓空間矢量控制策略，實(shí)現(xiàn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu) 　　在下圖1中，每相橋臂上有4個(gè)IGBT，2個(gè)箝位二極管和4個(gè)反向恢復(fù)二極管。在運(yùn)行過(guò)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(shí)導(dǎo)通S1、S2，關(guān)斷S3、S4，在逆變電路輸出端可以獲得一個(gè)正電平;同時(shí)導(dǎo)通S2、S3，關(guān)斷S1、S4輸出電壓為零;同時(shí)導(dǎo)通S3、S4，關(guān)斷S1、S4，可在輸出端得到一個(gè)負(fù)電平。從電路結(jié)構(gòu)可以看出零電平是靠S2、S3和二極管D5、D6共同作用實(shí)現(xiàn)的。 [align=center] 圖1 三電平逆變器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[/align] 　　因此，從三電平的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)看，每一相可以有三種開(kāi)關(guān)狀態(tài)，在使用同樣的開(kāi)關(guān)器件時(shí)，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?fù)浣Y(jié)構(gòu)比兩電平結(jié)構(gòu)更加可靠。此外，在控制開(kāi)關(guān)器件的關(guān)斷時(shí)，要合理的設(shè)置死區(qū)時(shí)間以避免發(fā)生同一橋臂IGBT同時(shí)導(dǎo)通或關(guān)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(kāi)關(guān)變量Sa、Sb、Sc代表各相橋臂的輸出狀態(tài)，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(kāi)關(guān)狀態(tài)。輸出狀態(tài)表達(dá)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(duì)應(yīng)到平面上，則三電平變換器27組開(kāi)關(guān)狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的空間矢量如圖2所示。這27個(gè)空間矢量可分成四類，其中，6個(gè)長(zhǎng)矢量，6個(gè)中矢量，12個(gè)小矢量，3個(gè)零矢量 。把矢量幅值與之對(duì)應(yīng)起來(lái)，可以很清楚的看出三電平電壓矢量分布規(guī)律，對(duì)矢量圖分析一般按照對(duì)稱的原則，只要分析其中60度的區(qū)域，60度區(qū)域小三角形個(gè)數(shù)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(jí)為9級(jí)，輸出線電壓從波峰到波谷之間的電壓等級(jí)為5級(jí)。 [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(duì)中點(diǎn)電位的影響 　　在電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中可以看出，只要中點(diǎn)電流不為零，直流側(cè)的電容就會(huì)充放電，從而影響中點(diǎn)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(diǎn)不會(huì)有電流通過(guò)，因此不會(huì)影響中點(diǎn)電位;大矢量由于中點(diǎn)根本就沒(méi)有參與能量的傳輸，因此也不會(huì)產(chǎn)生影響;中矢量和小矢量，中點(diǎn)會(huì)參與能量的傳輸，中點(diǎn)電流不會(huì)為零，所以都會(huì)影響中點(diǎn)電位。 　　無(wú)論是小矢量還是中矢量，中點(diǎn)電流灌入的時(shí)候，中點(diǎn)電位上升，中點(diǎn)電流抽出的時(shí)候，中點(diǎn)電位下降。當(dāng)某相電流方向確定的時(shí)候，小矢量狀態(tài)對(duì)中點(diǎn)電位的影響是相反的，這也是為什么可以通過(guò)選擇小矢量狀態(tài)作用時(shí)間可以調(diào)節(jié)中點(diǎn)電位平衡的原因。 3 三電平的SVPWM調(diào)制方案 　　3.1 電壓矢量與磁鏈空間矢量的關(guān)系 　　交流電動(dòng)機(jī)需要輸入三相正弦電流的最終目的是在電動(dòng)機(jī)空間形成圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，從而產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)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(dāng)異步電機(jī)的三相對(duì)稱定子繞組由三相平衡正弦電壓供電時(shí)，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(zhuǎn)角速度。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速不很低時(shí)，定子電阻壓降可忽略不計(jì)，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(jiàn)，當(dāng)磁鏈幅值ψ[sub]m[/sub]一定時(shí)，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(kāi)關(guān)切換次數(shù)即可使磁鏈逼近圓形，如圖3，設(shè)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(shí)間作用時(shí)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(diào)制 [align=center] 圖4 三電平逆變器空間矢量小區(qū)劃分[/align] 　　對(duì)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(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)又分為4個(gè)小三角形區(qū)，共有24個(gè)三角區(qū)。圖4中Va、Vc是長(zhǎng)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(bǔ)償時(shí)，調(diào)制比m=f/50，f為運(yùn)行頻率。設(shè)合成的參考矢量為V且落在扇區(qū)1內(nèi)，由V1、V2和V0合成，分別對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)時(shí)間為T(mén)1、T2和T0。則有 　　 　　其他扇區(qū)參考矢量的計(jì)算方法類似。這樣需分24種情況來(lái)確定參考矢量，再對(duì)不同的三角區(qū)用不同的表達(dá)式計(jì)算參與合成的矢量和其作用的時(shí)間。 4 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果 　　從仿真結(jié)果圖5可以看出，電機(jī)起動(dòng)時(shí)電流波動(dòng)較大，但當(dāng)電機(jī)達(dá)到給定轉(zhuǎn)速時(shí)，電機(jī)的電流基本在穩(wěn)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(diǎn)電位在平衡點(diǎn)上下有輕微波動(dòng)，但上下幾乎對(duì)稱，基本平衡。 　?。╝） 電機(jī)的定子三相電流波形 　　（b） 三電平線電壓波形 　?。╟） 滯環(huán)控制的磁鏈軌跡 　?。╠） 中點(diǎn)電位的波形 [align=center] 圖5　基于SVPWM的三電平逆變器仿真結(jié)果[/align] 5 結(jié)論 　　本文提出的基于三電平的SVPWM調(diào)制技術(shù)通過(guò)優(yōu)化開(kāi)關(guān)矢量及其作用時(shí)間，有效降低了開(kāi)關(guān)損耗，減少了交流側(cè)的諧波畸變率，提高了變頻調(diào)速系統(tǒng)的輸出電壓和母線電壓的利用率。采用SVPWM控制時(shí)，逆變器輸出線電壓基波最大值為直流側(cè)電壓，這比一般的SPWM逆變器輸出電壓提高了15%。 參考文獻(xiàn)： 　　[1] 劉鳳君.多電平逆變技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)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(yīng)用[M].北京：科學(xué)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(qū)域判斷的新算法【J】.安徽大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，（1）：72-75. 　　[4] 宋文祥，陳國(guó)呈，武慧.～種具有中點(diǎn)電位平衡功能的三電平空間矢量調(diào)制方法及其實(shí)現(xiàn)[J】.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2006，26（12）：95-100.