发布时间 : 星期一 文章中文摘要3-电力电子三电平空间矢量更新完毕开始阅读a801af0f844769eae009edd3
3. 三电平空间矢量脉宽调制技术 3三电平逆变器的空间矢量脉宽调制技术
三电平逆变器1981年由A. Nabae等人率先提出，其后，在牵引等领域采用GTO元件的中压变频器得到了广泛的应用。近年来，在高压、大功率变换电路中，由IGBT或IGCT器件构成的箝位二极管式电压型三电平逆变器（如图3.1所示），引起了越来越多的关注。由于二极管的箝位，这种变换器中每个功率开关管承受的最大电压为直流侧电压的一半，并且具有非常好的均压特性，不仅可以用低成本的低压器件实现中高容量的变换，而且降低了开关过程的dv/dt；另外，由于输出电压有三种电平，其谐波水平明显低于二电平变换器，因此可以简化输出滤波器的设计和降低EMI问题；最后这种变换器在实现中高容量的变换时没有工频变压器，节省了装置的体积，提高了系统的效率。因此，这种结构的变换器在高电压大功率的变频调速、有源电力滤波装置、高压直流（HVDC）输电系统和电力系统无功补偿等方面有着广泛的应用前景。
3000V?e* ?e* ?
Figure 3.1. Three-level inverter induction motor drive with space vector PWM
三电平空间矢量控制方法和两电平空间矢量的控制方法一样，也是一种建立在空间电压矢量合成概念上的PWM方法。三电平空间矢量PWM方法的优点主要是电压利用率高，对于二极管中点钳位的变换电路可以利用冗余的电压矢量（一般都是小矢量）来实现直流侧电容电压的平衡；另外，如前述，三电平SVPWM可以通过对参考电压矢量的修正，很容易的实现整个工作区域从欠调制到过调制区的线性控制。其缺点就是数字实现的时候计算量非常大，非常复杂。
图3.1所示为由IGBT器件构成的箝位二极管式电压型三电平逆变器驱动的感应电机交流传动系统，该逆变器采用基于三电平SVPWM的开环恒Volts/Hz控制如图下侧所示。从图中可以看到，三电平逆变器的每一个桥臂上有4个开关管，4个反向恢复二极管和2个钳位二极管，电路有3种正常的开关模式或开关状态。以U相为例，其中开关管S1U 和S3U的开关控制信号互补，S2U 和S4U的开关控制信号也是互补的。S1U 和S2U同时导通时，U相输出正电平
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3. 三电平空间矢量脉宽调制技术 Vd/2；S3U 和S4U同时导通时，U相输出负电平-Vd/2；U相处于中点钳位时，输出零电平0，这
时或者S2U导通或者S3U导通取决于U相电流的极性。为了保证中点电位的平衡，注入到O点的平均电流应为零。图中的SVPWM控制器，输入两个信号，指令电压信号V*和指令角度信号
*从零逐渐增加，SVPWM控制器在?e*；输出六个脉宽调制信号。随着指令频率/速度信号?e线性的电压传递特性下，首先工作在欠调制区，然后平稳地过渡到过调制区直到方波操作。
Table 3-1 Switching States of the three level inverter (X=U,V,W)
Switching States P O N S1X ON OFF OFF S2X ON ON OFF S3X OFF ON ON S4X OFF OFF ON VXO +Vd/2 0 -Vd/2 3.1 在欠调制区工作的三电平SVPWM
表3-1总结了三电平逆变器的开关状态。表中X表示U，V或W相，P, N 和O分别表示正电平，负电平和零电平。图3.2所示为三电平逆变电路的空间电压矢量图。三电平逆变电路每一相可以有三种状态P, N 和O，三电平逆变电路总共有33=27种开关状态，对应着27个合成电压矢量。其中24种为工作矢量， PPP，OOO和NNN是零状态，对应的矢量为零矢量，位于原点。图中所示的六边形有6个扇区（A-F），每个扇区有4个三角形区域（1-4），构成了24个工作区域。图中所示指令电压矢量V*的轨迹为一个圆，它的半径，在欠调制区可以从零增大到与大六边形内切。如前述，这时调制系数将为：m=0.907。
如果V*的轨迹圆为如图3.2（a）所示的小圆形，仅包括每个扇区的区域1，定义此时逆变器工作于欠调制模式-A，如果V*的轨迹圆包括每个扇区的区域2、3、4，则定义此时逆变器工作于欠调制模式-B。
图3.2（a）给出的旋转指令电压矢量V*，在欠调制区工作时，将总是运行在大六边形之内。在任一瞬间，这个矢量将在某个三角形区域内，这时对应于这个三角形三个顶点的开关状态将被选择用来产生相应的SVPWM波，即，这时对应于这个三角形三个顶点的开关矢量将被用来合成此时的指令电压矢量V*。例如，假设指令电压矢量V*在如图3.2（c）所示A扇区的区域3，则所选择的状态是P00/0NN-PON-PP0/ONN，对应的开关矢量为V1，V3，V5。三个矢量作用的时间可由下两式算出：
V1Ta?V3Tb?V4Tc?V*Ts/2 (3.1) Ta?Tb?Tc?Ts/2 (3.2)
联立求解式(3.1)和(3.2)可得：
Ta?TsT?[1?2nsin?e] (3.3) Tb?s[2nsin(?e?)?1] (3.4) 223Tc?Ts?[1?2nsin(?e?)] (3.5) 23*
式中：n?3V*/Vd，（V=指令电压矢量的幅值，Vd?直流母线电压）
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3. 三电平空间矢量脉宽调制技术 Mode-BVVNPNOPNPPNV7V4Mode-ANPONONOPONOOOPPNNOOOPNNPWPPPOOONNNPPOOONPOOONNPOPONOPONUPNNV11V10V0V1UNPPTaEV12V13V5324V15V16V18NOPPNO4V17WV14(a) Tc V 4 V0?eTb Tb V 3 (b) AV* 123 V2V1 TcTa(c)
TS2TUP-OFFOOOPOOPPOTc2Ta2Tb4(b)PTUN-ONPPONPPNP
Figure 3.2 Space voltage vectors of three-level inverter
TS2TUP-ONOONTUN-OFFONNUA10VA10WA10(a)NNNTb2Ta2Tb4Tc2UA20VA20WA20UA30VA30WA30(c)UA40VA40WA40(d)
(a) Region 1(? = 30?) (b) Region 2(? = 15?) (c) Region 3(? = 30?) (d) Region 4(? = 45?)
Figure 3.3. Inverter phase voltage waves in undermodulation showing turn-on time of P and N states in the
four regions of sector A
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3. 三电平空间矢量脉宽调制技术 Table 3-2 Analytical time expressions of voltage vectors in different regions and sectors
Sector Ta A Tb Tc Ta B Tb Tc Ta C Tb Tc Ta D Tb Tc Ta E Tb Tc Ta F Tb Tc Region-1 nTssin(π/3?θe) Region-2 Ts[1?nsin(θe?π/3)] Region-3 Ts/2[1?2nsinθe] Ts/2[2nsin(θe?π/3)?1] Ts/2[1?2nsin(θe?π/3)] Ts/2[1?2nsin(θe?π/3)] nTssinθe Ts/2[2nsin(π/3?θe)?1] nTssinθe Region-4 Ts/2[2nsinθe?1] nTssin(π/3?θe) Ts[1?nsin(θe?π/3)] nTssin(θe?π/3) Ts/2[1?2nsinθe] nTssin(θe?π/3) Ts/2[2nsin(θe?π/3)?1] nTssin(θe?π/3) Ts[1?nsinθe] Ts/2[1?2nsin(θe?π/3)] Ts/2[2nsinθe?1] Ts/2[1?2nsin(θe?π/3)] Ts[1?nsinθe] nTssin(θe?π/3) Ts/2[2nsin(θe?π/3)?1] Ts/2[1?2nsin(θe?π/3)] Ts/2[2nsin(θe?π/3)?1] Ts/2[1?2nsinθe] ?Ts/2[1?2nsin(θe?π/3)] nTssinθe Ts[1?nsin(θe?π/3)] Ts[1?nsin(θe?π/3)] nTssinθe Ts/2[1?2nsin(θe?π/3)] ?nTssin(θe?π/3) ?nTssin(θe?π/3) Ts/2[2nsinθe?1] Ts/2[2nsin(θe?π/3)?1] ?nTssinθe Ts/2[1?2nsin(θe?π/3)] ?nTssinθe nTssin(θe?π/3) Ts[1?nsin(θe?π/3)] Ts/2[1?2nsin(θe?π/3)] Ts[1?nsin(θe?π/3)] ?Ts/2[1?2nsin(θe?π/3)] nTssin(θe?π/3) Ts/2[1?2nsinθe] ?Ts/2[1?2nsinθe] ?nTssin(θe?π/3) Ts/2[1?2nsinθe] nTssin(π/3?θe) Ts/2[2nsin(π/3?θe)?1] ?nTssin(θe?π/3) Ts[1?nsinθe] Ts[1?nsinθe] Ts/2[1?2nsin(θe?π/3)] nTssin(π/3?θe) ?Ts/2[1?2nsinθe] ?Ts/2[1?2nsin(θe?π/3)] Ts/2[1?2nsin(θe?π/3)] Ts/2[1?2nsinθe] Ts/2[2nsin(π/3?θe)?1] Ts/2[1?2nsin(θe?π/3)]
Ts[1?nsin(θe?π/3)] ?nTssinθe ?Ts/2[1?2nsin(θe?π/3)?1] nTssin(θe?π/3) ?Ts/2[1?2nsinθe] Ts/2[1?2nsin(θe?π/3)] nTssin(θe?π/3) Ts[1?nsin(θe?π/3)] ?nTssinθe 4