三电平逆变器：低速性能优、谐波小、应用广泛

三电平SVPWM技术是三电平逆变器采用的调制策略，所以讲述三电平SVPWM技术前，先要从什么是三电平逆变器说起。

如上面所述，一般低压逆变器的输入为单一的直流电源，只有两条接线，只能对一个恒定幅值的直流电压进行PWM，输出为幅值一定的PWM波。如果设直流电源电压为U_d，以低压节点为零电位点，经过逆变器得到输出的PWM波只有两个电平，即0和U_d，人们称之为两电平逆变器，这种变频器存在两个问题：一个是串联器件可能会同时导通或关断，造成逆变失败，另一个是存在很高的du/dt和共模电压，对电动机绝缘造成威胁，不适合高压逆变器。为此，20世纪80年代以来，专家们开发了多于两电平的高压逆变器，不但能克服这些缺点，而且还具有许多优点。

这类逆变器能输出多于两个电平，有不同的拓扑结构，其中应用最多的就是三电平逆变器。由于这类逆变器适合于高压大功率电气传动，故得到了广泛应用，至于其他电平的高压逆变器，将在第6章多电平逆变器中扼要讲述。

三电平逆变器的拓扑结构很多，常用的为钳位式三电平逆变器。该类逆变器主要有两种电路拓扑结构：二极管钳位式和电容钳位式三电平逆变器，分述如下。

1.二极管钳位式三电平逆变器

二极管钳位式三电平逆变器电路如图4-1所示，逆变器采用多个二极管对相应开关器件进行钳位，以保证每次一个桥臂只有一个开关器件动作，并实现多电平输出，而每一个开关器件只承受线电压。这种变频器性能很好，得到广泛的应用。二极管钳位式结构的缺点是：

1）当电平数较多时，钳位二极管将承受不同的反压；

2）开关器件所需额定电流不同；

3）电容上的电压常存在不平衡问题，这是一个要害性的缺点，下面将会重点讲述。

2.电容钳位式三电平逆变器

电容钳位式三电平逆变器工作原理与二极管钳位逆变器电路相似，其电路如图4-2所示，只需将二极管改为电容即可。电容的引进使电压合成的选择增多，开关状态的选择具有更大的灵活性，但是大量的电容使装置体积庞大、占地多、成本高、封装不易。然而通过同一电平上不同开关状态的组合，能使电容电压保持均衡，可较好地应用于有功调节和变频调速系统中，但控制较复杂。

图4-1 二极管钳位式三电平逆变器电路

图4-2 电容钳位式三电平逆变器电路(www.xing528.com)

还有一种电容钳位式三电平逆变器电路，称为飞跨电容钳位式逆变器电路，这种逆变器是上述电容钳位式逆变器的改进，电容钳位的位置有所改变，这种电路三电平的较少见，图4-3所示为五电平飞跨电容钳位式三电平逆变器电路，读者可以通过其结构，结合第6章的内容自行分析。这里不再详细讲述。这种逆变器具有下列特点：

1）开关状态的选择具有比电容钳位式逆变器更大的灵活性；

2）直流侧电容上电压较均衡；

3）可以控制有功功率和无功功率的流量，适合于高压直流供电；

4）和电容钳位式逆变器相同，封装不易，系统成本高，控制较复杂。

图4-3 飞跨电容钳位式逆变器电路

钳位式三电平逆变器用得最多的为二极管钳位式三电平逆变器，这种逆变器采用12个可关断功率器件与钳位二极管构成带中性点钳位的逆变电路，又称中心点钳位（NPC）逆变器。整流电路采用二极管整流方式，逆变器功率开关器件可以采用GTO、IGBT或者IGCT（图4-1中为IGBT），视电压及功率大小而定。

三电平NPC逆变器电路在大功率交流电动机调速领域应用得很多，这主要是因为现有的耐压等级器件很适合三电平NPC逆变器电路，电容电压的均衡问题也可以通过控制解决。因此当这种拓扑结构与交流电动机的矢量控制理论或直接转矩控制理论结合起来时，就使大功率交流电动机调速系统的性能和可靠性获得很大的提高，目前这种电路拓扑结构与高压大电流IGBT和IGCT结合应用甚为广泛。

由于三电平逆变器输出电平数增加，输出波形阶梯增多，就可以更加接近调制波的正弦波，因此输出电压谐波含量大为减少，同时也降低了输出电压的跳变，器件在基频下开通、关断损耗小，效率高。图4-4所示为三相三电平NPC逆变器输出相电压波形，电压波形为12阶梯波，可见它优于两电平6脉波逆变器。与普通两电平PWM逆变器相比，由于输出电压的电平数增加，易于实现谐波的相互补偿，功率因数接近于1，总谐波畸变率在2%以下。

这种三电平逆变器有良好的低速性能，谐波分量小，动态性能好。若在输入端也采用具有全导通器件组成的PWM的结构，进行相控整流，就可以实现四象限运行，可将电能回馈给电网，即双PWM变频器。三电平逆变器在轧机、卷扬机等设备的调速控制中有较好的应用前景。其主要问题是控制比较复杂。

钳位式三电平逆变器中采用的基本控制方法有载波调制PWM控制法和SVP-WM法。前者是通过载波和调制波的比较，得到开关脉冲控制信号，从而得到接近正弦波的电压输出，但转矩脉动较大。后者采用电压空间矢量调制方法，使电动机形成接近圆形旋转磁场，转矩较平稳。

图4-4 三相三电平NPC逆变器输出相电压波形