1緒論
中壓大功率傳動系統已在工業生產中得到了廣泛應用，例如石化行業中的管道泵、水泥行業中的風機、水泵站的供水泵、運輸行業中的牽引機械以及冶金行業中的軋機等。與低壓傳動相比，中壓傳動在很多方面都有更高的技術要求和挑戰。在低壓傳動中，一些無足輕重甚至根本不存在的問題，在中壓傳動中卻是必須解決的問題，這些技術難點大體包括：與網側整流器電能質量相關的技術要求、與電動機側逆變器設計相關的技術難點、開關器件的限制和傳動系統的整體要求等。傳統的兩電平逆變器在大功率應用時存在許多問題：需要笨重、耗能、昂貴的變壓器；為了得到高質量的輸出波形而提高開關頻率，造成很高的開關損耗，而為了適應高電壓的要求，需采用器件串聯，因而需要復雜的動態均壓電路。為此，德國學者Holtz于1977年提出了三電平逆變器的電路拓撲，其中每相橋臂帶一對開關管，以輔助中點箱位。后來，1980年日本學者Nabae在此基礎上繼續發展，將這些輔助開關變為一對二極管，分別與上下橋臂串聯的主管中點相連，以輔助中點箱位。該電路比前者更易于控制，且主管關斷時僅承受直流母線一半的電壓，因此更為實用。
2三電平變頻器主回路設計
三電平變頻器主電路示意圖如圖1所示。其中，移相變壓器一次為△接，二次側分別為Y接和△接的兩個對稱繞組。兩個二次繞組的輸出分別經過兩個完全相同的6 脈波整流單元形成12脈波整流器。12脈波整流器可使各6脈波二極管整流器產生的低次諧波相互抵消，從而降低網側電流的諧波畸變，提高網側的功率因數。一般來說，二極管整流器脈波數目越多，輸出網側電流的諧波畸變越小。但在實際產品中很少采用脈波數多于30的二極管整流器，主要原因在于變壓器的成本會增加很多，而性能的改變卻不明顯。因此，本文采用12脈波二極管整流。
圖1 二極管箝位的三電平變頻器主回路
由圖1可見，每一個橋臂上有4個IGBT、2個箝位二極管和4個反向恢復二極管。以A相為例，當 和 或者它們的體二極管導通時，電機定子A相電壓為 ；當 和 或者們的體二極管導通時，定子A相電壓為 ；當 和 導通時，定子A相電壓為0。 和 不可能同時導通，哪一個導通取決于A相負載電流的方向。因此，對于三電平逆變器來說其交流側電壓有 、0、 3種狀態，3個橋臂進行組合，共有 =27種開關狀態，即有27個空間電壓矢量。該拓撲結構的不足之處在于：三電平及以上逆變器需要器件數量較多，控制復雜性明顯增加以及中性點電壓發生波動。
3 三電平變頻器控制回路設計
三電平變頻器控制系統框圖如圖2所示。包括12路IGBT驅動電路、電壓、電流檢測電路、接口處理電路、DSP控制電路及人機交互界面等。
圖2 三電平變頻器控制系統框圖
其中，DSP控制電路按照人機界面輸入的電機參數及工作模式等指令輸出相應的PWM驅動信號，驅動信號經接口電路處理后由光纖發送至驅動電路。驅動電路接收光纖的信號并由專用的驅動芯片2SD315AI驅動IGBT。電壓、電流檢測分別采用LEM公司生產的高精度電壓霍爾和電流霍爾。電壓檢測包括正負母線電壓檢測和中點電壓檢測。檢測電路返回的電壓、電流值經過接口電路處理整定后送給DSP控制電路進行運算。當母線電壓或中點電壓波動超出允許范圍時，保護電路動作，封鎖IGBT信號，并通過人機界面顯示當前報警。
4 三電平電壓空間矢量脈寬調制技術
多電平電壓空間矢量脈寬調制SVPWM方法和兩電平一樣，都是源于電動機磁鏈跟蹤技術，采用電壓矢量等效合成逼近的方法，以電動機磁鏈軌跡盡量逼近圓形為目標，進行具體的開關方式切換和控制。這種控制方法具有電壓利用率高，開關次數少，易于數字實現等優點。因此是目前國內外中大功率變頻器中使用最廣泛的一種控制方法。
設異步電機由理想的三相對稱電壓源供電，即
（1）式中， 為電源電壓有效值， 為電源電壓的角頻率。因為U、V、W三相在空間上互差 ，所以，采用電壓空間矢量的概念后，可表示如下：
圖3 三電平電壓空間矢量圖
圖4 第一扇區電壓空間矢量
由于空間矢量圖的對稱特性，只分析其中的一個 區域即可，如圖4中的大三角形。當參考矢量落入某一個三角形區域中時，為了在輸出得到相應頻率的正弦波電壓和減少輸出電壓的諧波含量，就用組成該三角形的三個矢量合成該參考矢量，各矢量的作用時間和參考矢量的關系，應該滿足如下公式：
表1 電壓空間矢量調制方法矢量作用時間表
可以得到在1、2、3、4等區域內各矢量作用時間，如表1 所示，其中 
。
在實際實現電壓空間矢量調制SVPWM方法時，首先需要根據參考電壓空間矢量的模長和相角判斷出參考電壓矢量的頂端落在哪一個扇區的哪一個區域，然后根據檢測到的直流母線電壓數值，該區域內的電壓空間矢量和該區域的約束方程，計算出各電壓空間矢量的作用時間，最后根據時間順序輸出電壓空間矢量，即可以實現 SVPWM調制，實現圓形磁通的逼近。
5 結論
多電平逆變器是一種新型的高壓大容量功率變換器，它的主要優點是：電平數目越高，輸出的電壓諧波含量越低，開關頻率低，開關損耗小；器件應力小，無須動態均壓。三電平逆變器的結構較簡單，其電路拓撲形式從一定意義上來說可以看成多電平逆變器結構中的一個特例，它的中點箝位及維持中點電位動態平衡技術、功率器件尖峰吸收緩沖電路、PWM算法簡化及控制策略、高壓功率器件的驅動及系統的工作電源等也是多電平逆變器控制需要研究解決的問題。從目前功率開關器件發展的水平來看，短時間還不可能出現耐壓上萬伏的器件，多電平技術是解決高壓大功率變頻調速的一個有效途徑，同時在當前電力系統高壓直流輸電的趨勢下，多電平技術在電力輸配電方面也有著重要的作用。