【三电平SVPWM学习
導讀：本期對三電平SVPWM的原理和建模做一個簡單介紹，并與兩電平SVPWM做了一個對比。
后面把三電平的SVPWM運用到異步電機直接轉矩控制中，看與傳統的兩電平SVPWM，控制性能是否得到改善。模型可分享，關注公眾號：淺談電機控制，留下郵箱。看到后發給你。
與兩電平逆變器相比，三電平逆變器器件開關應力僅為兩電平的二分之一，開關損耗顯著降低。隨著電平輸出數的增加，逆變器輸出電壓波形更接近正弦波。三電平逆變器輸出性能主要取決于調制算法。目前變流器的調制方法主 要是脈寬調制（PWM），包括正弦脈寬調制（SPWM）和空間矢量脈寬調制技術 （SVPWM）。較 SPWM 算法而言，SVPWM 以其電壓利用率、輸出電壓諧波含量低等優點。
一、三電平逆變器的介紹
三電平逆變器與傳統兩電平逆變器結構相仿，由3個橋臂組成，但每個橋臂上有 4個開關管且帶有中性線，原理圖如圖1所示。對于Ａ相，當上半橋臂的兩個管子同時導通時，Ａ相電壓為E/2，當下半橋臂兩個管子同時導 通時，A相電壓為-E/2，當中間兩個管子同時導通時，A 相母線通過二極管接于中心點 N，A 相電壓為 0，即得到 三電平電壓，B、C兩相和A相控制原理完全相同，這樣 每相電壓有3個電平、3個橋臂，可以組合成27個電壓矢量，每相電壓相同時，輸出電壓矢量為零。將這27個電 壓矢量從 1～27 編號得到 V1～V27，將 3個零矢量編號為 V7、V14、V27，電壓矢量圖如圖2所示。
?圖1 三電平逆變器原理圖
圖2 三電平逆變器電壓矢量圖
二、三電平SVPWM原理介紹
圖3 三電平SVPWM模塊整體框圖
2.1扇區判斷模塊
2.2區域判斷模塊
??圖4 小扇區判斷
在確定大扇區后，在每個扇區內又分成小扇區。接下來以第一扇區為例，根據區域分布情況和幾何關系，可以判斷參考電壓矢量所在的區域。
（1）確定參考矢量所在位置
如空間矢量圖所示，將三電平矢量圖分為6個大扇區，每個扇區60°，每個扇區又可以細分成4個小扇區。
?圖 5扇區Ⅰ
??表1 基本電壓矢量作用時間表
2.3時間狀態分配
從三電平SVPWM基本空間矢量圖可以看出，大矢量和中矢量與開關狀態一一對應，短矢量對應2組開關狀態，零矢量有3組開關狀態。由千在每個采樣周期內出現的開關狀態中，短矢量對應的開關狀態出現的次數多，因此選用短矢量作為每個采樣周期的起始矢量。為了使基本矢量對應的作用事假內核開關狀態分配簡便一致，本文選用短矢量作為每個采樣周期的起始矢量。 零矢量可以根據開關狀態的作用次序選取。
各組開關狀態的作用次序要遵守這樣的原則：任意一次電壓矢量的變化只能有一個橋壁的開關動作，這是因為如果允許有兩個或者三個橋壁同時動作，則在線電壓的半周期內會出現反極性的脈沖，產生反向轉矩， 引起脈動和電磁噪聲。
根據上述原則，每個采樣周期以短矢量作為起始矢量，每個矢量空間區域的狀態作用次
序如表2所示，其中 n, O, p分別表示對應三相為低電平， 零電平， 高電平。
表2矢量狀態次序表
采用中心對稱的七段式SVPWM波形將基本矢量的作用時間分配給對應的矢量狀態。以扇區I區域1為例， 基本矢量的作用時間與矢量狀態的對應關系如圖5所示。 三相矢量狀態對應全部開關狀態，將基本矢量的作用時間分配給對應的矢量狀態，也就是將開關器件的導通或關斷時間分配給對應的開關器件， 完成對主電路開關器件的控制。
圖5 七段式SVPWM發波方式
三、兩電平和三電平SVPWM波形比較
3.1兩電平SVPWM
圖6 兩電平SVPWM
圖7 A相電壓
3.2三電平SVPWM
圖8 三電平SVPWM
圖9 A相電壓
四、總結
三電平電路具有的優點：（1）任何時刻處于關斷狀態的開關器件承受的壓降減小，更適合大容量高電壓的場合；（2）可產生多層階梯形輸出電壓，對階梯波再作調制可以得到很好近似的正弦波，理論上可以提高電平數可接近標準正弦波、諧波含量很小；（3）電磁干擾（EMI）問題大大減輕，因為開關元件一次動作的 du/dt 通常只有傳統的雙電平的一半；（4）效率高，消除同樣的諧波，兩電平 PWM 控制算法開關頻率高、損耗大，而三電平逆變器可用較低頻率進 行開關動作，損耗小、效率提高。
?三電平逆變器缺點：（1）需要較多的開關器件；（2）控制算法復雜；（3）存在電位不平衡問題。 三電平逆變器的基本拓撲結構包括二極管鉗位式、飛躍電容式、帶分離直流電源串聯式。帶分離直流電源串聯式電路拓撲需要獨立的直流電源，限制了它的應用；飛跨電容式電路拓撲數目增加帶來諸多不便，且它進行有功功率傳 輸時，控制復雜。因此大多數使用二極管鉗位式拓撲結構作為三電平逆變器的主電路（NPC）。
總結
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