逆变器三电平原理



三电平SVPWM基本理论（1）

一、三电平基本原理

三电平逆变器主要由T型NPC、二极管箝位型（I型NPC）和飞跨电容型（FC NPC）三种拓扑结构组成。

二、二极管箝位型分析

以A相为例，分析其工作原理。

1）Q1与Q3、Q2与Q4分别互补导通，形成电流流向负载或逆变器。

2）在Q1、Q2同时导通，Q3、Q4同时关断时，电流从逆变器流向负载，此时A点电位等于DC+，相当于Udc/2。

3）Q3、Q4同时导通，Q1、Q2同时关断时，电流从负载流向逆变器，此时A点电位等于DC-，相当于-Udc/2。

4）通过D1、Q2或D2、Q3导通，电流可以分别从逆变器流向负载或负载流向逆变器，此时A点电位等于中点电位O，相当于0。

三、开关状态与输出电压的关系

任意相可投入三个电平，通过开关函数定义电平状态，即相对于O点的电平。

四、电平定义与切换模式

对于任意相，电平状态有三种切换模式，形成对应的电平状态表达式。

五、输出线电压计算

任意相输出电压可通过线电压的计算公式得出，公式包含线电压与电平状态的矩阵关系。

六、负载相电压计算

在三相平衡条件下，根据负载相电压的计算公式，可以得出负载相电压与线电压之间的关系。

什么是三相三开关三电平逆变器

问题一：三电平是什么意思？

三电平指的是三种电平状态：高电平V/2、零电平0V、低电平-V/2。这实质上是开关阀值的问题，为输出提供了三种电平状态。三电平控制技术主要应用于变频器中，通过钳位电路解决了功率器件串联问题，并使得相电压输出具有三个电平。三电平逆变器主回路结构简单，虽然为电压源型结构，但易于实现能量回馈。然而，在国内市场中，三电平逆变器面临的最大挑战是电压问题，其最大输出电压难以达到6KV，因此常常需要采取变通方法，如改变电机电压或在输出侧添加升压变压器。这一弱点限制了其广泛应用。这也是该技术不太为人所知的原因之一。

问题二：多电平比如三电平名称的含义？

电平是指逆变直流侧的直流电压等级。三电平指的是通过开关管的作用产生的三个电压平台，这些平台通过分割形成正弦波。例如，相电压是三电平，而线电压则是五电平。

问题三：三相三开关三电平整流是什么意思？

三相三开关三电平整流是指一种特定的电力电子装置，其主回路结构环节少，采用钳位电路来解决两只功率器件的串联问题，并使得相电压输出具有三个电平。这种结构易于实现能量回馈，但在电压方面存在限制，需要采取变通方法以适应不同应用需求。

问题四：什么是三电平结构？

三电平结构是指在电力电子装置中，通过特定的电路设计实现三种不同的电平状态。这种结构主要应用于变频器中，可以提供三个电平输出。三电平逆变器的主回路结构简单，易于实现能量回馈。然而，该技术在国内市场面临的最大挑战是电压问题，其最大输出电压难以达到6KV，因此常常需要采取变通方法，如改变电机电压或在输出侧添加升压变压器。

问题五：什么是单相三电平逆变器？

单相三电平逆变器是一种电力电子装置，具有输出容量大、输出电压高、电流谐波含量小、控制方法成熟简单等优点，在高压调速领域得到了广泛应用。正弦脉宽调制（SPWM）是其核心技术之一。本文介绍了单相三电平逆变器的结构和基本原理，并分析了SPWM控制法对三电平逆变器的控制。

问题六：三电平变频器的输出波形是什么样子？

三电平变频器的输出波形是指其输出的电压或电流波形。下图是3300V永磁风力发电机用三电平变流器的电压波形和电流波形，仅供参考。

问题七：三电平逆变器较二电平逆变器的优势是什么？

三电平逆变器相较于二电平逆变器的优势主要在于谐波小，输出不需要很大的滤波器。在传输距离较远的情况下，可以有很小的电压损失，对后期负载，如电机的冲击比较小，不需要用防护等级高的点击。理论上，三电平逆变器与二电平逆变器肯定有区别，但具体区别可以通过查阅相关课本或资料了解。

问题八：三电平PWM变频器具有哪些优点？

三电平PWM变频器具有提升电压应用、输出波形好、波形好、模块耐压低等优点。在通信、电子等领域，电平是用来表示输出/输入信号的比较，用电平来表示会有极大的便利性。介绍了西门子采用三电平高压IGBT开发的中压变频器SIMOVERTMV、有源前端技术及应用。

问题九：三电平电路的工作原理是什么？

三电平电路的工作原理涉及到开关管的开通和关闭，以及电压的钳位和分割。例如，TL整流器主电路由8个开关管组成，通过不同的状态转换，可以产生不同的电平，从而实现交流侧电压的调控。具体的电路和工作原理可以通过查阅相关资料或课本了解。

T型三电平逆变器工作原理

单相拓扑设计以4个IGBT、4个二极管、两个电容C1,C2和一个电感L为基础。假设C1和C2电压差相等，均为Vdc。通过二进制表示四个IGBT的状态，如T1,T2,T3,T4为1、1、0、0，则转换为开关状态C。T型三电平逆变器稳定模态包括C、6、3三种。模态C输出电压Vdc，模态6输出0电压，模态3输出-Vdc。考虑死区后，存在4、2两种状态，死区状态4和死区状态2输出高阻。T型三电平的电压转换流程为Vdc->0->-Vdc->0->Vdc，其切换状态在图2中表示，**为死区状态切换，蓝色为稳态。

T型三电平拓扑中的IGBT控制转换逻辑图在图2中编写。特别注意，拓扑中所有开关状态的循环切换是关键。输出Vdc到0状态变化瞬态，开关状态从C（1100）到状态4（0100）时，IGBT的C-E电压与输出电压的关系以及电流路径在图中显示。关断过程中T1管的Vce两端产生尖峰电压（换流引起）。从4状态到6状态、2状态到6状态、6状态到4状态、4状态到C状态的切换过程，IGBT的C-E电压与输出电压的关系以及电流路径同样在图中给出。小结，IGBT部分在关断时产生电压尖峰，T1和T4管的风险较低，T2和T3管的风险较高。二极管部分在反向恢复时产生峰值功率，D1和D4管的功率较小，D2和D3管的功率较大，需要特别关注。

三电平spwm与svpwm之间的联系：零序分量（三次谐波）的分析与计算

学习目标：三电平svpwm调制利用矢量合成的原理，首先计算一个开关周期内各开关管的导通时间，然后通过调制波与三角载波比较的方式，实现计算出的各开关管导通时间。这个调制波为羊角波或马鞍波等，它可以通过三相正弦信号叠加零序分量（或三次谐波）实现，从而简化了扇区判断和开关时间计算等过程。许多资料在证明这一结论时，先设定三次谐波存在，然后反向地代入开关时间的计算公式，从而计算出三次谐波的表达式，然而这是逆向的逻辑。本文以NPC三电平逆变器的svpwm调制为例，从开关时间的计算公式出发，正向地证明这一结论并计算三次谐波的表达式。

一、基本原理

二、spwm调制方式

前文已经介绍了NPC三电平逆变器的spwm调制方式：将每个调制波和上下两个层叠的三角载波进行比较，当调制波同时大于两个载波时，桥臂输出状态为[公式]；当调制波处于中间位置时，桥臂输出状态为[公式]；当调制波同时小于两种载波时，桥臂输出状态为[公式]。取电源中点为参考地：

桥臂各输出状态列举如下：

调制波正半周期与上三角载波的比较结果为：

将一个三角载波周期内调制波[公式]的值看作近似恒定，三角载波的幅值为[公式]，利用图中相似三角形，得到一相桥臂输出电压的开关周期平均：

调制波负半周期与下三角载波的比较结果为：

此时一相桥臂输出电压的开关周期平均为：

即一相桥臂输出电压与调制波之间始终满足关系：

因此，若期望输出的三相对称电压波形如下：

则应该将调制波设置为：

即：

三、svpwm调制方式

在三电平svpwm调制方式中，利用矢量合成的原理计算各开关管的导通时间：

（a）第一大扇区第一小扇区

前文已经介绍了NPC三电平逆变器的svpwm调制的基本原理，并且给出了各扇区开关时间的计算公式，以第一大扇区的第一小扇区为例：

其中，[公式]为调制因数，定义为输出线电压幅值与输入直流电压的比值：

首先将开关时间的计算公式转换至两相静止坐标系，即：

于是得到：

利用调制波与三角载波比较的方式来实现此开关时间，前文中这个调制波的计算结果是羊角波：

各种资料说明svpwm的调制波是三相正弦信号叠加零序分量（三次谐波）的结果，下面证明这一结论并计算其中零序分量的表达式。以第一扇区的第一小扇区为例，给出一个开关周期内的调制信号和三角载波：

ps：此处对应当调制波同时大于两个载波时，桥臂输出状态为[公式]；当调制波处于中间位置时，桥臂输出状态为[公式]；当调制波同时小于两种载波时，桥臂输出状态为[公式]

调制波的设置原理已在前文中给出，其中，三角载波的幅值为[公式]，定义各相输出状态的时间：

根据前文中svpwm的“开关序列分配”，主要小矢量输出时间[公式]在其对应P型小矢量和N型小矢量之间平均分配，用于维持直流侧中点电位平衡，由此得到了上述输出状态的时间，然而主要小矢量输出时间[公式]还可以在它们之间以其他比例分配，从而调节直流侧中点电位。为了满足一般性，将各相输出状态的时间重新定义为：

即P型小矢量的输出时间为[公式]，N型小矢量的输出时间为[公式]，[公式]为[公式]之间的比例系数。根据图中相似三角形的关系，计算出各调制波的大小：

其中，各矢量输出时间[公式]（即前述开关时间）的表达式为：

为了建立与三相正弦信号的联系，将坐标变换的表达式代入：

得到矢量输出时间[公式]与三相输出电压[公式]之间的关系：

将上式代入式（3-1）并简化处理：

而第一部分“spwm调制方式”中，调制波的设置为：

所以svpwm的调制波与spwm的调制波之间的关系为：

（b）第一大扇区第三小扇区

再将上一节同样的计算思路应用到第一大扇区的第三小扇区，给出其中开关时间的计算公式：

将开关时间的计算公式转换至两相静止坐标系：

对于第一扇区的第三小扇区，一个开关周期内的调制信号和三角载波为：

考虑P型和N型小矢量的时间分配，根据图中相似三角形的关系，计算出各调制波的大小：

变换至三相静止坐标系后，矢量输出时间[公式]的表达式为：

将上式代入式（3-2）并简化处理：

再考虑第一部分“spwm调制方式”中，调制波的设置为：

所以svpwm的调制波与spwm的调制波之间的关系为：

（c）第一大扇区第五小扇区

同样的计算思路应用到第一大扇区的第五小扇区，给出其中开关时间的计算公式：

将开关时间的计算公式转换至两相静止坐标系：

对于第一扇区的第五小扇区，一个开关周期内调制信号和三角载波为：

考虑P型和N型小矢量的时间分配，根据图中相似三角形的关系，计算出各调制波的大小：

变换至三相静止坐标系后，矢量输出时间[公式]的表达式为：

将上式代入式（3-3）并简化处理：

再考虑第一部分“spwm调制方式”中，调制波的设置为：

所以svpwm的调制波与spwm的调制波之间的关系为：

（d）扇区边界

至此，就给出了第一大扇区的第一、三、五小扇区中调制波的表达式，将它们归纳如下：

可以看出，不同小扇区中三次谐波的表达式不同，较难归纳出统一的计算规律，于是通过“加一项减一项”的方式，将以上表达式调整为近似相同的形式：

小扇区不同，三次谐波的表达式也不同，因此小扇区的分界线决定了三次谐波的表达式。首先以第一大扇区的第一小扇区为例，其边界为：

将坐标变换的表达式代入：

重写其边界为：

从不等式组中可以求得：

利用“spwm调制方式”中，调制波的表达式：

将式（3-4）的不等式组变换为：

再观察表（3-1），推测出：在计算三次谐波的表达式时，首先将spwm的调制信号[公式]中小于零的项加三角载波幅值[公式]平移至坐标轴的横轴上方，大于零的项保持不变，得到中间变量；再从中间变量中分别选取最大和最小值用于计算三次谐波的大小：

再利用第三和第五小扇区的数据验证这个猜测，第三小扇区的边界为：

将坐标变换的表达式代入，重写其边界为：

从不等式组中可以求得：

再利用“spwm调制方式”中的调制波表达式，将不等式组调整为：

观察表（3-1），可以看出三次谐波的表达式满足前述推测。再给出第五小扇区的边界为：

将坐标变换的表达式代入，重写其边界为：

从不等式组中可以求得：

再利用“spwm调制方式”中的调制波表达式，将不等式组调整为：

观察表（3-1），可以看出三次谐波的表达式仍然满足前述推测。至此，就可以归纳总结出三电平spwm与svpwm之间的联系，即svpwm的调制波是spwm的调制波叠加零序分量（三次谐波）的结果：

三次谐波的计算式为：

以第一大扇区的第一、三、五小扇区为例，写出其计算结果：

四、仿真验证

前述文章中已经给出三相正弦信号叠加零序分量实现svpwm调制的仿真，其中P型和N型小矢量的分配系数[公式]；三角载波的幅值[公式]，这里不再重复提供仿真文件。

单相三电平逆变器工作原理

单相三电平逆变器是一种能将直流电能转换为交流电能的电力电子装置，其工作原理基于特定的电路结构和开关控制策略。

电路结构：它主要由直流侧电容、功率开关器件以及滤波电路等构成。直流侧电容将输入的直流电压进行分压，形成三个电平，即正电平、零电平、负电平。

开关控制：通过对功率开关器件的有序控制来实现电平的切换。当需要输出正电压时，控制相应的开关器件导通，使电流从直流侧正端经开关器件流向负载；当要输出零电压时，特定的开关组合动作，让负载与直流侧断开或处于等电位状态；输出负电压时，则控制另一组开关导通，电流从负载流向直流侧负端 。

输出波形合成：通过对不同电平的快速切换和组合，在负载上合成接近正弦波的交流电压。再经过滤波电路对输出波形进一步处理，减少谐波含量，使输出的交流电能质量更高，以满足不同负载的用电需求。

三电平SVPWM学习

三电平SVPWM学习要点如下：

定义与优势：

定义：三电平SVPWM是一种逆变器技术，相较于两电平SVPWM具有更低的开关应力和更小的开关损耗，输出电压波形更接近正弦波。优势：主要得益于其调制算法的优化，三电平SVPWM在波形接近度、电压利用率和谐波含量上表现出显著优势。

逆变器结构与原理：

结构：三电平逆变器由3个桥臂组成，每个桥臂包含4个开关管，并带有中性线。原理：通过不同开关组合实现三电平电压输出，每相电压有3个电平，通过27个电压矢量组合实现。

核心技术：

扇区与区域判断：在每个扇区内，根据参考电压矢量位置划分出小扇区，判断其所在区域。时间状态分配：选择短矢量作为每个采样周期的起始矢量，确保电压矢量变化时只有一对桥臂动作，避免反向转矩和脉动。

波形对比：

与两电平SVPWM相比，三电平SVPWM在波形质量、电压利用率和开关损耗等方面具有明显优势。

应用与挑战：

应用：三电平SVPWM技术适用于大容量高电压场合，具有高效率、低EMI等优点。挑战：存在开关器件数量增加、控制复杂性提高以及电位不平衡等问题。在实际应用中需权衡其优点与挑战，如采用二极管钳位式作为主电路拓扑结构，以实现三电平逆变器的高效稳定运行。

建议：为了更深入地理解三电平SVPWM技术，可以关注相关公众号或学术资源，获取更多模型和实践经验。同时，通过实际项目或实验来加深对其原理和应用的理解。

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