三电平逆变器双极性调制方式研究

电力电子技术

ＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ

Ｖｏｌ．４２，Ｎｏ．７Ｊｕｌｙ，２００８

三电平逆变器双极性调制方式研究

王

坤１，欧阳红林１，曹

青１，陈乔明２

（１．湖南大学，湖南长沙４１００８２；２．天津天铁冶金集团炼钢厂，天津３００１７０）

摘要：ＳＶＰＷＭ控制的三电平逆变器具有减少谐波含量、改善输出电压波形的优点，正在逐步取代传统的两电平逆变

器。介绍了三电平逆变器原理和空间矢量算法在其中的应用，提出一种改进算法的三电平空间矢量ＰＷＭ调制策略和中点电位控制方法。基于ＴＭＳ３２０Ｃ２８１２ＤＳＰ实现了逆变系统的数字控制，利用ＦＰＧＡ和ＰＬＣ实现脉冲触发和接

口控制。仿真和实验结果论证了该算法的正确性。

关键词：逆变器；脉宽调制／双极性调制；数字信号处理中图分类号：ＴＭ４６４

文献标识码：Ａ

文章编号：１０００－１００Ｘ（２００８）０７－０００４－０３

ＲｅｓｅａｒｃｈｏｆＴｈｒｅｅ－ｌｅｖｅｌＩｎｖｅｒｔｅｒＭｏｄｕｌａｔｅＡｐｐｒｏａｃｈｂａｓｅｄｏｎＤｏｕｂｌｅ－Ｐｏｌａｒｉｔｙ

ＷＡＮＧＫｕｎ１，ＯＵＹＡＮＧＨｏｎｇ－ｌｉｎ１，ＣＡＯＱｉｎｇ１，ＣＨＥＮＱｉａｏ－ｍｉｎｇ２

（１．ＨｕｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ４１００８２，Ｃｈｉｎａ；２．ＳｔｅｅｌｍｉｌｌｏｆＴｉａｎＴｉｅＭｅｔａｌｌｕｒｇｙＧｒｏｕｐ，Ｔｉａｎｊｉｎ３００１７０，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｒｅｅ－ｌｅｖｅｌｉｎｖｅｒｔｅｒｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｂｙｔｈｅａｌｇｏｒｉｔｈｍｏｆｓｐａｃｅｖｅｃｔｏｒｐｕｌｓｅｗｉｄｔｈｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ（ＳＶＰＷＭ）ｈａｓｒｅｐｌａｃｅｄｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｔｗｏ－ｌｅｖｅｌｃｏｎｖｅｒｔｅｒｆｏｒｉｔｓｅｘｃｅｌｌｅｎｔｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｌｏｗｅｒｉｎｇｓｗｉｔｃｈｆｒｅｑｕｅｎｃｙａｎｄｒｅｄｕｃｉｎｇｔｈｅｔｏｔａｌＡＣｃｕｒｒｅｎｔａｂｅｒｒａｎｃｅ．Ｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｔｈｒｅｅ－ｌｅｖｅｌｉｎｖｅｒｔｅｒａｎｄｓｐａｃｅｖｅｃｔｏｒａｒｉｔｈｍｅｔｉｃａｐｐｌｉａｎｃｅｉｎｉｔａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ

ＮＰＣ）ｕｓｅｄｉｎｔｈｅｉｎｖｅｒｔｅｒａｎｄｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｖｅｒｉｆｙｔｈｅａｄｖａｎｃｅｄＳＶＰＷＭｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄｎｅｕｔｒａｌｐｏｉｎｔｃｏｎｔｒｏｌ（

ｎｕｍｅｒｉｃｃｏｎｔｒｏｌｏｆｉｎｖｅｒｔｅｒｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎＴＭＳ３２０Ｃ２８１２ｉｓｒｅａｌｉｚｅｄ．ＦＰＧＡａｎｄＰＬＣｉｍｐｌｅｍｅｎｔｔｈｅｉｍｐｌｕｓｅｔｒｉｇｇｅｒｉｎｇａｎｄｉｎｔｅｒｆａｃｅｃｏｎｔｒｏｌ．Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓｏｆｐｒｏｐｏｓｅｄｃｏｎｔｒｏｌａｌｇｏｒｉｔｈ－ｍｉｃｗａｓｖｅｒｉｆｉｅｄｂｙｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｉｎｖｅｒｔｅｒ；ｐｕｌｓｅｗｉｄｔｈｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ／ｄｏｕｂｌｅ－ｐｏｌａｒｉｔｙｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ；ｄｉｇｉｔａｌｓｉｇｎａｌｐｒｏｃｅｓｓ

１引言

随着工业技术的发展，高压大功率器件的应用

日益广泛，对器件的控制也提出了更高的要求。多电平逆变器以其优越的性能日益受到关注和重视，它

与的优点在于：①其输出电压波形有多个电平合成，

传统的二电平逆变器相比，谐波含量大为减少，提高了输出电压波形的质量；②开关管承受的电压仅为直流侧电压的一半，使得低压开关器件得以应用于高压变换之中。但相对而言，三电平逆变器加大了控制的复杂性，也使其中点电压不便于控制。结合逆变器产生ＳＶＰＷＭ波形的过程，介绍了ＴＭＳ３２０ＬＦ２８１２芯片用于产生ＳＰＷＭ波的基本框架和软件流程。通过分析采用双极性调制方式控制的三电平逆变器，证实了采用空间电压矢量方法控制逆变器的可行性。这里将介绍一种可以更好地实现中点电位控制的双极性调制方式。

每个电容分担的电压各为Ｕｄｃ／２，通过箝位二极管的箝位作用，使输出电压被箝位在直流侧中点电位，即每个开关器件承受的电压就在一个电容电压Ｕｄｃ／２上。三电平逆变器的每一个桥臂有４个开关元件，以ａ相为例，有ＶＳ１￣ＶＳ４。每相有３种正常的开关模式，例如：当ＶＳ１，ＶＳ２导通时，ａ相输出为正电

当ＶＳ３，平；当ＶＳ２，ＶＳ３导通时，ａ相输出为零电平；

ＶＳ４导通时，ａ相输出为负电平。

２三电平逆变器的ＳＶＰＷＭ原理

图１三电平逆变器主电路

目前，应用较为普遍的三电平逆变器主电路均

采用二极管中点箝位（方式，如图１所示。该逆ＮＰＣ）

变器的输出电压除了两电平逆变器输出电压的

还增加了另一个零电平值。该主＋Ｕｄｃ／２和－Ｕｄｃ／２外，

电路结构图中采用了１２个可关断功率元件和６个箝位二极管，在直流侧还有两个分压电容Ｃ１和Ｃ２，

定稿日期：２００８－０４－０１作者简介：王

坤（１９８２－），男，湖南汨罗人，硕士研究生，研究方向为控制理论与电气传动。

图２示出三电平逆变器电压空间矢量分布图。在图２中定义大六边形的６个电压为２Ｕｄｃ／３，６个中矢量长度为!３Ｕｄｃ／３，１２个短矢量长度为Ｕｄｃ／３。且长矢量将磁链圆等分为６个扇区。由图可见，共有２７个空间电压矢量，可输出１９种不同的基本空间电压矢量。除一个零矢量外，其余１８个矢量把圆周

每个扇区占６０°空间角度，每个扇等分成６个扇区，

区又可划分为６个区域，在任何一个区域内有最接近的３个电压矢量供选择，零矢量为６个扇区共有。

４

三电平逆变器双极性调制方式研究

图２三电平逆变器电压空间矢量分布图

所谓ＳＶＰＷＭ法就是用逆变器输出相电压的平均矢量去逼近参考电压矢量Ｕｒｅｆ。理论证明，当Ｕｒｅｆ落入某一个区域以后，用该区域三角形顶点矢量去逼近参考矢量会得到最佳的逼近效果。恰当分配被选中的基本电压矢量的执行时间，并以被选中的各矢量的模乘以执行该矢量的时间。若满足：

（ＵａＴａ＋ＵｂＴｂ＋ＵｃＴｃ＝ＵｒｅｆＴｓ１）

式中：Ｔｓ为采样周期，Ｕａ，Ｕｂ，Ｕｃ为输出矢量，Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃ为对应

矢量所作用的时间。

过程中发生的矢量突变，其输出次序为：ＰＰＰ→ＰＰＯ→ＰＯＯ→ＯＯＯ→ＯＯＮ→ＯＮＮ→ＮＮＮ→ＯＮＮ→

具体三相输出如ＯＯＮ→ＯＯＯ→ＰＯＯ→ＰＰＯ→ＰＰＰ，

图３所示。根据该时序图，可得出三相桥臂开关器件的驱动信号。由图３ａ可见，此时ＰＷＭ生成模式为双极性调制，在每个开关周期中各相的４个开关器件都必须开断一次，所以线电压的脉冲数是常见

同时在这种双极性调制模式下，单极性调制的２倍。

三角形Ａ的两对冗余电压小矢量都被使用，这种特性有利于中点电压的波动抑制。

并使得：

（Ｔａ＋Ｔｂ＋Ｔｃ＝Ｔｓ２）

只要满足式（、式（，就能在该区域内合成１）２）

各矢量顶点的大小和方向是确Ｕｒｅｆ。在每个区域中，

定的，因此由式（、式（可解出每个矢量的作用时１）２）间，求得每个区域内矢量的作用时间表。

结合图２，扇区从０°到６０°为扇区１，逆时针类推为２，３，４，５，６。由几何关系可以定义变量：Ｕｒ１＝Ｕ!，若Ｕｒ１＞０，Ｕｒ２＝Ｕ\"－Ｕ!／!３，Ｕｒ３＝－Ｕ\"－Ｕ!／!３。再定义：

否则Ａ＝０；若Ｕｒ２＞０，则Ｂ＝１，否则Ｂ＝０；若则Ａ＝１，

则Ｃ＝１，否则Ｃ＝０；共８种组合，但Ａ，Ｕｒ３＞０，Ｂ，Ｃ不可能同时为１或同时为０，所以实际组合为６种。令Ｎ＝Ａ＋２Ｂ＋４Ｃ，Ｎ与扇区的对应关系为３－１，１－２，５－３，４－４，６－５，２－６。

小三角形的判别方法如图２ｂ所示，令Ａ１＝１，Ａ２＝２，Ｃ１＝３，Ｃ２＝４，Ｄ＝５，Ｂ＝６。（当０≤#＜（时，若Ｕ!－!３Ｕ\"＋!３Ｅｄ／!／６）１）

则可判断Ｕｒｅｆ在Ｄ区域，设区域变量为ｎ，即ｎ＝２＜０，

若Ｕ!＋!３Ｕ\"－!３Ｅｄ／２＜０，则ｎ＝２，其他情况ｎ＝４。６；（当（时，若Ｕ!＞!３Ｅｄ／４，则２）≤#≤（!／６）!／３）若Ｕ!＋!３Ｕ\"－!３Ｅｄ／２＜０，则ｎ＝１；其他情况ｎ＝５；ｎ＝３。

判断出区域后，即可根据一定的开关矢量选择规律确定实际作用的开关矢量及其作用时间，最后计算出确定的开关矢量的作用时间。

图３

输出电压矢量时序图

当Ｕｒｅｆ位于三角形Ｃ时，输出次序为：ＰＰＯ→ＰＯＯ→ＰＯＮ→ＯＯＮ→ＯＮＮ→ＯＯＮ→ＰＯＮ→ＰＯＯ→

由图３ｂ三相输出时序可见，此时ＰＷＭ生成模ＰＰＯ。

式为半极性调制，即在每个开关周期中３相桥臂中某一相的４个开关器件都必须开通关断一次，同时在这种半双极性调制模式下，三角形Ｃ的两对冗余

这种特性电压小矢量都被利用，与三角形Ａ一样，

十分有利于抑制中点电压的波动。用于合成位于三角形Ｂ和Ｄ的参考矢量的冗余矢量只有一对，所以此时ＰＷＭ生成模式为单极性调制模式，即在每个开关周期中三相桥臂的４个开关器件只有成对的一组开关器件，例如：Ａ相为ＶＳ１和ＶＳ３或ＶＳ２和ＶＳ４导通关断一次，另一组则保持常通或常断。三相输出时序图如图３ｃ，此时只有一ｄ所示。与三角形Ａ，Ｃ不同，对冗余小矢量可用于抑制中点电压波动。

４ＤＳＰ实现

ＴＭＳ３２０Ｃ２８１２型ＤＳＰ是定点３２位数字信号处理器，指令周期可达１５０ＭＨｚ，内含１２８位Ｆｌａｓｈ和两个通用事件管理器，可用于捕获位置脉冲和编码脉冲，产生脉宽调制输出信号。还有１６通道１２位高

并可拓展外部存储器，适合控制精度ＭＤ转换模块，

器的实时控制能力。

高压变频器控制部分结构图如图４所示，其主控制器采用ＴＭＳ３２０Ｃ２８１２，该ＤＳＰ芯片的主要功能有：将计算的数据①完成ＳＰＷＭ脉冲的实时计算，

实时传给逻辑器件ＦＰＧＡ；②与功率单元中的控制器通信，控制功率单元工作，并实时传输功率单元的

５３调制方式

当Ｕｒｅｆ位于Ａ时，为确保光滑的输出电压波形，

在提出的ＳＶＰＷＭ调制模式中，依据合成三角形Ａ的首发矢量用零矢量ＰＰＰ，可以有效避免扇区切换

第４２卷第７期２００８年７月

电力电子技术

ＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ

Ｖｏｌ．４２，Ｎｏ．７Ｊｕｌｙ，２００８

运行状态；通信，实现高压变频③与上位机（ＰＣ机）器的远程控制；④与西门子Ｓ７－３００系列ＰＬＣ通信，实时取得变频器各个部分的温度、电流、电压等参

输出。数；⑤实现模拟量与开关量的输入、

图５试验波形

为便于观测，通过变压器降压后用示波器测量

可观察到电动机的输出电压波形如图６所示。通过现场调试及各项参数检测，系统运行稳定、可靠，节能效果良好，达到了预期的效果。

ＦＰＧＡ主要实现多路ＳＰＷＭ脉冲的实时输出，

将产生的脉冲通过光纤传输给功率单元。功率单元的内部控制采用Ｉｎｔｅｌ５１系列单片机，完成功率单元的保护和一些运行控制。Ｓ７－３００ＰＬＣ完成外部一些端口数据的采集，同时与触摸屏通信，可以实现触摸屏对变频器的控制操作。

软件由主程序和ＰＷＭ中断服务程序构成。主程序包括初始化和循环读取等待两部分。ＰＷＭ中断服务程序包括实现ＳＶＰＷＭ算法的各个子程序。每个ＰＷＭ周期产生一个中断。中断过程中一次调用各个子程序并执行，清除中断标志位，然后返回。

ＳＶＰＷＭ算法子程序的构成：①判断扇区号。有Ｕｒｅｆ的实部和虚部即可确定；②判断工作模式。根据所处小三角形来选择具体的工作模式；③根据电压采样值，选择Ｓ值；④由小三角形和Ｓ值来确定具体的切换顺序，并对寄存器的装载值进行比较。

图４ＤＳＰ控制的逆变系统框图

图６电动机输出电压波形

６结束语

介绍了逆变器的三电平空间矢量合成原理；提

出了一种通过ＤＳＰ实现的极性调制方式。该技术通过ＤＳＰ的软件编程实现。仿真和试验论证了该方案的可行性。

５仿真和实验

参考文献

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ＮＣｅｌａｎｏｖｉｃ，ＤＢｏｒｏｙｅｖｉｃｈ．ＡＣｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅＳｔｕｄｙｏｆＮｅｕ－

!!!!!\"在Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ环境下进行仿真实验。三相ｔｒａｌｐｏｉｎｔＶｏｌｔａｇｅＢａｌａｎｃｉｎｇＰｒｏｂｌｅｍｉｎＴｔｈｒｅｅ－ｌｅｖｅｌＮｅｕ－

电感Ｌ＝２０ｍＨ；直流负载的基本参数：电阻Ｒ＝１２&；ｔｒａｌ－ＰｏｉｎｔｃｌａｍｐｅｄＶｏｌｔａｇｅＳｏｕｒｃｅＰＷＭＩｎｖｅｒｔｅｒｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ

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ｔｏｒＳｗｉｔｃｈｉｎｇＳｅｑｕｅｎｃｅｓｆｏｒＭｕｌｔｉｌｅｖｅｌＩｎｖｅｒｔｅｒｓ［Ａ］．

实验中，用隔离变压器对６ｋＶ高压降压后，通

０１［Ｃ］．Ａｎａｈｅｉｍ，ＣＡ，ＵＳＡ，２００１：１１２３－１１２９．ＡＰＥＣ’

过电流互感器测量变频器的输出电压波形。对于

陈国呈，武慧，等．一种具有中点电位平衡功［３］宋文祥，

６ｋＶ的高压输出，可先通过１０ｋＶ／６ｋＶ的变压器降能的三电平空间矢量调制方法及其实现［Ｊ］．中国电机工压，再通过三相整流后接变频器，负载经过滤波后：程学报，２００６，２６（１２）９５－１００．接高压电动机。电机参数为：额定功率２２０ｋＷ；额定张志文，王磊，等．基于ＤＳＰ的三电平逆变器［４］高红专，

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