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0 引言
能源短缺和環(huán)境污染是人類(lèi)當(dāng)前面臨的共同的世紀(jì)性難題。上世紀(jì)70年代以來(lái)兩次世界性的能源危機(jī)以及當(dāng)前環(huán)境問(wèn)題的嚴(yán)重性，引起世界各國(guó)對(duì)節(jié)能技術(shù)的廣泛關(guān)注。我國(guó)能源生產(chǎn)和消費(fèi)已列世界第二，但仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿(mǎn)足不了工業(yè)生產(chǎn)和人民生活發(fā)展的需要，在能源十分緊張的情況下，卻因?yàn)樵诠?jié)能方面的巨大差距，造成單位產(chǎn)值能耗太大，每年的能源浪費(fèi)驚人。如相當(dāng)一部分的風(fēng)機(jī)、水泵類(lèi)負(fù)載，由于采取恒速驅(qū)動(dòng)，浪費(fèi)掉大量的電能。這類(lèi)拖動(dòng)系統(tǒng)約占工業(yè)電力拖動(dòng)總量的一半，如果采用調(diào)速節(jié)能技術(shù)則至少可節(jié)約20%以上的電能。我國(guó)“十一五”規(guī)劃提出了不斷提高能源利用效率和效益的節(jié)能目標(biāo)，而節(jié)能工作的重點(diǎn)則放在推行量大面廣的節(jié)能技術(shù)上。其中一項(xiàng)重要措施就是要逐步實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)、風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)設(shè)備和系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，發(fā)展電機(jī)調(diào)速節(jié)電和電力電子節(jié)電技術(shù)，只有這樣才能以較低的能源消費(fèi)彈性系數(shù)和較大的節(jié)能量來(lái)長(zhǎng)期支持國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速、健康、持續(xù)的發(fā)展。
此外，大量的煤炭、石油沒(méi)有經(jīng)過(guò)深加工就被燒掉，不但熱利用率低，還造成對(duì)環(huán)境的嚴(yán)重污染。目前，汽車(chē)廢氣排放過(guò)度已造成全球性的溫室效應(yīng)，也是造成北京地區(qū)空氣污染的主要原因之一。解決城市環(huán)境污染和交通擁擠的重要途徑是發(fā)展高速公共交通工具（地鐵，城市輕軌）及電動(dòng)汽車(chē)，高速電氣化列車(chē)則是實(shí)現(xiàn)城際快速交通的首選，其核心技術(shù)都是上世紀(jì)80 年代以來(lái)和微電子技術(shù)并駕齊驅(qū)飛速發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新技術(shù)———現(xiàn)代電力電子及交流電機(jī)傳動(dòng)技術(shù)。此外，在軋鋼、造紙、水泥制造、礦井提升、輪船推進(jìn)器等工業(yè)和民用領(lǐng)域中也應(yīng)廣泛使用大中容量交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。此時(shí)，交流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用不但可達(dá)到節(jié)能的目的，還可實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的性能最佳，改善工藝條件，并大大提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。
從目前掌握的資料和市場(chǎng)上提供的大容量調(diào)速產(chǎn)品可以看到，目前每年世界范圍內(nèi)的交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的硬件，軟件和外圍設(shè)備的總銷(xiāo)售額是48.5億美元。其中歐洲、中東和非洲總共占39%，日本占27%，北美占21%，亞洲12%，最后是拉丁美洲的1%。從系統(tǒng)功率的銷(xiāo)售分布看，小功率的調(diào)速系統(tǒng)仍然支配著市場(chǎng)，1~4 kW 的調(diào)速系統(tǒng)占了總銷(xiāo)售額的21%，5~40 kW系統(tǒng)則占總銷(xiāo)售額的26%。但是隨著以IGBT、IGCT為代表的新型復(fù)合器件耐壓、電流和開(kāi)關(guān)性能的迅速提高，大容量交流電機(jī)調(diào)速技術(shù)必將獲得飛速的發(fā)展和長(zhǎng)足的進(jìn)步，其市場(chǎng)前景
十分鼓舞人心。
國(guó)外在高性能大容量交流電機(jī)傳動(dòng)技術(shù)的研究和應(yīng)用上遠(yuǎn)遠(yuǎn)走在我們前面，已有MV·A級(jí)的高壓逆變器產(chǎn)品大量投入市場(chǎng)，并應(yīng)用于電力機(jī)車(chē)、船艦電力推進(jìn)、軋鋼、造紙及供水等系統(tǒng)中，交流電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)及其產(chǎn)品已成為一些工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的先導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。目前我國(guó)大、中容量交流調(diào)速系統(tǒng)的研制工作起步較晚，很多必需的場(chǎng)合均為國(guó)外產(chǎn)品所占領(lǐng)。
因此，研制性能可靠，價(jià)格便宜的大、中容量高性能交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)，并盡快投入批量生產(chǎn)，對(duì)促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方式轉(zhuǎn)變，降低單位
產(chǎn)值能耗，打破西方國(guó)家在此領(lǐng)域的壟斷地位，都將具有重要的戰(zhàn)略和現(xiàn)實(shí)意義。
1 大容量交流電機(jī)調(diào)速技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
20世紀(jì)80年代以來(lái)，現(xiàn)代電力電子技術(shù)開(kāi)始向高頻、高效（低開(kāi)關(guān)損耗）、高功率因數(shù)、高功率密度（組合集成化）及高壓大功率方向迅速發(fā)展。以GTO、JT、MOSFET 為代表的自關(guān)斷器件得到長(zhǎng)足的發(fā)展，尤其是以IGBT 為代表的雙極型復(fù)合器件的驚人發(fā)展，使得電力電子器件正沿著大容量、高頻、易驅(qū)動(dòng)、低損耗、智能模塊化的方向前進(jìn)。伴隨著電力電子器件的飛速發(fā)展，大功率逆變器及交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展也日趨高性能化。
1.1 傳統(tǒng)大功率逆變電路
傳統(tǒng)的大功率交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)采用的變換器主要有：
1）普通交-直-交三相逆變器；
2）降壓-普通變頻器-升壓；
3）交- 交變頻器；
4）變壓器耦合的多脈沖逆變器。
以上的大功率變換電路研究比較成熟，但在實(shí)現(xiàn)大功率交流傳動(dòng)的同時(shí)，在性能上沒(méi)有什么突破，且裝置復(fù)雜，制作成本高，控制方式可靠性低，并且對(duì)電網(wǎng)污染嚴(yán)重，功率因數(shù)低，無(wú)功損耗大，須附加諧波治理裝置，設(shè)備成本成倍增加。因此近十幾年來(lái)，一些新型高壓大功率逆變器，尤其是電壓型多電平變換器拓?fù)湟鹆嗽S多學(xué)者的注意。
1.2 新型多電平電壓型逆變器
日本長(zhǎng)岡科技大學(xué)的A．Nabae 等人于1980年在IAS 年會(huì)上首次提出三電平逆變器，又稱(chēng)中點(diǎn)箝位式（NPC）逆變器。它的出現(xiàn)為高壓大容量電壓型逆變器的研制開(kāi)辟了一條新思路。在此基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)多年的研究，發(fā)展出幾種主要的多電平變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主要分兩種[1][2][3]：第一種為單一直流電源的箝位型變換器拓?fù)?，包括二極管箝位型（DiodeClamped），電容箝位型（Capacitor Clamped），以及在此基礎(chǔ)上發(fā)展出的通用型拓?fù)?，還有層疊式多單元拓?fù)洌⊿tacked Multi-cell）；第二種為獨(dú)立直流電源的級(jí)聯(lián)型拓?fù)洌–ascaded Inverter with Separated DCSource）?，F(xiàn)有的多電平變換器分類(lèi)如圖1所示。
根據(jù)直流電壓源的性質(zhì)和串聯(lián)方式不同，上述兩種拓?fù)淇梢杂脙蓚€(gè)電路模型表示：?jiǎn)我恢绷麟娫粗苯哟?lián)分壓模型和多個(gè)電氣獨(dú)立的直流電源串聯(lián)模型，分別如圖2 和圖3 所示。在圖2中，多電平變換電路可以等效為虛線(xiàn)中的多路開(kāi)關(guān)，現(xiàn)實(shí)中是由功率開(kāi)關(guān)器件網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的，不同的開(kāi)關(guān)狀態(tài)即代表接到不同的節(jié)點(diǎn)。圖3 中作為直流電源的VDC1……
VDCn經(jīng)過(guò)變換電路的不同開(kāi)關(guān)狀態(tài)，可以在輸出端組合出多種電平值。
多電平變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與普通兩電平逆變器相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：
1）更適合大容量、高壓的場(chǎng)合；
2）可產(chǎn)生M層階梯形輸出電壓，理論上提高電平數(shù)可接近純正弦波形，諧波含量很?。?BR>3）電磁干擾（EMI）問(wèn)題大大減輕，因?yàn)殚_(kāi)關(guān)器件一次動(dòng)作的dv/dt 通常只有傳統(tǒng)雙電平的1/（M-1)；
4）效率高。消除同樣諧波，雙電平采用PWM控制法開(kāi)關(guān)頻率高、損耗大；而多電平逆變器可用較低頻率進(jìn)行開(kāi)關(guān)動(dòng)作，開(kāi)關(guān)頻率低、損耗小，效率提高。
除上述共同特點(diǎn)外，幾種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)各有優(yōu)缺點(diǎn)，
現(xiàn)比較如下。
1.2.1 二極管箝位的多電平逆變器
二極管箝位式多電平結(jié)構(gòu)是出現(xiàn)較早，應(yīng)用場(chǎng)合較多的一種結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是采用多個(gè)二極管對(duì)相應(yīng)開(kāi)關(guān)器件進(jìn)行箝位，輸出相應(yīng)M電平的相電壓。二極管箝位式拓?fù)渚哂卸嚯娖侥孀兤鞴餐膬?yōu)點(diǎn)，但存在自身不足：
1）箝位二極管承受的電壓不均勻；
2）器件所需額定電流不同，按最大額定設(shè)計(jì)將造成（M-1）（M-2）/2 的開(kāi)關(guān)器件容量上有所浪費(fèi)，利用效率低；
3）直流側(cè)電容由于一個(gè)周期內(nèi)的流入和流出的電流可能不相等，造成不同級(jí)的直流側(cè)電容電壓在傳遞有功功率時(shí)出現(xiàn)不均衡現(xiàn)象；
4）當(dāng)進(jìn)行有功傳遞時(shí)，如不附加恒壓裝置，必將導(dǎo)致M 電平逐漸變?yōu)槿娖剑∕ 為奇數(shù)）或兩電平（M為偶數(shù)）。解決的辦法通?？捎肞WM電壓調(diào)節(jié)器
或電池來(lái)代替電容，但這樣又將導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜，使成本升高。
為解決以上問(wèn)題，在傳統(tǒng)的二極管箝位式多電平結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)了幾種改進(jìn)型結(jié)構(gòu)。在兩個(gè)相鄰箝位二極管兩端加上箝位電容的改進(jìn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不但解決了二極管串聯(lián)問(wèn)題，而且所加電容對(duì)開(kāi)關(guān)器件關(guān)斷時(shí)的過(guò)壓進(jìn)行箝位。由于所加電容充放電的作用，減小了直流側(cè)電容電壓的不平衡性，且能實(shí)現(xiàn)電流的雙向流動(dòng)。另一種是將兩個(gè)相同變換器背對(duì)背使用的改進(jìn)結(jié)構(gòu)，左邊作為整流器，右邊作為逆變器，把直流側(cè)電容相應(yīng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接，可較好地平衡電容電壓。
1.2.2 電容箝位的多電平逆變器
電容箝位的多電平逆變器最早由T.A.Meynard和H.Foch在1992年P(guān)ESC年會(huì)上提出，最初目的是減少NPC 多電平逆變器中過(guò)多的箝位二極管，即采用懸浮電容器來(lái)代替箝位二極管工作，直流側(cè)的電容不變。其工作原理與二極管箝位電路相似。對(duì)比二極管箝位多電平逆變器，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)雖省去了大量的二極管，但又引入了不少電容。對(duì)高壓大容量系統(tǒng)而言，電容體積龐大、占地多、成本高、封裝不易。
電容的引進(jìn)使電壓合成的選擇增多，開(kāi)關(guān)狀態(tài)的選擇具有更大的靈活性，通過(guò)在同一電平上進(jìn)行合適的不同開(kāi)關(guān)狀態(tài)的組合，使電容電壓保持均衡，可較好地應(yīng)用于有功調(diào)節(jié)和變頻調(diào)速系統(tǒng)，但控制方法變得較為復(fù)雜，而且開(kāi)關(guān)頻率將增高，開(kāi)關(guān)損耗加大，效率隨之降低。
為保持電容電壓的平衡，Meynard提出了一種采用背對(duì)背的變換器結(jié)構(gòu)來(lái)調(diào)整電容充放電的平衡，并采用成一定比例的開(kāi)關(guān)模式來(lái)同時(shí)控制整流橋和逆變橋，使得流向電容的功率和從電容流出的功率相同。通過(guò)對(duì)電容電壓進(jìn)行檢測(cè)，如果出現(xiàn)不平衡，可以適當(dāng)改變整流橋的控制。其缺點(diǎn)是，引入了大量的懸浮電容，而且存在著電容電壓平衡的問(wèn)題，目前法國(guó)ALSTOM公司已開(kāi)發(fā)出此類(lèi)產(chǎn)品。
1.2.3 電壓自平衡式多電平變頻器拓?fù)?/STRONG>
2000年美國(guó)密執(zhí)根大學(xué)的彭方正博士提出了一種電壓自平衡的多電平拓?fù)?，它不需要借助附加的電路?lái)抑制直流側(cè)電容的電壓偏移問(wèn)題，從理論上實(shí)現(xiàn)了一個(gè)真正的有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的多電平結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的二極管箝位式和電容箝位式電路拓?fù)湟部梢杂伤?jiǎn)化和發(fā)展而來(lái)。
高壓大容量多電平電路的一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)就是中點(diǎn)電壓的控制問(wèn)題。對(duì)于三電平及以上電平數(shù)的拓?fù)?，如果中點(diǎn)電壓控制的不好，是不能有效地應(yīng)用于大容量的電能變換場(chǎng)合的。對(duì)于以上幾種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，電壓高于三電平時(shí)，或者是需要隔離的直流電源，或者是需要增加一個(gè)復(fù)雜的電路結(jié)構(gòu)來(lái)幫助維持中點(diǎn)電壓的平衡。這種新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有電壓自平衡的功能，對(duì)于各種逆變器控制策略和負(fù)載情況，都能有效地控制中點(diǎn)電壓。
圖4即為這種新型的自平衡多電平結(jié)構(gòu)單相的拓?fù)?，它是由基本的兩電平單元組成的。因?yàn)榛镜膯卧且粋€(gè)兩電平的單相電路（a two-level phaseleg），所以由它組成的多電平結(jié)構(gòu)又叫做P2多級(jí)逆變器。
這種可電壓自平衡的P2多電平拓?fù)涞奶攸c(diǎn)是：
1）系統(tǒng)的電能損耗反比于電容量和開(kāi)關(guān)頻率，提高開(kāi)關(guān)頻率和加入一些特定的開(kāi)關(guān)狀態(tài)可以大大減小損耗，提高系統(tǒng)效率；
2）相比一般的二極管箝位和電容箝位式拓?fù)?，該系統(tǒng)各級(jí)的中點(diǎn)電壓都能得到很好的控制；
3）對(duì)一個(gè)M級(jí)電平的P2逆變器系統(tǒng)，所需的開(kāi)關(guān)器件/ 二極管數(shù)目為M（M-1)，需要的電容器數(shù)量為M（M-1)/2；
4）計(jì)算簡(jiǎn)單，器件應(yīng)力可達(dá)到最小化。
對(duì)圖4的系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化和變形，可以得到傳統(tǒng)的二極管箝位和電容箝位式多電平拓?fù)?，以及一些其他的改進(jìn)拓?fù)?。去掉圖4所有的箝位開(kāi)關(guān)，可以得到二極管-電容箝位的多電平系統(tǒng)，如圖5 所示；而去掉箝位開(kāi)關(guān)和二極管，則得到電容箝位式的多電平系統(tǒng)，如圖6 所示；去掉箝位開(kāi)關(guān)和電容，可得到二極管箝位式拓?fù)?，如圖7所示；再對(duì)調(diào)二極管的連接，可得到一種改進(jìn)的背對(duì)背的二極管箝位式系統(tǒng)，如圖8所示。
這種通用的多電平拓?fù)涞膽?yīng)用還包括開(kāi)關(guān)電容DC-DC 變換器和倍壓電路；此外，結(jié)合其他電路的使用還可實(shí)現(xiàn)雙向的DC-DC 變換。也可以用三電平單元代替兩電平單元來(lái)實(shí)現(xiàn)多電平變頻器。
1.2.4 層疊式多單元結(jié)構(gòu)（SMC）
SMC結(jié)構(gòu)如圖9所示，這種結(jié)構(gòu)也能實(shí)現(xiàn)高壓、多電平輸出[12][13]。這種結(jié)構(gòu)相比一般電容箝位型結(jié)構(gòu)有一定的優(yōu)勢(shì)，可以使用更少個(gè)數(shù)和更小體積的電容，減少了裝置的體積，尤其在大于三電平以上高壓輸出的應(yīng)用中。
SMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是基于跨接電容和開(kāi)關(guān)組成的基本換流單元的一個(gè)混合結(jié)構(gòu)。圖10為兩層疊兩單元變換器的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)相當(dāng)于把兩個(gè)電容箝位型單元疊加起來(lái)，圖中S21a、S21b和S21為互補(bǔ)開(kāi)關(guān)，不能同時(shí)開(kāi)通，同樣其他開(kāi)關(guān)也有類(lèi)似的互補(bǔ)開(kāi)關(guān)對(duì)。上層和下層采用類(lèi)似電容箝位型的開(kāi)關(guān)方法，就可以實(shí)現(xiàn)多電平的輸出。
但是，這個(gè)結(jié)構(gòu)也有一些缺點(diǎn)：為了滿(mǎn)足最底層和頂層一方開(kāi)通時(shí)的耐壓要求，拓?fù)渲型鈧?cè)功率開(kāi)關(guān)都是兩管直接串聯(lián)，帶來(lái)了開(kāi)通和關(guān)斷同步問(wèn)題，而且由于不是總工作在上述的兩個(gè)狀態(tài)，從另一個(gè)角度說(shuō)，浪費(fèi)了功率器件的耐壓容量，而且當(dāng)需要進(jìn)一步升壓，層疊數(shù)超過(guò)兩層時(shí)，開(kāi)關(guān)數(shù)量會(huì)大大增加，電容也會(huì)增多；同時(shí)，這類(lèi)拓?fù)涞目刂品椒ㄒ脖容^復(fù)雜，其優(yōu)越性也不明顯。
1.2.5 帶分離直流電源的串聯(lián)型多電平逆變器
對(duì)于帶分離直流電源的串聯(lián)型多電平逆變器，要獲得更多電平只須將每相所串聯(lián)的單元逆變橋數(shù)目同等增加即可，如圖11所示。其特點(diǎn)是：
1）直流側(cè)采用電壓相同但相互隔離的直流電源，不存在電壓均衡問(wèn)題，無(wú)須二極管或電容箝位，易于進(jìn)行調(diào)速控制；
2）因每個(gè)H 橋都采用單相控制，直流電容在任一時(shí)刻都有交流電流通過(guò)，因此需要用較大容量的直流電容；
3）控制方法相對(duì)簡(jiǎn)單，因每一級(jí)結(jié)構(gòu)的相同性，可分別對(duì)每一級(jí)進(jìn)行PWM 控制，然后進(jìn)行波形重組；
4）對(duì)相同電平數(shù)而言，串聯(lián)型結(jié)構(gòu)所需器件數(shù)目最少；
5）一般二極管箝位式、電容懸浮式限于7或9電平，串聯(lián)型結(jié)構(gòu)因無(wú)二極管和電容的限制，電平數(shù)可較大，適合更高電壓，諧波含量更少；
6）由于每一級(jí)逆變橋構(gòu)造相同，給模塊化設(shè)計(jì)和制造帶來(lái)方便，且裝配簡(jiǎn)單，系統(tǒng)可靠性高。另外，某一級(jí)逆變橋出現(xiàn)故障時(shí)，就被旁路掉，剩余模塊可不間斷供電，以盡量減少生產(chǎn)損失。
因這種結(jié)構(gòu)較容易采用低壓的功率開(kāi)關(guān)器件，實(shí)現(xiàn)多級(jí)電壓串聯(lián)，獲得高電壓、大容量，因此具有較大的實(shí)用性。當(dāng)然，這種結(jié)構(gòu)的不足之處在于需要很多隔離的直流電源，應(yīng)用受到一定限制。
目前，國(guó)際上很多著名的電氣公司包括羅賓康、東芝、ANSLADO、三菱都已經(jīng)具有同類(lèi)的產(chǎn)品，可以用在大容量電機(jī)調(diào)速、無(wú)功補(bǔ)償?shù)纫恍┬袠I(yè)。國(guó)內(nèi)也有產(chǎn)品問(wèn)世，可用于拖動(dòng)風(fēng)機(jī)、水泵等調(diào)速系統(tǒng)中。
1.2.6 三相逆變器串聯(lián)式結(jié)構(gòu)
1999年E.Cengelci 等人提出了一種新型的變壓器耦合式單元串聯(lián)高壓變頻結(jié)構(gòu)。其主要思想是用變壓器將三個(gè)由IGBT或IGCT構(gòu)成的常規(guī)逆變器單元的輸出疊加起來(lái)，實(shí)現(xiàn)更高壓的輸出，并且這三個(gè)常規(guī)逆變器可采用同一種控制方式，電路結(jié)構(gòu)和控制方法都大大簡(jiǎn)化。其拓?fù)淙鐖D12所示。
這種三相逆變器串聯(lián)式逆變器結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：
1）以三個(gè)常規(guī)的逆變器為核心構(gòu)成高壓變頻器，每個(gè)逆變器可采用常規(guī)PWM調(diào)制方法；
2）三個(gè)常規(guī)的逆變器平衡運(yùn)行，各分擔(dān)總輸出功率的1/3；
3）整個(gè)變頻器輸出可等效為7 電平PWM，諧波小且dv/dt低；
4）輸出變壓器的容量只需總?cè)萘康?/3；
5）18脈沖輸入，網(wǎng)側(cè)無(wú)諧波且功率因數(shù)高。
由于三相逆變器串聯(lián)式結(jié)構(gòu)的三個(gè)逆變器電壓、電流和功率完全對(duì)稱(chēng)，三個(gè)逆變器可采用完全相同的控制規(guī)律，但是相當(dāng)于兩電平的高壓變頻器，dv/dt 太大。因此可以采用將三個(gè)逆變器的PWM 信號(hào)相互錯(cuò)開(kāi)1/3周期的辦法，對(duì)SPWM來(lái)說(shuō)就是三個(gè)逆變器各自采用一個(gè)三角波，相位互差120°，相當(dāng)于一個(gè)線(xiàn)電壓為7電平的高頻變壓器。電機(jī)線(xiàn)電壓PWM波形與變壓器繞組如圖13、圖14所示。
綜上所述，二極管箝位式和電容箝位式由于存在均壓?jiǎn)栴}，比較適合應(yīng)用于無(wú)功調(diào)節(jié)，而在有功傳遞，如電機(jī)調(diào)速方面控制較難，需要實(shí)施額外的算法。電壓自平衡的P2多電平系統(tǒng)不需要大量的變壓器，結(jié)構(gòu)緊湊，功率因數(shù)高，無(wú)電磁干擾，損耗低，在多電平逆變器實(shí)現(xiàn)的領(lǐng)域上引起了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。在輸入變壓器成本允許的前提下，串聯(lián)型結(jié)構(gòu)以較低耐壓器件實(shí)現(xiàn)高壓大容量，由于電平數(shù)可以很多，網(wǎng)側(cè)和輸出側(cè)諧波很低，若采用四象限整流，并與現(xiàn)代電機(jī)控制理論結(jié)合，高性能四象限大容量交流電機(jī)變頻調(diào)速將成為可能，其在交流傳動(dòng)領(lǐng)域的應(yīng)用將很樂(lè)觀。三相逆變器串聯(lián)式可以保證均衡利用功率和變轉(zhuǎn)矩負(fù)載條件的運(yùn)行，并且對(duì)電網(wǎng)諧波污染小，可很好地用于中壓（2 300～4 160 V）的交流
電機(jī)調(diào)速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
2 PWM 控制技術(shù)
大功率逆變器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不斷更新的同時(shí)，與之相應(yīng)的PWM控制技術(shù)也得到了飛速的發(fā)展。各國(guó)學(xué)者不僅對(duì)傳統(tǒng)的PWM進(jìn)行革新，也不斷地提出一些全新的控制策略。
2.1 傳統(tǒng)的PWM控制技術(shù)及其發(fā)展
傳統(tǒng)的PWM 控制技術(shù)多用于兩電平逆變器的門(mén)極驅(qū)動(dòng)控制，其主要方法是依靠載波和調(diào)制波的比較，得出交點(diǎn)，或采用微機(jī)計(jì)算方法得到門(mén)極觸發(fā)脈沖控制信號(hào)。正弦脈寬調(diào)制SPWM，調(diào)制波為正弦波，實(shí)現(xiàn)的典型方法有自然采樣PWM，規(guī)則采樣PWM，等面積PWM 等方法。三電平電路中，若采用兩個(gè)正弦波與一個(gè)三角波比較，可得到雙向dipolar調(diào)制PWM[14]，可大大減少相間電壓的諧波。以上這些方法都可以在多電平電路中加以使用。且根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，實(shí)現(xiàn)的方法也不同。
2.2 優(yōu)化PWM技術(shù)
近年來(lái)，優(yōu)化PWM技術(shù)得到了迅速發(fā)展。它是根據(jù)諧波含量，諧波畸變率（THD）最小，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小等目標(biāo)函數(shù)，尋求PWM 控制波形。最優(yōu)化PWM有一般PWM方法不具備的特殊優(yōu)點(diǎn)，如電壓利用率高，開(kāi)關(guān)次數(shù)少及可實(shí)現(xiàn)特定優(yōu)化目標(biāo)等。優(yōu)化PWM可用于多電平逆變器，而且可利用NPC逆變器的特點(diǎn)對(duì)每個(gè)開(kāi)關(guān)器件的控制規(guī)律進(jìn)行優(yōu)化以提高整體性能，降低電機(jī)損耗。
2.3 多電平逆變器與空間電壓矢量PWM
空間電壓矢量PWM 法，是以三相對(duì)稱(chēng)正弦波電壓供電時(shí)交流電動(dòng)機(jī)的理想磁通為基準(zhǔn)，用逆變器不同的開(kāi)關(guān)模式所產(chǎn)生的實(shí)際磁通去逼近基準(zhǔn)圓磁通，由比較結(jié)果決定逆變器的開(kāi)關(guān)順序，形成所需的PWM波形。電壓矢量PWM法消除諧波效果類(lèi)似于多電平SPWM。對(duì)于三電平、五電平逆變器，開(kāi)關(guān)模式容易計(jì)算，易于數(shù)字化實(shí)現(xiàn)。但隨電平數(shù)增加，開(kāi)關(guān)模式的計(jì)算量劇增，而且所需內(nèi)存增加很多。由于開(kāi)關(guān)模式選擇冗余度大，選擇合適矢量，可達(dá)到消除共模電壓作用，而且對(duì)于二極管箝位式多電平逆變器，可消除或減小直流側(cè)電容電壓的不平衡性。
隨著多電平逆變器的出現(xiàn)，空間電壓矢量SVPWM有了進(jìn)一步的發(fā)展。比如對(duì)三電平中點(diǎn)箝位式逆變器，選取適當(dāng)?shù)目臻g矢量組合和電壓矢量導(dǎo)通時(shí)間，可得到很逼近圓形的磁通。根據(jù)選擇矢量的不同還可以有多種SVPWM 控制方案，各種方法得到的調(diào)制矢量角各不相同，控制性能也各不相同。比起雙電平空間矢量，其矢量選擇范圍大，能更好地逼近正弦磁通，控制電機(jī)能獲得更好的性能。同時(shí)，其良好的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使系統(tǒng)容量變大，可靠性提高，損耗減少。
三電平逆變器存在直流側(cè)的高壓，因此對(duì)器件仍有潛在的高壓威脅，可靠性受到一定的限制。另外，直流側(cè)電容電壓的均衡問(wèn)題是控制上比較棘手的地方。這種逆變器也存在網(wǎng)側(cè)的諧波，用特殊的處理方法，比如雙PWM技術(shù)可以得到很好的結(jié)果。在某些場(chǎng)合（比如UPS 中），多電平逆變器還可采用電流滯回控制PWM方法。
3 結(jié)論及展望
由于在功率器件研制及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面取得的突破性進(jìn)展，大容量交流電機(jī)調(diào)速技術(shù)的發(fā)展呈現(xiàn)著嶄新的面貌，蘊(yùn)藏著巨大的發(fā)展機(jī)遇。
傳統(tǒng)大功率逆變電路由于體積大，性能差，并對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生較多諧波，因此應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越多地受到限制。而新型多電平逆變器由于具有動(dòng)態(tài)性能好，對(duì)電網(wǎng)和電機(jī)產(chǎn)生的諧波較少，可以升高電壓等優(yōu)點(diǎn)，受到越來(lái)越多的重視。當(dāng)PWM技術(shù)應(yīng)用于多電平逆變器時(shí)，產(chǎn)生一些改進(jìn)方案，對(duì)高性能大容量逆變器的應(yīng)用起了重要作用。
目前我國(guó)電動(dòng)機(jī)調(diào)速技術(shù)的特點(diǎn)是以低壓、小容量調(diào)速對(duì)象為主，高壓、高效的變頻調(diào)速裝置以進(jìn)口為主。面對(duì)節(jié)能、改善工藝的迫切需求和巨大的市場(chǎng)前景，國(guó)產(chǎn)高壓大功率變頻器產(chǎn)品的生產(chǎn)還基本上剛剛起步。然而，困難與希望同在，挑戰(zhàn)與機(jī)遇共存。國(guó)際上具有生產(chǎn)、研制新型大功率變頻調(diào)速裝置能力的均是世界知名的大電工電氣公司，由于他們?cè)陔娏﹄娮蛹夹g(shù)發(fā)展的過(guò)程中一直是按部就班進(jìn)行的，形成了從功率半導(dǎo)體器件到整機(jī)生產(chǎn)的全套工業(yè)環(huán)節(jié)，市場(chǎng)慣性和企業(yè)本身的龐大機(jī)構(gòu)使得他們不會(huì)馬上轉(zhuǎn)產(chǎn)全新的產(chǎn)品。而我國(guó)是一個(gè)新興的發(fā)
展中國(guó)家，盡管在老技術(shù)方面有一些投資，但投資相對(duì)較小，包袱不大，可以馬上轉(zhuǎn)入最新技術(shù)的開(kāi)發(fā)和利用，借鑒別人的經(jīng)驗(yàn)，跨過(guò)他們已經(jīng)走過(guò)的路程。
在最新領(lǐng)域取得研究成果的基礎(chǔ)上盡快產(chǎn)業(yè)化，可大大縮短與先進(jìn)國(guó)家的差距，在某些方面甚至還可以超過(guò)他們。從目前看，大容量交流電機(jī)調(diào)速技術(shù)應(yīng)用的時(shí)機(jī)業(yè)已成熟，國(guó)內(nèi)只要在體制改革、生產(chǎn)管理和經(jīng)營(yíng)決策方面走上軌道，其發(fā)展前途不可限量。
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