永磁同步电机矢量控制（三电平）——浅谈三电平逆变器

Posted 2022-12-05 Sk Electronics

  由于前几天比较忙，这期更新有点迟了！！不过没关系，在新的章节会保持每周更新1~2篇博文。

0 前言

这期我们开始新的章节——永磁同步电机矢量控制（三电平）。

记得前两三周我在做三电平的PMSM矢量控制仿真时，遇到各种各样的问题真的是欲哭无泪！！！找遍各种资料，搜了很多论文、CSDN博客、各大论坛，硬是找不到详细的相关教程，要么都是错的，要么都是模棱两可的。最后花了将近一周的时间，绕了很大弯才找到问题所在并成功解决！！为了给小伙伴们提供捷径，于是我就在这写写关于PMSM三电平的重点，其他的和两电平相同之处就不再赘述。

在这章节就分为三期来写：

1. 浅谈三电平逆变器。包括什么是三电平逆变器？有什么作用和好处？具体的工作原理是怎样的？
2. 三电平传统SVPWM调制算法原理。这个非常重要，关乎整个仿真模型和控制系统的性能，能不能正常工作就看这里。我会详细讲解三电平SVPWM的算法原理。
3. 仿真模型和仿真结果。包括整个仿真模型的整理结构，仿真结果展示。可能有些同学会想，你不讲讲那些PI参数整定啥的吗？是的，这里不需要讲，因为这个双闭环的PI参数推导跟两电平完全一样的，直接参考我前面写的两电平博文即可。

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不多说，直奔主题

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1 三电平逆变器

三电平逆变器，顾名思义就输出的电压有三个电平，即正电平、负电平和零电平。它是多电平逆变器最基本的结构。而传统两电平逆变器只有正电平和负电平。

相比起两电平逆变器，三电平有优势更多：1.从输出波形上来看，三电平的波形更像正弦波，因此它的谐波更少，电能质量更高。2.开关管所承受的电压更少，EMI问题大大减轻。总而言之，当开关器件工作在较低频率下也能够保持较好的输出波形，开关损耗更少，电源转化效率更高！！并且已经应用在各种场合。

目前多电平逆变器实际上用得比较多的是三电平和五电平，已经应用在各种领域，比如新能源发电、电动汽车等等。我们在这里就用来控制永磁同步电机。仿真效果相比，三电平比两电平的相电流更加平滑，转化效率更高！！

2 传统三电平逆变器类型

传统三电平逆变器类型分为三种：中性点钳位型（NPC）、飞跨电容型（FC）和级联型（CHB）。

由于飞跨电容型会增加电容数，需要控制其电容保持一定电压，这会增大控制难度；级联型由于需要更多的独立直流源，也限制了它的应用。所以我们在此就选择这个中性点钳位型作为三电平逆变器的主电路。

3 三电平逆变器工作原理（中性点钳位型）

控制PMSM的主电路由3个完全相同的一相电路组成。每一相都需要4个开关管和2个钳位二极管。通过合理控制各相开关管的状态，即可输出三电平三相电压来驱动PMSM；再通过结合调制算法和闭环控制策略，即可完成PMSM的转速控制。

为了更直观的描述三电平结构的工作原理，我们以A相为例。

假设电路元件都是理想的，直流母线电容C1和C2的容值无穷大，在分析时可等效两个幅值为0.5Vdc的直流电压源。取两个电容中间连接点o点电位为参考地。电路工作原理有三种状态：

1. 正电平输出+0.5Vdc：开关管T1和T2同时导通时，T3和T4同时关断，若正向电流从逆变电路流向负载，即p点电位经过T1和T2到达uo，输出端uo的电位等于p点电位，为+0.5Vdc；若感性反向电流从负载流向逆变电路，电流从uo端经过T1和T2的寄生续流二极管到达p点，此时uo端的电位仍然等于p点电位。
2. 零电平输出0Vdc：开关管T2和T3同时导通时，T1和T4同时关断，若正向电流从逆变电路流向负载，即o点电位经过D1和T2到达uo，输出端uo的电位等于o点电位，为0Vdc；若感性反向电流从负载流向逆变电路，电流从uo经过T3和D2到达o点，此时uo端的电位仍然等于o点电位。
3. 负电平输出-0.5Vdc：开关管T3和T4同时导通时，T1和T2同时关断，若正向电流从逆变电路流向负载，即n点电位经过T4和T3的寄生续流二极管到达uo，输出端uo的电位等于n点电位，为-0.5Vdc；若感性反向电流从负载流向逆变电路，电流从uo端经过T3和T4到达n点，此时uo端的电位仍然等于n点电位。

注意：原则上不允许T1和T4同时导通，否则会出现短路现象！！！！

为了后续下一期方便分析三相SVPWM调制算法原理，我们可以做个表格总结一下三电平的而工作原理！

其中这里“1”表示导通，“0”表示关断，由此可见在一个输出周期，通过控制开关管导通关断即可输出三电平，同理在三相电路中。

4 总结

相信同学们看完这期的博文，对三电平有大致了解了，那么在后面做调制算法和闭环控制策略都相对好上手。。

我们总结一下，这期有三个重点：

1. 三电平和两电平波形的区别。
2. 三电平的电路类型。
3. 中性点钳位型的工作原理。