1概述自從20世紀(jì)80年代初日本長(zhǎng)岡科技大學(xué)的A.Nabae等人首次提出中點(diǎn)鉗位的正極L+、中點(diǎn)M以及中點(diǎn)M、負(fù)極L-之間。在理想情況下，兩個(gè)電容器的分壓（E）相等，并等于直流回路總電壓Ud的一半。

　　二極管鉗位的NPC三電平逆變器3有源前端（AFE）及其控制早在70年代德國(guó)學(xué)者Heumann等就己經(jīng)提出電網(wǎng)端采用自關(guān)斷器件的變頻器方案，并首先在德國(guó)電力機(jī)車牽引的單相變頻器中得到了實(shí)際應(yīng)用。隨著GTO和IGBT等電力電子器件的發(fā)展，對(duì)中壓范圍的多電平低干擾有源前端（AFE）的研究越來(lái)越受到人們的重視。

　　如所示，有源前端AFE由輸入端逆變器TL*TLL連接而成。其工作原理可簡(jiǎn)述為：AFE整流單元從電網(wǎng)汲取正弦波交流電壓，經(jīng)整流后輸出直流電壓，并通過(guò)中間回路電容器維持所要求的電壓值。從結(jié)構(gòu)和功能上看，AFE采用了IGBT功率元件來(lái)實(shí)現(xiàn)整流和逆變的功能，因?yàn)樗挥陔娫催M(jìn)線側(cè)，所以被稱為前端。其有源的含義是：與傳統(tǒng)的二極管或晶閘管整流技術(shù)相比，TL和TLI2的輸出通過(guò)直流回路與電動(dòng)機(jī)側(cè)的逆變器TLI3和TLI4相連。兩個(gè)三電平逆變器TLI3和TLI4的輸出端經(jīng)抑制零序電流的電感L與交流電機(jī)的開路定子繞組串聯(lián)。中UIM表示電動(dòng)機(jī)定子電壓的空間矢量。

　　有源前端不再是被動(dòng)地將交流電轉(zhuǎn)變成直流電，而是具備了很多有源的控制功能（例如功率的控制）。它不僅能消除高次諧波，提高功率因數(shù)，而且不受電網(wǎng)波動(dòng)的影響，因此具有很好的動(dòng)態(tài)特性。

　　如前所述，AFE整流器的輸入為兩組相移為30.的三相交流電壓，設(shè)Y-Y變壓器輸入到AFE的電壓空間矢量為Uafe1，而Y-A變壓器輸入到AFE的電壓空間矢量為ua*，兩個(gè)變壓器的原邊直接相連，則AFE總的輸入電壓空間矢量Uafe為兩個(gè)變壓器輸出電壓空間矢量的差為如果分別以mn、R和L表示變壓器網(wǎng)側(cè)電壓空間矢量、等效電阻和電感，則有源前端及電網(wǎng)的等效電路可用表示。其中，a為三相等值電路，b是用空間矢量表示的等效電路。為了得到電網(wǎng)側(cè)的數(shù)學(xué)模型，可以將電網(wǎng)看作是一個(gè)轉(zhuǎn)子電壓和頻率基本恒定的鼠籠式電動(dòng)機(jī)，當(dāng)忽略定子電阻和勵(lì)磁阻抗時(shí)，電網(wǎng)側(cè)的空間矢量等效電路如所示。其中，/n，1分別表示網(wǎng)側(cè)電流矢量和等效電感的磁鏈?zhǔn)噶俊８鶕?jù)，電網(wǎng)側(cè)的數(shù)學(xué)模型可表示為有源前端（AFE）等效電路電網(wǎng)側(cè)的空間矢量等效電路式采用基波（50Hz）節(jié)拍控制，即每一相IGBT在每個(gè)周期內(nèi)都導(dǎo)通相同的時(shí)間，取導(dǎo)通控制角X，則可得到中AFE及電網(wǎng)側(cè)相關(guān)電壓的對(duì)應(yīng)曲線如所示。相應(yīng)的計(jì)算公式為：a）對(duì)直流回路中點(diǎn)M的電壓，其波形如a所示。同樣，也可以得出ua2M，如2和u2M的電壓波形（本文未給出）。這些電壓的導(dǎo)通規(guī)律是每個(gè)周期正負(fù)各導(dǎo)通一次，每次導(dǎo)通持續(xù)時(shí)間為180*2兄。

　　b所示為零序電壓um的波形，它的值可由式（4）計(jì)算出來(lái)。

　　壓，其波形為每半個(gè)周期變化6次的階梯波（本文未給出）。其他兩相電壓ubio和ucio也有與uaio相似的變化規(guī)律，只是相位不同。YA變壓器的二次側(cè)相電壓與線電壓相等，其波形為每半個(gè)周期變化4次的階梯波，由于不存在零序電壓，YA變壓器的二次側(cè)相電壓的幅值約為Y-Y變壓器二次側(cè)相電壓幅值的1.5倍。

　　系（aS坐標(biāo)系）上的a分量和分量，其換算方法見式（6）、式（7），波形如c所示。可以看出，Uafe*超前以*於0°，它們是每半個(gè)周期變化10次（是Y-Y和YA變壓器相電壓變化次數(shù)的和）的階梯正弦波。

　　AFE網(wǎng)側(cè)電壓曲線4電機(jī)側(cè)雙三電平逆變器及其控制電機(jī)側(cè)雙三電平變頻器的結(jié)構(gòu)如所示，它是由所示的兩個(gè)三電平逆變器串聯(lián)而成。其直流回路部分的符號(hào)含義與相同。在和TLI4的直流電壓正、負(fù)極端子L+和L以及中點(diǎn)電位端子M分別相連，而TLI3的輸出端通過(guò)定子繞組開路的交流電動(dòng)機(jī)與TLI4的對(duì)應(yīng)端串聯(lián)。TLI3與TLI4的輸出電壓具有180*相移，這樣在電動(dòng)機(jī)定子兩端可以得到比較大的電壓。

　　電機(jī)側(cè)雙三電平逆變器原理圖電機(jī)側(cè)雙三電平變頻器采用SPWM控制方式。SPWM的比較函數(shù)為兩組4個(gè)單極性的三角載波，如所示。其中，UA31，UA32為TLI3的比較函數(shù)，二者分別在0+2E和0 2E之間變化且相位差為90°。UA41，UM2為TLI4的比較函數(shù)，二者也分別在0+ 2E之間變化且相位互差90*.而UA31與uM1互為反相，這樣可以在電動(dòng)機(jī)兩端得到比較大的輸出電壓。三角形比較函數(shù)的頻率fc是IGBT開關(guān)頻率fT的兩倍|41，即/c=2/T. UR是標(biāo)準(zhǔn)正弦波函數(shù)。為了避免IGBT比較小時(shí)間問題所帶來(lái)的誤差，實(shí)際采用的函數(shù)為Usym，它是通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)正弦波函數(shù)UR進(jìn)行對(duì)稱化處理后而得到的151.所示為逆變器TLI3（a）及TLI4（b）的輸出端與直流回路中點(diǎn)M之間a相電壓DTLI的輸入端，上、下兩個(gè)三電平逆變器TLI3變頻器TLI3和TLI4的輸出電壓（a相）ua3M，Ua4M的波形。可以看出，采用上述SPWM控制策略時(shí)，上述電壓都是正負(fù)半波對(duì)稱的脈沖波形，變化范圍均在+E-E之間，但互為反相。

　　電動(dòng)機(jī)定子電壓的仿真波形如所示。a為三相電壓ua，ub和U.的波形，是近似的正弦波，相位互差120°。b為電動(dòng)機(jī)定子三相電壓的空間矢量和郵的波形，它們也是近似的正弦波，相位互差90°。電動(dòng)機(jī)三相定子電壓的瞬時(shí)值Ua，Ub，Uc和空間矢量Mtx，up之間的轉(zhuǎn)換可按公式（8）式（10）計(jì)算：電動(dòng)機(jī)三相定子電壓曲線5結(jié)束語(yǔ)帶有有源前端AFE的雙三電平變頻器在電網(wǎng)側(cè)采用全控器件能夠?qū)﹄娋W(wǎng)與變頻器之間的功率流動(dòng)進(jìn)行有效調(diào)控。AFE的總輸入電流是普通三電平變頻器的兩倍。電動(dòng)機(jī)負(fù)載能夠得到較為理想的正弦波電壓，且其幅值是同樣條件下普通三電平變頻器的兩倍。由于這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變頻器可以采用低壓開關(guān)器件實(shí)現(xiàn)高壓輸出，因此特別適用于大功率、高電壓的交流拖動(dòng)系統(tǒng)。