矢量控制的理论实质上就是通过数学变换把三相交流电动机的定子电流分解成两个分量：用来产生旋转磁动势的励磁分量和用来产生电磁转矩的转矩分量。然后像控制直流电机那样在同步旋转坐标系上设计和进行磁场与转矩的独立控制，再由变换方程把这些控制结果转换为随时间变化的瞬时变量，达到控制电机转速和转矩的目的。

目前高压大容量电机的变频调速常采用二极管箝位三电平逆变器，能够很好地解决电力电子器件耐压不够高的问题，其控制方式灵活，输出电压的相位和幅值便于调节与控制，而且输出电压的谐波含量低。在三电平逆变器的众多调制方式中，电压空间矢量调制（SVPWM）具有输出电压利用率高、可以有效地平衡中点电压的优点。

本文对三电平逆变器SVPWM异步电机矢量控制系统深入分析，建立了仿真模型，结果验证了方案的正确性，为系统的硬件实现提供了理论基础。

2 矢量控制原理与矢量控制系统框图

矢量控制是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量（励磁电流）和产生转矩的电流分量（转矩电流）分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式为矢量控制方式^[1]。

3 二极管箝位三电平逆变器及SVPWM技术^[3]

近年来，在高压、大功率变换电路中，由IGBT等器件构成的二极管箝位电压型三电平逆变器（如图2所示），引起了越来越多的关注。所谓三电平是指逆变器交流侧每相输出电压相对于直流侧有三种取值，正端电压（+Vdc/2）、负端电压（-Vdc/2）、中点零电压（0）。逆变器每一相需要4个IGBT开关管、4个续流二极管、2个箱位二极管；整个三相逆变器直流侧由两个电容C1、C2串联起来来支撑并均衡直流侧电压，C1=C2。通过一定的开关逻辑控制，交流侧产生三种电平的相电压，在输出端合成正弦波。

三电平开关状态和输出电平如表1所示。表1中X表示U、V或W相，P、N和O分别表示正电平、负电平和零电平。图3所示为三电平逆变电路的空间电压矢量图。三电平逆变电路每一相可以有三种状态P、N和O，三电平逆变电路总共有3³=27种开关状态，对应着27个合成电压矢量。其中24种为工作矢量，PPP、OOO和NNN是零状态，对应的矢量为零矢量，位于原点。图3中所示的六边形有6个扇区（A-F），每个扇区有4个三角形区域（1-4），构成了24个工作区域。

旋转指令电压矢量V^*，将总是运行在大六边形之内。在任一瞬间，这个矢量将在某个三角形区域内，这时对应于这个三角形三个顶点的开关状态将被选择用来产生相应的SVPWM波，即，这时对应于这个三角形三个顶点的开关矢量将被用来合成此时的指令电压矢量V^*。例如，假设指令电压矢量V^*在如图4所示为A扇区的区域3，则所选择的状态是P00/0NN-PON-PP0/ONN，对应的开关矢量为V₁，V₃，V₄。三个矢量作用的时间可由式（5）、式（6）算出：

由仿真波形可知，基于SVPWM控制的三电平逆变器的科输出理想的正弦化电压和电流波形，在空载启动及变负载过程中，较迅速的稳定在给定转速，无超调，稳态精度较高，在启动和加载时，转矩响应较快，转速在转矩变化时出现波动，随后可迅速达到稳定，表明系统具有较好的动态特性与抗扰能力。

5 结语

异步电机矢量控制是高性能调速，三电平逆变器SVPWM算法实用，具有良好的控制效果，将三电平SVPWM技术运用于异步电机矢量控制系统的方案是可行，该系统具有良好的稳态和动态性能，为三电平高性能异步电机控制技术的研究与应用提供了参考依据。

参考文献

[1]刘铁湘.基于MATLAB的无传感器矢量控制系统[J].电力机车与城轨车辆,2004.4.

[2]Bin Wu, High-Power Converters and AC Drives[J]. Published by John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey.2006.1.

[3]李永东等.大容量多电平变换器--原理、控制、应用[M]. 科学技术出版社,2005.10.

作者简介

刘铁湘 （1975—） 硕士 高级工程师 研究方向为电气传动技术