第五节　动车组传动系统牵引逆变器工作原理

牵引逆变器可以分成电压源型和电流源型两种，为同步电机供电的大多采用电流源型逆变器，为异步电动机供电的大多采用电压源型逆变器，我国高速列车全部采用电压源型逆变器。根据输出电平数的不同，电压源型牵引逆变器又可分为两电平和三电平两种。

一、两电平牵引逆变器主电路构成及工作模式

1.两电平牵引逆变器主电路构成

两电平式逆变器主电路如图2-17所示，每时刻都有三个开关导通，共有T1T2T3，T2T3T4，T3T4T5，T4T5T6，T5T6T1，T6T1T2，T1T3T5和T2T4T6八种导通工作状态，从而获得三相对称输出电压波形。

2.两电平牵引逆变器控制

牵引逆变器采用PWM控制方式，包括正弦PWM、特定谐波消除PWM、滞环电流控制PWM和空间矢量PWM。空间矢量PWM是通过对电压矢量进行适当的切换控制，就可以用尽可能多的多边形磁通轨迹来接近理想的磁通圆形轨迹。轨迹越接近于圆，引起的电流、转矩波动越小，谐波损耗也会下降，电机运行性能也越好。

当逆变器向电动机供电时，可以利用空间矢量概念，建立逆变器开关模式及其输出电压与电动机磁链之间的关系。然后根据要跟踪的磁链空间矢量的运动轨迹，选择逆变器的开关模式，使逆变器输出适当波形的电压，这就是空间矢量的基本原理。

在复平面建立电压空间矢量

定子磁链空间矢量

转子磁链空间矢量

异步电动机定子电压空间矢量方程式为

式中　　Us——定子三相电压合成空间矢量；

Is——定子三相电流合成空间矢量；

ψs——定子三相磁链合成空间矢量。

当转速较高时，定子电阻压降较小，可忽略不计，则定子电压与磁链的近似关系为

在由三相平衡电压供电时，电机定子磁链空间矢量为

式中　　ψsm——ψs的幅值；

ωs——旋转角速度。

磁链矢量顶端的运动轨迹形成圆形的空间旋转磁场（一般简称为磁链圆）。由式（2-15）和式（2-16）可得

由式（2-17）可见，当磁链幅值ψsm一定时，Us的大小与ωs（或供电电压频率fs）成正比，其方向为磁链圆形轨迹的切线方向。当磁链矢量的空间旋转一周时，电压矢量也连续地沿磁链圆的切线方向运动2π弧度，其轨迹与磁链圆重合。这样，电机旋转磁场的形状问题就可转化为电压空间矢量运动形状问题。

为了便于分析，电力电子器件采用理想开关表示，定义开关函数为Si（i为A，B，C），则

三相不同开关组合有23=8种工作状态，当列车运行速度大于额定速度时就是采用这种方式。

对于每一个有效的工作状态，相电压都可用一个合成空间矢量表示，其幅值相等，只是相位不同而已。如以Us1，Us2，…，Us6依次表示100，110，…，101六个有效工作状态的电压空间矢量，它们的相互关系如图2-18所示。设逆变器的工作周期从100状态开始，其电压空间矢量Us1与x轴同方向，它所存在的时间为π/3。在这段时间以后，工作状态转为110。电机的电压空间矢量为Us2，它在空间上与Us1相差（π/3）rad。随着逆变器工作状态的不断切换，电机电压空间矢量的相位也作相应的变化。到一个周期，Us6的顶端恰好与Us1的尾端衔接，一个周期的六个电压空间矢量共转过2πrad，形成一个封闭的正六边形。至于111与000这两个工作状态，可分别冠以Us7和Us0，并称之为零矢量，它们的幅值为0，也无相位，可认为坐落在六边形的中心点上。

交流电机定子磁链矢量端点的运动轨迹。对于这个关系，可进一步说明如下。

设在逆变器工作的第一个π/3期间，电机的电压空间矢量为图2-19中的Us1。此时定子磁链为ψs1。逆变器进入第二个π/3期间，电压矢量变为Us2，按式（2-15），可写作

UsΔt=Δψs　　（2-18）

此处Us是Us1～Us6的广义表示。就第二个工作期间而言，式（2-18）表明在Δψs对应的π/3期间内，在Us2的作用下，ψs1产生增量Δψs1，其|Us2|Δt方向与Us2一致。最终形成图2-19所示的新的磁链矢量ψs2=ψs1+Δψs1，依此类推，可知磁链矢量的顶端运动轨迹也是一个正六边形。

（1）近似圆形旋转轨迹

常规六拍逆变器供电的异步电机只产生正六边形的旋转磁场，显然这不利于电机的匀速旋转。如果想获得更多边形或逼近圆形的旋转磁场，就必须有更多的逆变器开关状态，以形成更多的空间电压矢量。为此，必须对逆变器的控制模式进行改造。可以利用基本空间电压矢量的线性组合，以获得更多的与Us0～Us7相位不同的新的空间电压矢量，最终构成一组等幅、不同相的空间电压矢量，从而形成尽可能逼近圆形旋转磁场的磁链多边形如图2-20所示。这样，在一个周期内，逆变器的开关状态会多次重复出现，逆变器的输出电压是一系列等幅不等宽的脉冲波，这就形成了空间电压矢量控制的PWM逆变器。（图中小圆圈表示零矢量），空间电压矢量扇区分布图如图2-21所示。

（2）控制模式的应用

在大功率牵引领域，由于功率开关元件的开关频率有限，因而在整个调速范围内，须应用空间电压矢量脉宽调制策略构成多种调制方式，以满足控制要求。在低频启动区段，采用异步调制可充分利用开关器件允许的开关频率，使磁链轨迹逼近理想圆，转矩脉动小；在输出频率较高时，为了保证三相输出电压、电流间的对称性，消除寄生谐波，宜采用同步调制。

同步调制时，不同的矢量拟合方式将得到不同的多边形磁链轨迹和输出结果，所以应选择磁链对称高的矢量拟合方式，同步11、5、3分频及方波工况对应的磁链圆轨迹分别如图2-22（a）、（b）、（c）所示。当逆变器由3分频工况直接进入方波工况时，输出电压的基波分量将突然增大，该增量加在电机定子漏抗上，使电机电流迅速增大。中间直流环节电压越高，电流增量越大，极易引起系统功率冲击，影响系统的正常工作，因此必须实现同步3分频和方波工况之间的平滑转换，以避免电压跳变和系统的功率冲击，折角调制就是一种很好的过渡方案，对应的磁链轨迹如图2-22（d）所示，当传动系统工作在恒功阶段时，一般采用方波运行方式，对应为六边形磁链，如图2-22（e）所示。

不同调制方法之间转换时，为保证空间电压矢量的连续性，转换时刻宜选择在前一扇区结束，后一扇区刚开始工作处。过渡过程必须保证逆变器输出电压不会发生幅值和相位的跳变。因此应根据转换前后两种调制方法的不同，选择适当的矢量拟合方式进行过渡，这是整个控制过程很重要的一个问题。

二、三电平牵引逆变器

1.主电路结构及工作状态

三电平三相逆变器电路如图2-23所示。由于三相桥臂工作过程完全相同，因此以a相桥臂为例进行说明。

两电平逆变器中相电压为+0.5Ud、-0.5Ud，三电平逆变器中相电压为+0.5Ud、0和-0.5Ud。两电平逆变器中线电压为+Ud、0和-Ud相比较，三电平逆变器中线电压为Ud+、+0.5Ud、0、-0.5Ud和-Ud。

忽略中点电位的偏移，可以看到每一个开关器件所承受的电压均为0.5Ud。

当上桥臂开关器件导通时，即状态P，下桥臂的开关T13、T14各承受0.5Ud的电压；当下桥臂开关器件导通时，即状态N，上桥臂的开关T11、T12、各承受0.5Ud的电压；当辅助开关器件导通时，即状态0，主电路中的开关、各承受0.5Ud的电压。

2.三电平逆变器控制

三电平逆变器控制包括空间电压矢量控制技术及中点电位平衡控制两方面。

（1）空间矢量原理

三相三电平逆变器具有33=27个开关状态。图2-24给出了对应所有开关状态的三电平逆变器空间矢量图，可分为四类矢量。

为了便于分析和控制，将27个开关状态分为四类矢量，即大六边形的顶角状态（PNN，PPN，NPN，NPP，NNP，PNP）对应为大开关矢量；外六边形各边的中点对应六个空间矢量为中开关矢量；内六边形的每一个空间矢量对应着两种可能的开关状态，称为小开关矢量。还有三种可能的零状态（OOO，PPP，NNN），分别对应于辅助器件的全导通，上臂器件的全导通，以及下臂器件的全导通，称为零开关矢量。

图2-24中同时给出了一个旋转的指令电压矢量V*（区域1），在欠调制区工作时，这个矢量应该在大六边形之内。在任一瞬间，这个矢量都在一个三角形内，用这个三角形三个顶点的开关状态来选择生成相应的PWM波。当V*位于区域1时，所选择的状态可能是（OOO，PPP，NNN，PPO，OON，POO，ONN）。图2-25给出了相应的对称PWM波形。其状态顺序为NNN、ONN、OON、OOO、POO、PPO、PPP、PPP、PPO、POO、OOO、OON、ONN、NNN。

当V*位于区域2时，所在三角形顶点状态为（POO，ONN，PNN、PON），图2-26给出了相应的对称PWM波形，其状态顺序为ONN、PNN、PON、POO、POO、PON、PNN和ONN。

当V*位于区域3时，所在三角形顶点状态为（ONN，OON，PON，POO，PPO），图2-27给出了相应的对称PWM波形，其状态顺序为ONN，OON，PON，POO，PPO，PPO，POO，PON，OON和ONN。

当V*位于区域4时，所在三角形顶点状态为（OON，PON，PPN，PPO），图2-28给出了相应的对称PWM波形，其状态顺序为OON，PON，PPN，PPO，PPO，PPN，PON和ONN。

在区域1中输出PWM波形含有零状态，区域2、3、4中，不包含有任何零状态。在所有PWM模式中，开关状态改变一次只能带来0.5Ud的变化。

（2）中点电压控制

三电平逆变器中间电位平衡的控制问题是非常重要的，若中点电位偏移，在输出电压中会产生附加的畸变。如果正电流从中点流出，则上端的电容器处于充电状态，而下端的电容器处于放电状态，从而降低O点的电位。反之，当电流流入中点时，O点的电位会增加。在大六边形顶角状态下（PNN，PPN，NPN，NPP，NNP，PNP）以及零状态下（OOO，NNN，PPP），没有中点电流，不会产生中点电位的偏移；而在其他状态时，中点电位可以通过调节不同开关工作状态的时间间隔来加以控制。