第五節　動車組傳動系統牽引逆變器工作原理

牽引逆變器可以分成電壓源型和電流源型兩種，為同步電機供電的大多采用電流源型逆變器，為異步電動機供電的大多采用電壓源型逆變器，我國高速列車全部采用電壓源型逆變器。根據輸出電平數的不同，電壓源型牽引逆變器又可分為兩電平和三電平兩種。

一、兩電平牽引逆變器主電路構成及工作模式

1.兩電平牽引逆變器主電路構成

兩電平式逆變器主電路如圖2-17所示，每時刻都有三個開關導通，共有T1T2T3，T2T3T4，T3T4T5，T4T5T6，T5T6T1，T6T1T2，T1T3T5和T2T4T6八種導通工作狀態，從而獲得三相對稱輸出電壓波形。

2.兩電平牽引逆變器控制

牽引逆變器采用PWM控制方式，包括正弦PWM、特定諧波消除PWM、滯環電流控制PWM和空間矢量PWM。空間矢量PWM是通過對電壓矢量進行適當的切換控制，就可以用盡可能多的多邊形磁通軌跡來接近理想的磁通圓形軌跡。軌跡越接近于圓，引起的電流、轉矩波動越小，諧波損耗也會下降，電機運行性能也越好。

當逆變器向電動機供電時，可以利用空間矢量概念，建立逆變器開關模式及其輸出電壓與電動機磁鏈之間的關系。然后根據要跟蹤的磁鏈空間矢量的運動軌跡，選擇逆變器的開關模式，使逆變器輸出適當波形的電壓，這就是空間矢量的基本原理。

在復平面建立電壓空間矢量

定子磁鏈空間矢量

轉子磁鏈空間矢量

異步電動機定子電壓空間矢量方程式為

式中　　Us——定子三相電壓合成空間矢量；

Is——定子三相電流合成空間矢量；

ψs——定子三相磁鏈合成空間矢量。

當轉速較高時，定子電阻壓降較小，可忽略不計，則定子電壓與磁鏈的近似關系為

在由三相平衡電壓供電時，電機定子磁鏈空間矢量為

式中　　ψsm——ψs的幅值；

ωs——旋轉角速度。

磁鏈矢量頂端的運動軌跡形成圓形的空間旋轉磁場（一般簡稱為磁鏈圓）。由式（2-15）和式（2-16）可得

由式（2-17）可見，當磁鏈幅值ψsm一定時，Us的大小與ωs（或供電電壓頻率fs）成正比，其方向為磁鏈圓形軌跡的切線方向。當磁鏈矢量的空間旋轉一周時，電壓矢量也連續地沿磁鏈圓的切線方向運動2π弧度，其軌跡與磁鏈圓重合。這樣，電機旋轉磁場的形狀問題就可轉化為電壓空間矢量運動形狀問題。

為了便于分析，電力電子器件采用理想開關表示，定義開關函數為Si（i為A，B，C），則

三相不同開關組合有23=8種工作狀態，當列車運行速度大于額定速度時就是采用這種方式。

對于每一個有效的工作狀態，相電壓都可用一個合成空間矢量表示，其幅值相等，只是相位不同而已。如以Us1，Us2，…，Us6依次表示100，110，…，101六個有效工作狀態的電壓空間矢量，它們的相互關系如圖2-18所示。設逆變器的工作周期從100狀態開始，其電壓空間矢量Us1與x軸同方向，它所存在的時間為π/3。在這段時間以后，工作狀態轉為110。電機的電壓空間矢量為Us2，它在空間上與Us1相差（π/3）rad。隨著逆變器工作狀態的不斷切換，電機電壓空間矢量的相位也作相應的變化。到一個周期，Us6的頂端恰好與Us1的尾端銜接，一個周期的六個電壓空間矢量共轉過2πrad，形成一個封閉的正六邊形。至于111與000這兩個工作狀態，可分別冠以Us7和Us0，并稱之為零矢量，它們的幅值為0，也無相位，可認為坐落在六邊形的中心點上。

交流電機定子磁鏈矢量端點的運動軌跡。對于這個關系，可進一步說明如下。

設在逆變器工作的第一個π/3期間，電機的電壓空間矢量為圖2-19中的Us1。此時定子磁鏈為ψs1。逆變器進入第二個π/3期間，電壓矢量變為Us2，按式（2-15），可寫作

UsΔt=Δψs　　（2-18）

此處Us是Us1～Us6的廣義表示。就第二個工作期間而言，式（2-18）表明在Δψs對應的π/3期間內，在Us2的作用下，ψs1產生增量Δψs1，其|Us2|Δt方向與Us2一致。最終形成圖2-19所示的新的磁鏈矢量ψs2=ψs1+Δψs1，依此類推，可知磁鏈矢量的頂端運動軌跡也是一個正六邊形。

（1）近似圓形旋轉軌跡

常規六拍逆變器供電的異步電機只產生正六邊形的旋轉磁場，顯然這不利于電機的勻速旋轉。如果想獲得更多邊形或逼近圓形的旋轉磁場，就必須有更多的逆變器開關狀態，以形成更多的空間電壓矢量。為此，必須對逆變器的控制模式進行改造。可以利用基本空間電壓矢量的線性組合，以獲得更多的與Us0～Us7相位不同的新的空間電壓矢量，最終構成一組等幅、不同相的空間電壓矢量，從而形成盡可能逼近圓形旋轉磁場的磁鏈多邊形如圖2-20所示。這樣，在一個周期內，逆變器的開關狀態會多次重復出現，逆變器的輸出電壓是一系列等幅不等寬的脈沖波，這就形成了空間電壓矢量控制的PWM逆變器。（圖中小圓圈表示零矢量），空間電壓矢量扇區分布圖如圖2-21所示。

（2）控制模式的應用

在大功率牽引領域，由于功率開關元件的開關頻率有限，因而在整個調速范圍內，須應用空間電壓矢量脈寬調制策略構成多種調制方式，以滿足控制要求。在低頻啟動區段，采用異步調制可充分利用開關器件允許的開關頻率，使磁鏈軌跡逼近理想圓，轉矩脈動小；在輸出頻率較高時，為了保證三相輸出電壓、電流間的對稱性，消除寄生諧波，宜采用同步調制。

同步調制時，不同的矢量擬合方式將得到不同的多邊形磁鏈軌跡和輸出結果，所以應選擇磁鏈對稱高的矢量擬合方式，同步11、5、3分頻及方波工況對應的磁鏈圓軌跡分別如圖2-22（a）、（b）、（c）所示。當逆變器由3分頻工況直接進入方波工況時，輸出電壓的基波分量將突然增大，該增量加在電機定子漏抗上，使電機電流迅速增大。中間直流環節電壓越高，電流增量越大，極易引起系統功率沖擊，影響系統的正常工作，因此必須實現同步3分頻和方波工況之間的平滑轉換，以避免電壓跳變和系統的功率沖擊，折角調制就是一種很好的過渡方案，對應的磁鏈軌跡如圖2-22（d）所示，當傳動系統工作在恒功階段時，一般采用方波運行方式，對應為六邊形磁鏈，如圖2-22（e）所示。

不同調制方法之間轉換時，為保證空間電壓矢量的連續性，轉換時刻宜選擇在前一扇區結束，后一扇區剛開始工作處。過渡過程必須保證逆變器輸出電壓不會發生幅值和相位的跳變。因此應根據轉換前后兩種調制方法的不同，選擇適當的矢量擬合方式進行過渡，這是整個控制過程很重要的一個問題。

二、三電平牽引逆變器

1.主電路結構及工作狀態

三電平三相逆變器電路如圖2-23所示。由于三相橋臂工作過程完全相同，因此以a相橋臂為例進行說明。

兩電平逆變器中相電壓為+0.5Ud、-0.5Ud，三電平逆變器中相電壓為+0.5Ud、0和-0.5Ud。兩電平逆變器中線電壓為+Ud、0和-Ud相比較，三電平逆變器中線電壓為Ud+、+0.5Ud、0、-0.5Ud和-Ud。

忽略中點電位的偏移，可以看到每一個開關器件所承受的電壓均為0.5Ud。

當上橋臂開關器件導通時，即狀態P，下橋臂的開關T13、T14各承受0.5Ud的電壓；當下橋臂開關器件導通時，即狀態N，上橋臂的開關T11、T12、各承受0.5Ud的電壓；當輔助開關器件導通時，即狀態0，主電路中的開關、各承受0.5Ud的電壓。

2.三電平逆變器控制

三電平逆變器控制包括空間電壓矢量控制技術及中點電位平衡控制兩方面。

（1）空間矢量原理

三相三電平逆變器具有33=27個開關狀態。圖2-24給出了對應所有開關狀態的三電平逆變器空間矢量圖，可分為四類矢量。

為了便于分析和控制，將27個開關狀態分為四類矢量，即大六邊形的頂角狀態（PNN，PPN，NPN，NPP，NNP，PNP）對應為大開關矢量；外六邊形各邊的中點對應六個空間矢量為中開關矢量；內六邊形的每一個空間矢量對應著兩種可能的開關狀態，稱為小開關矢量。還有三種可能的零狀態（OOO，PPP，NNN），分別對應于輔助器件的全導通，上臂器件的全導通，以及下臂器件的全導通，稱為零開關矢量。

圖2-24中同時給出了一個旋轉的指令電壓矢量V*（區域1），在欠調制區工作時，這個矢量應該在大六邊形之內。在任一瞬間，這個矢量都在一個三角形內，用這個三角形三個頂點的開關狀態來選擇生成相應的PWM波。當V*位于區域1時，所選擇的狀態可能是（OOO，PPP，NNN，PPO，OON，POO，ONN）。圖2-25給出了相應的對稱PWM波形。其狀態順序為NNN、ONN、OON、OOO、POO、PPO、PPP、PPP、PPO、POO、OOO、OON、ONN、NNN。

當V*位于區域2時，所在三角形頂點狀態為（POO，ONN，PNN、PON），圖2-26給出了相應的對稱PWM波形，其狀態順序為ONN、PNN、PON、POO、POO、PON、PNN和ONN。

當V*位于區域3時，所在三角形頂點狀態為（ONN，OON，PON，POO，PPO），圖2-27給出了相應的對稱PWM波形，其狀態順序為ONN，OON，PON，POO，PPO，PPO，POO，PON，OON和ONN。

當V*位于區域4時，所在三角形頂點狀態為（OON，PON，PPN，PPO），圖2-28給出了相應的對稱PWM波形，其狀態順序為OON，PON，PPN，PPO，PPO，PPN，PON和ONN。

在區域1中輸出PWM波形含有零狀態，區域2、3、4中，不包含有任何零狀態。在所有PWM模式中，開關狀態改變一次只能帶來0.5Ud的變化。

（2）中點電壓控制

三電平逆變器中間電位平衡的控制問題是非常重要的，若中點電位偏移，在輸出電壓中會產生附加的畸變。如果正電流從中點流出，則上端的電容器處于充電狀態，而下端的電容器處于放電狀態，從而降低O點的電位。反之，當電流流入中點時，O點的電位會增加。在大六邊形頂角狀態下（PNN，PPN，NPN，NPP，NNP，PNP）以及零狀態下（OOO，NNN，PPP），沒有中點電流，不會產生中點電位的偏移；而在其他狀態時，中點電位可以通過調節不同開關工作狀態的時間間隔來加以控制。