Санкт-Петербург

Ключевые слова: многоуровневые преобразователи частоты, алгоритмы управления, приборный 
электропривод, силовая электроника, инверторы напряжения. 
На сегодняшний день в связи с развитием силовых полупроводниковых ключей и 
повышением требований к качеству потребляемой из сети электроэнергии многоуровневые 
инверторы напряжения находят все более широкое применение в различные системах 
электропитания, в том числе в прецизионных регулируемых электроприводах [1, 2]. 
Основными достоинствами многоуровневых топологий преобразователей частоты являются 
снижение уровня высших гармоник в выходном напряжении и токе инвертора, а также 
увеличение диапазона регулирования напряжения на нагрузке, что обеспечивается за счет 
сочетания в преобразователе двух типов модуляции: амплитудной и широтно-импульсной, 
что позволяет достичь высокого качества регулирования скорости и момента в 
электроприводах переменного тока [3, 4]. Однако улучшение гармонического состава 
формируемого напряжения и тока, а также потребляемого тока инвертором, достигается не 
только за счет применения многоуровневых топологий преобразователей, но и за счет 
использования различных алгоритмов управления силовыми ключами. При этом следует 
учитывать, что увеличение числа уровней приводит к усложнению алгоритмов управления, 
что обусловлено увеличением количества полупроводниковых ключей преобразователя и, в 
свою очередь, является одним из основных недостатков таких устройств [5]. 
Целью данной работы являлась разработка оптимального алгоритма управления 
многоуровневым инвертором напряжения, обеспечивающего наименьший уровень 
пульсаций электромагнитного момента двигателей переменного тока. 
Величина пульсаций электромагнитного момента непосредственно связана с качеством 
формируемого преобразователем тока статора. Таким образом, для минимизации пульсаций 
момента двигателя следует обеспечить как можно лучший гармонический состав 
формируемого тока статора. При этом следует учитывать, что, так как величина момента 
двигателя пропорциональна обобщенному вектору тока статора, то оценку качества 
формируемого преобразователем тока корректней производить посредством коэффициента 
вариации, который определяется как отношение действующего значения всех гармоник 
обобщенного вектора тока статора к среднему значению его модуля [4]: 

---

Альманах научных работ молодых ученых 
XLVII научной и учебно-методической конференции Университета ИТМО. Том 1 
274 


1
2
1 0
1
( )
T
I t
I
dt
T
CV
I



, 
(1) 
где 
1
1 0
1
( )
T
I
I t dt
T


– среднее значение модуля вектора тока статора за время T
1
. 
Для того чтобы произвести сравнительный анализ качества тока статора, 
формируемого с помощью пятиуровневого каскадного преобразователя частоты с 
использованием различных алгоритмов широтно-импульсной модуляции (ШИМ), в пакете 
программ MATLAB/Simulink были реализованы соответствующие математические модели. 
В основе пространственно-векторной модуляции заложено представление возможных 
состояний инвертора в виде базовых векторов, которые разбивают плоскость между 
фазными осями на треугольные сегменты и секторы, образующие равносторонние 
треугольники с концами соответствующих векторов в вершинах. При этом сигнал модуляции 
также представляется вектором, который, вращаясь внутри ограниченной базовыми 
векторами области, представляющей собой шестигранник, формирует мгновенные фазные 
напряжения в виде проекций на соответствующие фазные оси. На рис. 1 представлено 
разбиение плоскости базовых векторов для пятиуровневого инвертора напряжения. Числа в 
вершинах векторов обозначают соответствующие состояния каждой из фазных стоек 
преобразователя. 
Рис. 1. Плоскость базовых векторов пятиуровневого инвертора напряжения 
Для формирования требуемого напряжения в фазах инвертора, равного проекциям 
вектора модуляции 
*
*
*
j
U
U e


на соответствующие фазные оси, необходимо 
последовательно формировать базовые вектора сегмента, в котором находится конец вектора 
модуляции, с длительностями, пропорциональными косоугольным проекциям вектора 
модуляции на соответствующие стороны сегмента. Длительности включения каждого из 
векторов в сумме дают период модуляции 
const
c
T

. Соответственно, в функции 
микроконтроллера входят задачи вычисления сегмента и сектора, в которых находится 
вектор модуляции, а также требуемых длительностей формирования базовых векторов [4]. 
В ходе реализации алгоритма пространственно-векторной ШИМ следует обязательно 
учитывать то, что изменение последовательности формирования базовых векторов за период 

---

Альманах научных работ молодых ученых 
XLVII научной и учебно-методической конференции Университета ИТМО. Том 1 
275 
модуляции может приводить к увеличению уровня пульсаций выходного тока инвертора, что 
необходимо учитывать при изменении направления вращения вектора модуляции. 
На рис. 2 приведены полученные результаты моделирования для идентичных значений 
индекса модуляции амплитуды. В данной работе рассмотрены четыре алгоритма 
формирования сигналов управления силовыми ключами преобразователя частоты: 
пространственно-векторная модуляции (ПВМ), ШИМ с пассивной фазой (ШИМ
ПФ
), ШИМ с 
предмодуляцией третьей гармоникой (ШИМ
Пр3г
), а также синусоидальная ШИМ (ШИМ
син
). 
Рис. 2. Зависимость коэффициент вариации вектора тока статора от индексам модуляции 
амплитуды для различных алгоритмов ШИМ 
Из представленных результатов моделирования можно сделать вывод, что в 
регулируемых электроприводах переменного тока применение ШИМ с предмодуляцией 
третьей гармоникой является предпочтительнее, так как данный алгоритм обеспечивает 
меньший коэффициент вариации вектора тока статора во всем диапазоне изменения индекса 
модуляции амплитуды, что, в свою очередь, обеспечивает меньший уровень пульсаций 
электромагнитного момента.