1概述自從20世紀80年代初日本長岡科技大學的A.Nabae等人首次提出中點鉗位的正極L+、中點M以及中點M、負極L-之間。在理想情況下，兩個電容器的分壓（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年代德國學者Heumann等就己經提出電網端采用自關斷器件的變頻器方案，并首先在德國電力機車牽引的單相變頻器中得到了實際應用。隨著GTO和IGBT等電力電子器件的發展，對中壓范圍的多電平低干擾有源前端（AFE）的研究越來越受到人們的重視。

　　如所示，有源前端AFE由輸入端逆變器TL*TLL連接而成。其工作原理可簡述為：AFE整流單元從電網汲取正弦波交流電壓，經整流后輸出直流電壓，并通過中間回路電容器維持所要求的電壓值。從結構和功能上看，AFE采用了IGBT功率元件來實現整流和逆變的功能，因為它位于電源進線側，所以被稱為前端。其有源的含義是：與傳統的二極管或晶閘管整流技術相比，TL和TLI2的輸出通過直流回路與電動機側的逆變器TLI3和TLI4相連。兩個三電平逆變器TLI3和TLI4的輸出端經抑制零序電流的電感L與交流電機的開路定子繞組串聯。中UIM表示電動機定子電壓的空間矢量。

　　有源前端不再是被動地將交流電轉變成直流電，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，而且不受電網波動的影響，因此具有很好的動態特性。

　　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表示變壓器網側電壓空間矢量、等效電阻和電感，則有源前端及電網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。為了得到電網側的數學模型，可以將電網看作是一個轉子電壓和頻率基本恒定的鼠籠式電動機，當忽略定子電阻和勵磁阻抗時，電網側的空間矢量等效電路如所示。其中，/n，1分別表示網側電流矢量和等效電感的磁鏈矢量。根據，電網側的數學模型可表示為有源前端（AFE）等效電路電網側的空間矢量等效電路式采用基波（50Hz）節拍控制，即每一相IGBT在每個周期內都導通相同的時間，取導通控制角X，則可得到中AFE及電網側相關電壓的對應曲線如所示。相應的計算公式為：a）對直流回路中點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）。這些電壓的導通規律是每個周期正負各導通一次，每次導通持續時間為180*2兄。

　　b所示為零序電壓um的波形，它的值可由式（4）計算出來。

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

　　系（aS坐標系）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°，它們是每半個周期變化10次（是Y-Y和YA變壓器相電壓變化次數的和）的階梯正弦波。

　　AFE網側電壓曲線4電機側雙三電平逆變器及其控制電機側雙三電平變頻器的結構如所示，它是由所示的兩個三電平逆變器串聯而成。其直流回路部分的符號含義與相同。在和TLI4的直流電壓正、負極端子L+和L以及中點電位端子M分別相連，而TLI3的輸出端通過定子繞組開路的交流電動機與TLI4的對應端串聯。TLI3與TLI4的輸出電壓具有180*相移，這樣在電動機定子兩端可以得到比較大的電壓。

　　電機側雙三電平逆變器原理圖電機側雙三電平變頻器采用SPWM控制方式。SPWM的比較函數為兩組4個單極性的三角載波，如所示。其中，UA31，UA32為TLI3的比較函數，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，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，這樣可以在電動機兩端得到比較大的輸出電壓。三角形比較函數的頻率fc是IGBT開關頻率fT的兩倍|41，即/c=2/T. UR是標準正弦波函數。為了避免IGBT比較小時間問題所帶來的誤差，實際采用的函數為Usym，它是通過對標準正弦波函數UR進行對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M之間a相電壓DTLI的輸入端，上、下兩個三電平逆變器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，上述電壓都是正負半波對稱的脈沖波形，變化范圍均在+E-E之間，但互為反相。

　　電動機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為電動機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°。電動機三相定子電壓的瞬時值Ua，Ub，Uc和空間矢量Mtx，up之間的轉換可按公式（8）式（10）計算：電動機三相定子電壓曲線5結束語帶有有源前端AFE的雙三電平變頻器在電網側采用全控器件能夠對電網與變頻器之間的功率流動進行有效調控。AFE的總輸入電流是普通三電平變頻器的兩倍。電動機負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。由于這種拓撲結構的變頻器可以采用低壓開關器件實現高壓輸出，因此特別適用于大功率、高電壓的交流拖動系統。