1概述自从20世纪80年代初日本长冈科技大学的A.Nabae等人首次提出中点钳位的正极L+、中点M以及中点M、负极L-之间。在理想情况下，两个电容器的分压（E）相等，并等于直流回路总电压Ud的一半。

　　二极管钳位的NPC三电平逆变器3有源前端（AFE）及其控制早在70年代德国学者Heumann等就己经提出电网端采用自关断器件的变频器方案，并首先在德国电力机车牵引的单相变频器中得到了实际应用。随着GTO和IGBT等电力电子器件的发展，对中压范围的多电平低干扰有源前端（AFE）的研究越来越受到人们的重视。

　　如所示，有源前端AFE由输入端逆变器TL*TLL连接而成。其工作原理可简述为：AFE整流单元从电网汲取正弦波交流电压，经整流后输出直流电压，并通过中间回路电容器维持所要求的电压值。从结构和功能上看，AFE采用了IGBT功率元件来实现整流和逆变的功能，因为它位于电源进线侧，所以被称为前端。其有源的含义是：与传统的二极管或晶闸管整流技术相比，TL和TLI2的输出通过直流回路与电动机侧的逆变器TLI3和TLI4相连。两个三电平逆变器TLI3和TLI4的输出端经抑制零序电流的电感L与交流电机的开路定子绕组串联。中UIM表示电动机定子电压的空间矢量。

　　有源前端不再是被动地将交流电转变成直流电，而是具备了很多有源的控制功能（例如功率的控制）。它不仅能消除高次谐波，提高功率因数，而且不受电网波动的影响，因此具有很好的动态特性。

　　如前所述，AFE整流器的输入为两组相移为30.的三相交流电压，设Y-Y变压器输入到AFE的电压空间矢量为Uafe1，而Y-A变压器输入到AFE的电压空间矢量为ua*，两个变压器的原边直接相连，则AFE总的输入电压空间矢量Uafe为两个变压器输出电压空间矢量的差为如果分别以mn、R和L表示变压器网侧电压空间矢量、等效电阻和电感，则有源前端及电网的等效电路可用表示。其中，a为三相等值电路，b是用空间矢量表示的等效电路。为了得到电网侧的数学模型，可以将电网看作是一个转子电压和频率基本恒定的鼠笼式电动机，当忽略定子电阻和励磁阻抗时，电网侧的空间矢量等效电路如所示。其中，/n，1分别表示网侧电流矢量和等效电感的磁链矢量。根据，电网侧的数学模型可表示为有源前端（AFE）等效电路电网侧的空间矢量等效电路式采用基波（50Hz）节拍控制，即每一相IGBT在每个周期内都导通相同的时间，取导通控制角X，则可得到中AFE及电网侧相关电压的对应曲线如所示。相应的计算公式为：a）对直流回路中点M的电压，其波形如a所示。同样，也可以得出ua2M，如2和u2M的电压波形（本文未给出）。这些电压的导通规律是每个周期正负各导通一次，每次导通持续时间为180*2兄。

　　b所示为零序电压um的波形，它的值可由式（4）计算出来。

　　压，其波形为每半个周期变化6次的阶梯波（本文未给出）。其他两相电压ubio和ucio也有与uaio相似的变化规律，只是相位不同。YA变压器的二次侧相电压与线电压相等，其波形为每半个周期变化4次的阶梯波，由于不存在零序电压，YA变压器的二次侧相电压的幅值约为Y-Y变压器二次侧相电压幅值的1.5倍。

　　系（aS坐标系）上的a分量和分量，其换算方法见式（6）、式（7），波形如c所示。可以看出，Uafe*超前以*於0°，它们是每半个周期变化10次（是Y-Y和YA变压器相电压变化次数的和）的阶梯正弦波。

　　AFE网侧电压曲线4电机侧双三电平逆变器及其控制电机侧双三电平变频器的结构如所示，它是由所示的两个三电平逆变器串联而成。其直流回路部分的符号含义与相同。在和TLI4的直流电压正、负极端子L+和L以及中点电位端子M分别相连，而TLI3的输出端通过定子绕组开路的交流电动机与TLI4的对应端串联。TLI3与TLI4的输出电压具有180*相移，这样在电动机定子两端可以得到比较大的电压。

　　电机侧双三电平逆变器原理图电机侧双三电平变频器采用SPWM控制方式。SPWM的比较函数为两组4个单极性的三角载波，如所示。其中，UA31，UA32为TLI3的比较函数，二者分别在0+2E和0 2E之间变化且相位差为90°。UA41，UM2为TLI4的比较函数，二者也分别在0+ 2E之间变化且相位互差90*.而UA31与uM1互为反相，这样可以在电动机两端得到比较大的输出电压。三角形比较函数的频率fc是IGBT开关频率fT的两倍|41，即/c=2/T. UR是标准正弦波函数。为了避免IGBT比较小时间问题所带来的误差，实际采用的函数为Usym，它是通过对标准正弦波函数UR进行对称化处理后而得到的151.所示为逆变器TLI3（a）及TLI4（b）的输出端与直流回路中点M之间a相电压DTLI的输入端，上、下两个三电平逆变器TLI3变频器TLI3和TLI4的输出电压（a相）ua3M，Ua4M的波形。可以看出，采用上述SPWM控制策略时，上述电压都是正负半波对称的脉冲波形，变化范围均在+E-E之间，但互为反相。

　　电动机定子电压的仿真波形如所示。a为三相电压ua，ub和U.的波形，是近似的正弦波，相位互差120°。b为电动机定子三相电压的空间矢量和邮的波形，它们也是近似的正弦波，相位互差90°。电动机三相定子电压的瞬时值Ua，Ub，Uc和空间矢量Mtx，up之间的转换可按公式（8）式（10）计算：电动机三相定子电压曲线5结束语带有有源前端AFE的双三电平变频器在电网侧采用全控器件能够对电网与变频器之间的功率流动进行有效调控。AFE的总输入电流是普通三电平变频器的两倍。电动机负载能够得到较为理想的正弦波电压，且其幅值是同样条件下普通三电平变频器的两倍。由于这种拓扑结构的变频器可以采用低压开关器件实现高压输出，因此特别适用于大功率、高电压的交流拖动系统。