多电平逆变器(multi-level inverters)具有开关频率低、谐波含量低、输出性能好等优势而广泛运用在大功率交流调速场合。本文以3H桥型五电平逆变器及电励磁同步电机(electrical synchronous motor, ESM)为研究对象，对多电平逆变器的拓扑结构、调制策略、共模电压、功率开关器件及单元模块之间的功率平衡、死区效应、3H桥型五电平逆变器控制系统等方面展开研究。首先，分析3H桥型拓扑结构的工作模式，重点分析适用于该种拓扑结构的PWM调制策略：载波调制策略(SPWM)和空间矢量调制策略(SVPWM)。结合H桥拓扑结构，针对传统载波层叠策略(CDPWM)的各开关切换次数不一致、桥臂间输出功率不平衡等问题，本文对载波带频率变化调制策略(CVFPWM)展开研究，仿真结果验证了该方法的可行性。但是，当其向级联多电平扩展时，存在编程实现难、开关损耗大等问题。因此，本文着重介绍载波移相调制策略(PSCPWM)，对其输出波形进行仿真验证和谐波分析，该方法可以有效解决开关损耗大、桥臂间及单元模块间的输出功率平衡等问题。由于上述调制策略的直流侧电压利用率不高，因此，可在调制波中注入零序分量，该调制策略可以提高15%的直流侧电压利用率，仿真结果验证了该方法的有效性。由于传统SVPWM存在大量的三角函数和复杂的公式计算，介绍了一种基于线电压坐标系的通用SVPWM算法，该方法实现简单、易于向高电平扩展。在此基础上分析共模电压的抑制问题，给出七段式SVPWM算法，并对其进行仿真和实验验证。在五电平调制策略的基础上，分析SPWM与SVPWM之间存在的本质关系。分析五电平逆变器在输出低压、低频时的死区效应，给出一种基于脉冲和差值电压协同补偿的补偿策略。仿真和实验验证了该方法的有效性。其次，对同步电机磁链定向控制原理进行分析，分析了三种磁链定向控制下的数学模型。介绍了电流、电压综合磁链观测器，基于Matlab/Simulink仿真环境，搭建气隙磁链定向控制下的3H桥型五电平同步电机矢量控制仿真平台，仿真结果验证了3H桥型五电平变流器带电机负载的可行性。最后，搭建了3H桥型五电平变流器平台，给出了主电路器件选型的具体步骤及控制系统软件实现流程图。并对五电平控制系统调试和实验验证，完成阻感负载和电机负载的实验。