一种新型小电容变频器及其调制技术的研究

孟彦京，李宏涛，张君燕

(陕西科技大学，西安 710021)

0 引 言

交流异步电机因其简单的构造、可靠的运行，被广泛应用于市场[1,2]。传统的鼠笼式电机起动时会产生较大的电流，危害电机自身并且污染电网[3]。传统的变频器可以根据现场实际需求，改变工作频率，性能上优于软起动器，实现电机的平滑起动和交流电机的变频调速功能[4-7]。但传统交直交变频器存在滤波电容，使得变频器具有体积大和成本高的缺点，也会给电网带来严重的谐波污染[8]。因此，采用新型的拓扑结构与合理有效的调制技术来提高变频器的输入输出性能成为研究的重要问题[9，10]。

目前，传统的恒压频比控制方式是基于大电解电容的电路结构，可以获得较好的输出性能。这是因为大电容可以消除整流后产生的纹波影响，使得直流电压趋于平稳。文献[11]提出带有反并联二极管逆流电阻无大电解电容的软起动变频器，逆流电阻在电流回馈时产生的压降较大，会损耗一部分能量。文献[12]提出一种带开关回馈电容的变频器，采用SVPWM技术，并选用电容的总容量达到1 000μF以上，与传统变频器相差不大，对减小变频器体积节约成本没有实质性的改善。

本文研究用小电容代替原有的大电容，并将功率开关管与之串联构成新型拓扑结构的变频器。三相全桥逆变电路的调制方式选择SPWM，其作为全控型开关器件的控制信号，得到实际需要的正弦波。本文阐述了新型小电容变频器的工作原理，研究一种新型调制技术并利用实验进行测试，表明此新型变频器结构和调制技术的正确性。

1 小电容交直交变频器的电路结构和工作原理

图1 带有小电容的交直交变频器系统电路图

将中间直流电路的大电解电容替换成小电容Cd1，并在旁边并联一个电容Cd2，Cd2与功率开关管串联，起到控制开关电容的作用，电容的容值根据电机功率不同选择数十至数百微法之间。三相全桥逆变电路的调制方式选择SPWM，以输出正弦波为目的，其作为全控型开关器件的控制信号。控制器将采集到的输入电压和电流信号进行判断，决定器件VT7的开关状态。由于Cd1的值较小，不再起滤波作用，所以整流后输出的波形是具有脉动的六脉波。通过重构SPWM调制技术，将直流母线电压反馈给调制波，使得逆变桥输出电压受整流后电压脉动的影响可以消除。当电流从逆变侧反馈给直流侧时，即Idc<0(电流方向与图1中标示相反)，或直流母线电压大于设定的阈值时，开关管VT7收到控制器信号，此时Cd2开始工作，吸收回馈能量；当电流Idc>0,且直流侧电压Udc小于阈值时，开关管VT7关断，此时只有Cd1工作。

2 三相逆变电路的电流流向分析

传统交直交变频器系统电路结构如图2所示。

图2 传统交直交变频器系统电路结构

三相全桥逆变电路采用脉宽调制(PWM)技术，工作模式分为3种：

(1) 第1种工作模式如图3所示。假设3个开关管上桥臂VT1，VT3，下桥臂VT2同时触发，没有二极管导通(3T，0D)。此时，电流通过VT1，VT2和VT3，VT2形成通路，流向负载，电能由直流侧流向逆变侧，被负载吸收。若VT1，VT3，VT5或VT2，VT4，VT6 3个开关管同时触发，此时没有电流产生。

图3 3个开关管全导通

(2) 第2种工作模式如图4所示。假设2个开关管VT1，VT2和一个二极管VD3导通(2T，1D)。此时，一方面负载通过VT1，VT2从直流电源吸收电能；另一方面负载沿VT1，VD3形成回路，产生环流。

图4 2个开关管和1个二极管导通

(3) 第3种工作模式如图5所示。假设一个开关管VT1和2个二极管VD2，VD3导通(1T，2D)。此时，一方面负载通过VT1，VD3形成回路；另一方面负载能量沿VD2，VD3反馈到电容C中。

图5 1个开关管和2个二极管导通

新型拓扑结构的工作模式也分为3种，前2种与传统变频器一致，第3种如图6所示，一方面负载通过VT1，VD3形成回路；另一方面负载沿VD2，VD3进行反馈，若电流id1为负或Ud>537 V，则导通开关管，Cd2开始工作，吸收回馈能量。

图6 新型拓扑结构的第3种工作模式

3 控制方法研究

3.1 整流波的输出

异步电机的转矩表达式：

E=4.44f1Nkw1Φ1

(1)

三相电源在通过全桥整流电路时，会产生6个带有纹波的电压，称为六脉波,如图7所示。图8为线电压波形，其中实线代表的是整流后的脉动电压。

图7 三相正弦电压波形

图8 直流母线电压波形 假设图8中δ点为Uab的过零点，并以此作为整流桥上的触发点，此时线电压

此时整流后输出的直流母线电压为六脉波，表达式如下：

计算可得：

式(6)中，U0=220 V，所以udcmin=467 V，udcmax=537 V。

当电路中产生能量回馈时，逆变侧产生的电流会流向直流母线，此时母线两端电压会升高，称为泵升电压。而变频器的保护电压为700 V，因此在保证变频器正常工作的前提下，最大泵升电压不应超过700 V。本文出于安全考虑，设变频器保护电压为650 V。

考虑到计算过程的复杂程度，可以设想不存在网侧阻抗以及功率因数对电路的影响;另外也不考虑逆变电路中全控型器件对直流侧产生脉动电压影响。即可令交流负载看作是相同等级的直流负载，可得出)：

将式(7)代入式(4)计算可得，电容的临界值为602μF。若低于计算出来的临界值，那么id是连续的，并且六脉波也是完整的波形。但是电机属于感性负载，逆变电路中开关管动作时会产生能量回馈，流向直流侧时会叠加在六脉波头上，造成电压升高。在能量回馈初始时，电机端可以视为一个初值为额定电流IN的直流源，与小电容形成回路。

3.2 变频调速控制

式(9)代表着标准的正弦调制波，以A相为例，B，C相的相位则依次相差120°。

us1=Ubsin(ωt+θ)

(9)

式中：Ub代表在正弦波下的电压值。

设三相交流电经全桥整流电路后的输出电压是Uin，且其傅里叶级数表达式如下：

式中：UD代表Uin直流分量;Ui代表第i次波的幅值;φi代表第i次波的初相角。

如图9所示，utri代表三角波的电压幅值，us1代表正弦波的电压幅值，UA代表A相的电压。首先假设ftri远远大于fs1，那么我们看作us1和直流母线Uin是一个常数。

图9 一个三角波周期内utri，us1，UA的关系图

式中：Utrm,Utr1分别为三角波信号的波峰值和波谷值，Utrm=-Utr1。

3.3 重构SPWM技术对输出电压谐波影响

4 系统仿真及实验结果

4.1 系统仿真

根据以上分析，总结了新型交直交变频器的原理、方案和控制策略，在MATLAB仿真软件中建立系统模型并进行仿真实验，仿真模型如图10所示。

图10 带开关电容新型变频器系统仿真模型

4.2 仿真结果分析

仿真过程中，通过对传统SPWM分析并进行重构作为新的正弦调制波，作用在逆变桥开关管，并控制其导通与关断。调制波的频率分别设置为30 Hz和80 Hz(基频为50 Hz)，图11为不同频率下电机转速、电磁转矩和定子电流的波形图。

(a) f=30 Hz

(b) f=80 Hz

可以看出，电机负载转矩为40 N·m时，转速平滑上升，转矩和电流波动幅度不大，可工作在不同频率，达到变频调速的功能。

图12、图13所示分别为逆变桥输出的A，B两相之间的线电压uab在传统SPWM技术和重构SPWM技术下的波形与频谱。仿真结果表明，重构SPWM技术作用在带有开关电容的变频器下，线电压

(a) uab波形

(b) uab频谱

(a) uab波形

(b) uab频谱

提高了大约16 V，谐波畸变率减小了大约5%，输出电压波形得到改善，表明此新型变频电路结构及其调制技术的可行性。

从图14的波形来看，新型小电容变频器中间直流母线两端电压没有出现纹波。表明替换后的小电容在新型拓扑结构以及重构SPWM技术下，使整流输出电压与逆变侧直接相通，电机可以实现正常的变频调速。

图14 直流母线电压波形

5 结 语

本文将传统变频器直流母线的滤波电容替换成带有开关作用的小电容，阐述了无功能量回馈时电流的流向，研究出一种小电容交直交变频电路结构，采用重构SPWM技术进行控制，选取电机负载为40 N·m。仿真结果表明，新型小电容交直交变频器以及对调制波重新搭建的技术可以明显地消除变频器的输出电压谐波含量，并且能减小体积节约成本。