一种无滤波电容的三相变频器及其控制方法

邹亮平

(南京优科思软件有限公司，江苏 南京 210000）

通常的三相变频器都包含交流变直流（整流），直流变交流（逆变）二大主要部分。整流后的直流含有交流成分（纹波），需要用高压大容量的电解电容来滤波并提高直流母线电压平均值。但电容滤波会导致负载电流脉动，降低了电路功率因数。同时，滤波电解电容体积大，本身成本高还需增加充电保护电路，铝电解电容本身的可靠性和寿命也是导致变频器产品质量问题的根源之一。

如果能实现三相交流电源整流后不采用电解电容滤波，直接供逆变电路，将能提高变频器的功率因数、有效降低变频器成本、减少产品体积、提高变频器寿命。但省略大容量的滤波电解电容导致的问题是直流母线电压含大量300Hz 纹波，直接逆变会引起变频器输出电压波形严重畸变，且直流母线平均电压低，最大变频输出电压无法达到三相电源电压有效值（实际降低了电动机负载的最大功率）。本文提出一种无滤波电容的三相变频器，采用基于纹波消除和波形同步的技术，三相变频器输出功率的调节采用变频（低速段）、调压（高速段）结合，在无滤波电容的情况下，三相感应电机负载电压正弦波形失真度小，并可实现工频满功率运行。与传统变频器的区别在于：变频器最大电压时，输出频率不能高于工频50Hz；接近工频50Hz 的高速段，采用定频调压方式调速，可以实现工频满功率运行。这种变频器非常适合用于驱动风机、水泵负载的鼠笼式三相感应电机的调速。

1 无滤波电容的三相变频器组件介绍

如图1 所示，本文提出了一种无滤波电容的三相变频器，其组件包括：

（1）三相整流桥电路：三相整流桥电路用于将50Hz 交流电压变换为直流电压。

（2）电源同步信号采集电路：电源同步信号采集电路用于采集50Hz 交流电压的过零点（用于输出波形与输入波形的同步）。

（3）母线波纹采集电路：母线波纹采集电路用于采集三相整流桥电路输出直流电的波纹电压（用于采集电源电压的变化，并用于逆变算法中消除纹波的运算处理）。

（4）单片机：单片机内设有三相PWM 发生器，单片机与电源同步信号采集电路、母线波纹采集电路连接，三相PWM发生器的单片机从外部接口电路接受频率输出命令或传感器反馈值，计算出需要逆变产生的频率和电压。

（5）低速变频控制软件模块：当变频器需要输出的电压低于直流母线电压的峰谷时，低速变频控制模块采用V/F 恒定的恒磁通变频控制法控制变频器工作（同时，采用纹波消除算法，消除直流纹波引起的输出电流正弦波畸变）。

（6）中速变频控制软件模块：当变频器需要输出的电压高于直流母线电压的峰谷时，中速变频控制模块采用恒定输出电压在直流电压的峰谷，频率变化的控制方法控制变频器工作（同时，采用纹波消除算法，消除直流纹波引起的输出电流正弦波畸）。

（7）高速变频控制软件模块，当变频器需要输出的频率达到工频后，高速变频控制模块根据电源同步信号采集电路捕捉到的电压过零时刻，使变频器输出的电压波形与交流电源同步，不再使用纹波消除算法，直接利用纹波电压波峰来同步产生逆变输出电压的波峰，这样工频输出最大电压有效值能达到电源电压有效值，实现电机负载满功率运行。

图1 变频器组件

（8）IGBT 三相全桥及驱动模块：单片机内置的三相PWM发生器采用电压空间矢量法根据所需交流电压的频率、电压、相位计算出三对互补的PWM 控制信号控制IGBT 全桥驱动模块，驱动三相IGBT 桥将直流母线电压逆变为三相交流电压。

2 无滤波电容的三相变频器控制原理及算法

本文中的无滤波电容三相变频器采用的电压空间矢量法是从电动机的角度出发，着眼于使电机获得幅值恒定的圆形磁场，即正弦磁通。它以三相对称正弦波电压供电时交流电动机的理想圆形磁通轨迹为目标基准，用三相功率逆变器的六个功率开关元件组成的特定开关模式产生的脉宽调制波，产生的实际磁通逼近基准磁通圆，从而能够使输出电流波形尽可能接近理想的正弦波形。

逆变器三相桥臂共有6 个开关管，各相上下桥臂不同开关组合时逆变器输出的空间电压矢量的全部可能组合共有八个，包括6 个非零矢量Ul(001)、U2(010)、U3(011)、U4(100)、U5(101)、U6(110) 和 两 个 零 矢 量U0(000)、U7(111)，如图2 所示（1 表示上桥臂开，下桥臂关；0 表示上桥臂关，下桥臂开）。

其中，非零矢量的幅值相同，相邻的矢量间隔60°，而两个零矢量幅值为零，位于中心。在每个扇区，选择相邻的两个电压矢量以及零矢量，按照伏秒平衡的原则得出相邻两个电压矢量在PWM 周期内的时间占比来合成每个扇区内的任意电压矢量（中间插入零矢量来减少IGBT 的切换次数）。如图3 所示。

图2 电压空间矢量图

图3 电压空间向量合成与分解（第Ⅰ区间）

本文中的无滤波电容的三相变频器采用电压空间矢量法算法采用定子电压正交坐标系的α-β 轴电压分量为输入来计算3 相PWM 的占空比。SPWM 波形的生成方式为使电压矢量V 在αβ 坐标空间旋转，电压矢量V 的模VM 决定变频器输出电压的幅值，电压矢量旋转的转速决定变频器输出电压的频率，电压矢量的位置角度决定变频器输出电压的相位。

整流电路无滤波电解电容，导致直流母线电压含大量300Hz 纹波（如图四中波形1），需要根据纹波电压动态调整变频器输出电压的幅值，以维持输出正弦波形不失真。消除变频器输出电压纹波生成电压计算算法如下：

VM：电压空间矢量法算法用来计算3 相PWM 的占空比的αβ 空间电压矢量V 的模，取值范围：0 ～1。

这里算法上电压矢量归算为模的最大幅度为1。VM=1 时变频器输出线电压的峰值达到母线电压值。

VT：实际需要变频器输出线电压有效值，单位Vac。

VMeas:实时测量到的直流母线电压瞬时值，单位Vdc。

当变频器工作在定频调压段时，需要输出频率固定为工频（50Hz），电压幅度可调。为达到工频最大电压幅度输出，本文提出了使变频器输出的电压波形与交流电源同步从而与直流母线的纹波幅值同步的方法，利用直流母线的纹波峰值电压来达到工频最大电压幅度输出。

具体实现方法如下：

图4 直流纹波与输出电压同步波形

图4 中波形2 为L3电源端对直流母线负端的电压波形。该电压经电源同步信号采集电路进行过零检测，过零点正好对应直流母线电压最低点，作为同步点。变频器输出频率为50HZ 时，单片机在每个过零点产生中断，在中断服务程序中调整生成波形的相位，使得输出电压波形与电源纹波（图4 中波形1）同步。

由于三相电源三相电源波形相互相位差为120 度，直流母线的纹波每个电周期有6个波峰，每个占60度电角度，因此，每个周期的6 个波谷同步点任一个均可作为同步点。这6 个点分别对应电源进线端L1、L2、L3 对母线地电压点的过零检测上升沿和下降沿。L1、L2、L3 端可任取一路做同步信号输入。变频器生成波形时以下6 个电角度中任一个与同步点同步都可保证输出电压幅值与直流母线电压同步：0°、60°、120°、180°、240°、300°。

单片机在进入过零点中断服务程序时，取目前时刻电压矢量V 旋转到的当前电角度Aact（取值0 ～360°），计算保持同步需要调整的角度dA（°）：

如果：Temp ＞30°，dA=Temp-60°(此时dA 为负数)

如果：Temp ＜30°，dA=Temp

最终调整后的实际相角Aac=Aact+dA，实际程序中不是一次调整到位，而是每次中断调整一小部分dA，以避免频率波动，实际调整公示：Aact=Aact+dA/n(n:调整次数)。

无滤波电容的三相变频器在电机低速段采用V/F 恒定的恒磁通变频控制，中速段恒压变频控制，高速段定频（工频）调压控制。

在电机高速段，频率固定在电源同频率（50Hz），波形生成算法上控制输出的三相电压波形与电源电压波形同步，控制输出电压的幅值来控制电机转速。这样输出电压的峰值与直流电源纹波同步，充分利用电源电压，使电机可以在工频下达到最高转速。变频器的波形生成在常规的空间电压矢量脉宽调制算法基础上叠加了消除纹波算法以消除直流电压纹波影响，输出电压为正弦波（滤除PWM 高频后），电机电流为正弦波。

3 结语

本文提出的变频器基于纹波消除、波形同步的变频（低速段）、调压（高速段）结合的技术，在省去滤波电解电容的情况下，降低了变频器成本，提高了变频器功率因素，且三相感应电机可以实现工频满功率运行。非常适合用于风机、水泵类负载的电机变频调速控制。而且无滤波电容变频器由于体积变小适合与风机、水泵组合安装成一体化的变频风机，变频水泵产品。所以，本文提出的变频器有效克服了现有技术中的一些缺点，具高度产业利用价值。