孟彥京，李宏濤，張君燕

(陜西科技大學(xué)，西安 710021)

0 引 言

交流異步電機(jī)因其簡(jiǎn)單的構(gòu)造、可靠的運(yùn)行，被廣泛應(yīng)用于市場(chǎng)[1,2]。傳統(tǒng)的鼠籠式電機(jī)起動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的電流，危害電機(jī)自身并且污染電網(wǎng)[3]。傳統(tǒng)的變頻器可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求，改變工作頻率，性能上優(yōu)于軟起動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的平滑起動(dòng)和交流電機(jī)的變頻調(diào)速功能[4-7]。但傳統(tǒng)交直交變頻器存在濾波電容，使得變頻器具有體積大和成本高的缺點(diǎn)，也會(huì)給電網(wǎng)帶來嚴(yán)重的諧波污染[8]。因此，采用新型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與合理有效的調(diào)制技術(shù)來提高變頻器的輸入輸出性能成為研究的重要問題[9，10]。

目前，傳統(tǒng)的恒壓頻比控制方式是基于大電解電容的電路結(jié)構(gòu)，可以獲得較好的輸出性能。這是因?yàn)榇箅娙菘梢韵骱螽a(chǎn)生的紋波影響，使得直流電壓趨于平穩(wěn)。文獻(xiàn)[11]提出帶有反并聯(lián)二極管逆流電阻無大電解電容的軟起動(dòng)變頻器，逆流電阻在電流回饋時(shí)產(chǎn)生的壓降較大，會(huì)損耗一部分能量。文獻(xiàn)[12]提出一種帶開關(guān)回饋電容的變頻器，采用SVPWM技術(shù)，并選用電容的總?cè)萘窟_(dá)到1 000μF以上，與傳統(tǒng)變頻器相差不大，對(duì)減小變頻器體積節(jié)約成本沒有實(shí)質(zhì)性的改善。

本文研究用小電容代替原有的大電容，并將功率開關(guān)管與之串聯(lián)構(gòu)成新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變頻器。三相全橋逆變電路的調(diào)制方式選擇SPWM，其作為全控型開關(guān)器件的控制信號(hào)，得到實(shí)際需要的正弦波。本文闡述了新型小電容變頻器的工作原理，研究一種新型調(diào)制技術(shù)并利用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試，表明此新型變頻器結(jié)構(gòu)和調(diào)制技術(shù)的正確性。

1 小電容交直交變頻器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理

圖1 帶有小電容的交直交變頻器系統(tǒng)電路圖

將中間直流電路的大電解電容替換成小電容Cd1，并在旁邊并聯(lián)一個(gè)電容Cd2，Cd2與功率開關(guān)管串聯(lián)，起到控制開關(guān)電容的作用，電容的容值根據(jù)電機(jī)功率不同選擇數(shù)十至數(shù)百微法之間。三相全橋逆變電路的調(diào)制方式選擇SPWM，以輸出正弦波為目的，其作為全控型開關(guān)器件的控制信號(hào)?？刂破鲗⒉杉降妮斎腚妷汉碗娏餍盘?hào)進(jìn)行判斷，決定器件VT7的開關(guān)狀態(tài)。由于Cd1的值較小，不再起濾波作用，所以整流后輸出的波形是具有脈動(dòng)的六脈波。通過重構(gòu)SPWM調(diào)制技術(shù)，將直流母線電壓反饋給調(diào)制波，使得逆變橋輸出電壓受整流后電壓脈動(dòng)的影響可以消除。當(dāng)電流從逆變側(cè)反饋給直流側(cè)時(shí)，即Idc<0(電流方向與圖1中標(biāo)示相反)，或直流母線電壓大于設(shè)定的閾值時(shí)，開關(guān)管VT7收到控制器信號(hào)，此時(shí)Cd2開始工作，吸收回饋能量；當(dāng)電流Idc>0,且直流側(cè)電壓Udc小于閾值時(shí)，開關(guān)管VT7關(guān)斷，此時(shí)只有Cd1工作。

2 三相逆變電路的電流流向分析

傳統(tǒng)交直交變頻器系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)交直交變頻器系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)

三相全橋逆變電路采用脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)，工作模式分為3種：

(1) 第1種工作模式如圖3所示。假設(shè)3個(gè)開關(guān)管上橋臂VT1，VT3，下橋臂VT2同時(shí)觸發(fā)，沒有二極管導(dǎo)通(3T，0D)。此時(shí)，電流通過VT1，VT2和VT3，VT2形成通路，流向負(fù)載，電能由直流側(cè)流向逆變側(cè)，被負(fù)載吸收。若VT1，VT3，VT5或VT2，VT4，VT6 3個(gè)開關(guān)管同時(shí)觸發(fā)，此時(shí)沒有電流產(chǎn)生。

圖3 3個(gè)開關(guān)管全導(dǎo)通

(2) 第2種工作模式如圖4所示。假設(shè)2個(gè)開關(guān)管VT1，VT2和一個(gè)二極管VD3導(dǎo)通(2T，1D)。此時(shí)，一方面負(fù)載通過VT1，VT2從直流電源吸收電能；另一方面負(fù)載沿VT1，VD3形成回路，產(chǎn)生環(huán)流。

圖4 2個(gè)開關(guān)管和1個(gè)二極管導(dǎo)通

(3) 第3種工作模式如圖5所示。假設(shè)一個(gè)開關(guān)管VT1和2個(gè)二極管VD2，VD3導(dǎo)通(1T，2D)。此時(shí)，一方面負(fù)載通過VT1，VD3形成回路；另一方面負(fù)載能量沿VD2，VD3反饋到電容C中。

圖5 1個(gè)開關(guān)管和2個(gè)二極管導(dǎo)通

新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的工作模式也分為3種，前2種與傳統(tǒng)變頻器一致，第3種如圖6所示，一方面負(fù)載通過VT1，VD3形成回路；另一方面負(fù)載沿VD2，VD3進(jìn)行反饋，若電流id1為負(fù)或Ud>537 V，則導(dǎo)通開關(guān)管，Cd2開始工作，吸收回饋能量。

圖6 新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的第3種工作模式

3 控制方法研究

3.1 整流波的輸出

異步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩表達(dá)式：

E=4.44f1Nkw1Φ1

(1)

三相電源在通過全橋整流電路時(shí)，會(huì)產(chǎn)生6個(gè)帶有紋波的電壓，稱為六脈波,如圖7所示。圖8為線電壓波形，其中實(shí)線代表的是整流后的脈動(dòng)電壓。

圖7 三相正弦電壓波形

圖8 直流母線電壓波形 假設(shè)圖8中δ點(diǎn)為Uab的過零點(diǎn)，并以此作為整流橋上的觸發(fā)點(diǎn)，此時(shí)線電壓

此時(shí)整流后輸出的直流母線電壓為六脈波，表達(dá)式如下：

計(jì)算可得：

式(6)中，U0=220 V，所以u(píng)dcmin=467 V，udcmax=537 V。

當(dāng)電路中產(chǎn)生能量回饋時(shí)，逆變側(cè)產(chǎn)生的電流會(huì)流向直流母線，此時(shí)母線兩端電壓會(huì)升高，稱為泵升電壓。而變頻器的保護(hù)電壓為700 V，因此在保證變頻器正常工作的前提下，最大泵升電壓不應(yīng)超過700 V。本文出于安全考慮，設(shè)變頻器保護(hù)電壓為650 V。

考慮到計(jì)算過程的復(fù)雜程度，可以設(shè)想不存在網(wǎng)側(cè)阻抗以及功率因數(shù)對(duì)電路的影響;另外也不考慮逆變電路中全控型器件對(duì)直流側(cè)產(chǎn)生脈動(dòng)電壓影響。即可令交流負(fù)載看作是相同等級(jí)的直流負(fù)載，可得出)：

將式(7)代入式(4)計(jì)算可得，電容的臨界值為602μF。若低于計(jì)算出來的臨界值，那么id是連續(xù)的，并且六脈波也是完整的波形。但是電機(jī)屬于感性負(fù)載，逆變電路中開關(guān)管動(dòng)作時(shí)會(huì)產(chǎn)生能量回饋，流向直流側(cè)時(shí)會(huì)疊加在六脈波頭上，造成電壓升高。在能量回饋初始時(shí)，電機(jī)端可以視為一個(gè)初值為額定電流IN的直流源，與小電容形成回路。

3.2 變頻調(diào)速控制

式(9)代表著標(biāo)準(zhǔn)的正弦調(diào)制波，以A相為例，B，C相的相位則依次相差120°。

us1=Ubsin(ωt+θ)

(9)

式中：Ub代表在正弦波下的電壓值。

設(shè)三相交流電經(jīng)全橋整流電路后的輸出電壓是Uin，且其傅里葉級(jí)數(shù)表達(dá)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。

如圖9所示，utri代表三角波的電壓幅值，us1代表正弦波的電壓幅值，UA代表A相的電壓。首先假設(shè)ftri遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于fs1，那么我們看作us1和直流母線Uin是一個(gè)常數(shù)。

圖9 一個(gè)三角波周期內(nèi)utri，us1，UA的關(guān)系圖

式中：Utrm,Utr1分別為三角波信號(hào)的波峰值和波谷值，Utrm=-Utr1。

3.3 重構(gòu)SPWM技術(shù)對(duì)輸出電壓諧波影響

4 系統(tǒng)仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 系統(tǒng)仿真

根據(jù)以上分析，總結(jié)了新型交直交變頻器的原理、方案和控制策略，在MATLAB仿真軟件中建立系統(tǒng)模型并進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，仿真模型如圖10所示。

圖10 帶開關(guān)電容新型變頻器系統(tǒng)仿真模型

4.2 仿真結(jié)果分析

仿真過程中，通過對(duì)傳統(tǒng)SPWM分析并進(jìn)行重構(gòu)作為新的正弦調(diào)制波，作用在逆變橋開關(guān)管，并控制其導(dǎo)通與關(guān)斷。調(diào)制波的頻率分別設(shè)置為30 Hz和80 Hz(基頻為50 Hz)，圖11為不同頻率下電機(jī)轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩和定子電流的波形圖。

(a) f=30 Hz

(b) f=80 Hz

可以看出，電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為40 N·m時(shí)，轉(zhuǎn)速平滑上升，轉(zhuǎn)矩和電流波動(dòng)幅度不大，可工作在不同頻率，達(dá)到變頻調(diào)速的功能。

圖12、圖13所示分別為逆變橋輸出的A，B兩相之間的線電壓uab在傳統(tǒng)SPWM技術(shù)和重構(gòu)SPWM技術(shù)下的波形與頻譜。仿真結(jié)果表明，重構(gòu)SPWM技術(shù)作用在帶有開關(guān)電容的變頻器下，線電壓

(a) uab波形

(b) uab頻譜

(a) uab波形

(b) uab頻譜

提高了大約16 V，諧波畸變率減小了大約5%，輸出電壓波形得到改善，表明此新型變頻電路結(jié)構(gòu)及其調(diào)制技術(shù)的可行性。

從圖14的波形來看，新型小電容變頻器中間直流母線兩端電壓沒有出現(xiàn)紋波。表明替換后的小電容在新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及重構(gòu)SPWM技術(shù)下，使整流輸出電壓與逆變側(cè)直接相通，電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)正常的變頻調(diào)速。

圖14 直流母線電壓波形

5 結(jié) 語

本文將傳統(tǒng)變頻器直流母線的濾波電容替換成帶有開關(guān)作用的小電容，闡述了無功能量回饋時(shí)電流的流向，研究出一種小電容交直交變頻電路結(jié)構(gòu)，采用重構(gòu)SPWM技術(shù)進(jìn)行控制，選取電機(jī)負(fù)載為40 N·m。仿真結(jié)果表明，新型小電容交直交變頻器以及對(duì)調(diào)制波重新搭建的技術(shù)可以明顯地消除變頻器的輸出電壓諧波含量，并且能減小體積節(jié)約成本。