一种小电容交-直-交变频器控制策略

谢仕宏 孟彦京 高钰淇 马汇海 段明亮

摘要：针对传统电压型交一直一交变频器直流母线大容量电解电容带来的缺点，提出一种直流母线并联小容量开关电容的交一直一交变频器及控制策略。首先分析了这种变频器的电路结构和电容参数计算方法，该方法以小电容充放电的电压波形接近直流母线六脉波电压波形为计算依据。然后研究了直流母线为六脉波电压时变频器输出电压大小，并提出一种电压变换效率最大的控制方法。最后分析六脉波电压对变频器输出电压谐波的影响，推导了小电容变频器理想数学模型。研究结果表明，小电容变频器电解电容的容量仅为传统变频器的三分之一，但电压变化效率、输出电压谐波含量与传统变频器基本相同。实验结果验证了上述结论。

关键词：感应电机;变频器;电解电容;六脉波电压;数学模型

DoI：10.15938/j.emc.2019.08.010

中图分类号：TM921文献标志码：A 文章编号：1007-449X（2019）08-0078-09

0引言

电压型交一直一交变频器广泛应用于三相交流异步电动机的驱动控制，出于储能和滤波的目的，变频器直流母线并联有大容量电解电容，以此确保直流母线电压近似恒定。然而电解电容本身具有体积大、成本高、使用寿命短的缺点，导致变频器体积增大、成本增高、故障增多、维修成本上升等诸多问题。因此，降低交一直一交变频器电解电容容量具有实际的应用价值。

针对传统电压型交一直一交变频器自身结构复杂的缺点，简化变频器拓扑结构、降低成本、提高整体性能一直是研究者努力的方向。现有文献主要集中在如何减少逆变器开关元件的个数从而达到降低变频器成本、简化控制复杂度的目的，具有重要参考价值，但没有考虑占变频器体积和成本重要部分的电解电容。另有一些文献就交一直一交变频器直流母线电解电容对电机寿命和可靠性的影响进行了有益的研究，这些文献主要集中在对直流母线电解电容故障原因分析，并未就替代措施进行研究。也有相关学者对降低交一直一交变频器直流母线电解电容的措施和存在的问题进行了很好的分析研究，但这些文献依然以恒定直流母线电压为控制目标，从而导致电容容量减小幅度有限。文献[17]提出了无直流储能的交一交变换器，并给出了预测控制策略，控制方法新颖，但其采用的变压器导致设备体积增大，成本增加。

针对上述问题，本文提出一种直流母线电压为六脉波电压的小电解容量交一直一交变频器拓扑结构及其控制方法。首先针对传统电压型交一直一交变频器直流母线电解电容的基本功能提出改进的新型变频器拓扑结构及其控制方法;其次，对所提出的变频器与传统变频器在电压转换效率和输出电压谐波含量上进行对比分析，并建立新型变频器的数学模型;最后建立小电容变频器一电动机系统仿真模型及3kW小电容变频器一电动机实验系统，对变频器性能及数学模型准确性进行实验验证。

1变频器新型拓扑结构及性能分析

传统电压源型交一直一交变频器直流环节的电解电容有两项基本功能：①对三相整流桥输出六脉波电压进行滤波，②吸收感性负载周期性回馈能量及电动机制动回馈能量。因此，若降低电解电容的容量，应解决变频器直流母线电压脉动造成的输出电压谐波问题以及负载能量回馈问题。

1.1小电容变频器拓扑结构

本文提出的新型變频器拓扑结构如图1所示。图中电源侧整流器和负载侧逆变器与传统电压型交一直一交变频器拓扑结构一样，不同之处在中间直流环节。小电容变频器在减小电解电容容量的同时以实现直流母线六脉波电压为控制目标，并达到传统变频器的性能。

图1中C1为小容量无感电容，用于吸收开关器件产生的尖峰电压。K1、K2、K2、R1、C2共同组成开关电容支路，用于吸收负载回馈能量。其中，c2为小容量电解电容，R1为电容C2充放电限流电阻，并调节电容C2的充放电速度。R2为电动机能耗回馈制动电阻，K1、K2为两个全控型开关。其控制原理是：当直流母线电压高于六脉波电压最小值时K1导通，否则K1关断;当直流母线电压或电容c2电压高于安全设定电压时K2导通，否则K2关断。电速度，还可以与制动电阻R2一起消耗电动机制动回馈能量。以3kW、50Hz、380V的三相交流异步电动机为例：取R1为5.4Ω，可得C2为90uf，而传统变频器电容为800p.F（纹波电压5%）。

1.2电压变换效率分析

由此可知，合理调节输出电压相位（等效改变θ角），小电容变频器在采用SVPWM控制时，电压变换效率最大可以达到直流母线电压恒定时SVPWM控制的电压变换效率，最低也高于直流母线电压恒定时正弦波脉宽调制（SPWM）控制的电压变换效率。

1.3六脉波电压引起的输出电压谐波分析与控制

传统变频器采用SPWM时，通常认为直流母线电压恒定不变，开关器件工作状态与直流母线电压无关。当变频器直流母线电压为六脉波电压时，SP-WM控制输出电压将包含六次谐波电压。若采用SVPWM控制，开关器件工作状态及持续时问都依据直流母线电压实际数值来计算，可有效抑制直流电压脉动带来的影响。

根据PWM作用原理，冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。在一个开关周期内正弦波电压、六脉波电压、恒定直流电压的脉冲电压示意图如下图3所示。

图3（a）为SPWM控制自然采样法单脉冲电压示意图，图3（b）为小电容变频器六脉波电压SVP-WM控制单脉冲电压示意图，图3（c）为传统变频器直流母线电压恒定的单脉冲电压示意图。

3种不同电压脉冲分别作用△t1、△t2、△t3时间，若脉冲的伏秒积相等，对惯性负载来说，其作用效果相等。以变频器开关频率10kHz计算，△t2≤0.1ms，不难计算因六脉波电压波动造成的采样误差小于3.1%。传统变频器直流母线电压纹波允许值也都在3%左右，因此，根据PWM作用原理，直流母线电压为六脉波电压的变频器，采用SVPWM控制时，因直流母线电压波动造成的输出谐波可以忽略。其次，作为变频器的典型负载，感应电机的电磁惯性比开关周期要大很多，以15kW感应电机为例，定子绕组的惯性时间常数Ts=0.0313s，而且电机功率越大，TS值也越大。当变频器开关频率为10kHz时，开关周期与TS之比为3.2%。因此，感应电机相对脉冲电压来说，可以认为是惯性负载。

2实验分析

2.1仿真实验

为了分析本文所提出的变频器性能，选取传统变频器（直流母线并联4700uf电解电容，纹波电压小于5%）进行对比，逆变器都采用SVPWM控制，开关频率为5kHz。变频器输入三相交流电压的线电压为380V，频率为50Hz，对比数据采集点频率为5Hz、15Hz、30Hz和50Hz。仿真软件选用Matlab R2014a，算法ode23tb，最大步长le-6s。参数设置如下：C1为4.7UF，C2为470uF，Rl和R2均为0.55Ω，负载分别选用三相对称阻感负载（4Q、10mH）和三相交流异步电动机负载（15kW、400V、50Hz），阻感负载变频器输出电压和频率按V/f恒定调节，电动机负载按矢量控制原理调节，调节器参数完全一致，θ=π/6。仿真结果如图5～图7、表1所示。

图5和图6结果显示，在驱动阻感负载时，本文提出的新型变频器直流母线电压能保持较好的六脉波波形，传统变频器直流母线电压为带有纹波的近似恒定直流电压，在一个工频周期内电压波形稳定。在驱动电动机负载时受回馈能量影响，两种变频器直流母线电压都受到一些影响，但影响较小，都能保持与阻感负载基本相同的电压波形。

图7为两种变频器驱动三相交流异步电动机转子转速响应曲线。结果显示，两种转速上升过程及稳态转速波动基本一致，小电容变换器性能达到传统变换器性能。

表1为两种变频器不同频率时输出电压大小和谐波含量对比数据。数据显示，在30～50Hz频率范围，小电容变频器输出电压基波有效值略高于传统变频器，而总谐波畸变率略低于后者，总体性能新型变频器略优于传统变频器;在30Hz以下，上述情况正好相反。其原因是低频时开关元件导通压降与小电容变频器直流母线电压相对值比传统变频器略大造成的。

为了验证式（15）所示小电容变频器数学模型，建立其仿真模型，并与SimPowersystem模型进行对比分析，负载为阻感负载（4Ω、10mH）。两种模型输出5Hz、25Hz和50Hz电压的基波有效值及总谐波畸变率数据如表2和图8所示。

表2所示数据显示，变换器数学模型在各频率点输出电压及总谐波畸变率与变换器SimPowersys-tem模型输出基本一致。图8（a）为变换器数学模型仿真输出线电压波形，图8（b）为变换器SimPow-ersystem模型输出的线电压波形。结果显示两种模型输出线电压波形基本相同。

2.2物理实验

为进一步验证小电容变频器性能，以STM32F103芯片设计控制器，构建以IGBT元件FGA25N120ANTD为开关元件的小电容交一直一交变频器。变频器直流母线电容按3kW容量设计，传统变频器直流母线电容为470uF/450V电解电容两串三并，共计705uf，小电容变频器采用两个电解电容串联电路，共计235uf，负载为带直流测速发电机的3kW交流机组。小电容变频器一电动机实验系统如下图9所示。实验结果如图10～图15所示。

图10（a）为传统变频器直流母线电压波形，由图可见直流母线电压纹波较小，电解电容实现了滤波和储能功能。图10（b）为相同负载下小电容变频器直流母线电压，电压波形近似为六脉波电压，图形显示，小电容未改变整流桥输出的六脉波电压波形，实现了小电容变频器期望的六脉波直流母线电压。

图11（a）为传统变频器输出线电压波形，由图可见其为等高不等宽的脉冲波形，符合PWM控制理论。图11（b）为小电容变频器相同负载下输出线电压波形，图形显示输出电压幅值按六脉波电压规律变化，也符合小电容变频器理论分析。

图12是经LC滤波后的两种变频器输出电压，滤波电感2.2mH，滤波电容2.35uf，滤波器截止频率约2kHz，因此，Lc滤波器不会对六次谐波分量进行滤除。图12（a）为传统变频器输出电压，波形显示，滤波后为50Hz正弦波电压。图12（b）为小电容变频器输出电压，也为50Hz正弦波波电压。图12说明小电容变频器输出电压无明显六次谐波分量，输出电压性能接近传统变频输出电压。

图13（a）为交流电机转速下降10%时传统变频器直流母线电压波形，由图可见其值近似保持恒定不变，达到传统变频器在电机工况发生变化时直流母线电压恒定的要求。图13（b）为相同转速变化时小电容变频器直流母线电压波形，由图可见，受电机减速过程回馈能量的影响，小电容变频器直流母线电压有所上升，上升量小于20%，仍在安全范围内。

图14为小电容变频器一电动机系统工频运行时的转速响应，图14（a）显示转速按设定频率由零平稳上升到接近同步转速，图14（b）显示稳态时转子转速存在波动，200us内各有两个幅度较大的波动和两个幅度较小的波动，综合考虑转速波动频率为20kHz，转速波动幅度约363r/min。

图15为传统变频器一电动机系统工频运行时的转速响应，图15（a）显示转速由零平稳上升到接近同步转速，图15（b）显示传统变频器驱动稳态时电机转速也存在波动，波动频率约20kHz，转速波动幅度约为363r/min。两种变频器都存在转速波动原因除了与测速发电机精度有关外，主要是电机轻载状态下受开关动作影响较大，在负载增大时，电机惯性也增大，相應的转速波动较小。图15结果也显示，转子转速并没有明显300Hz脉动分量，说明小电容变频器直流母线电压的脉动并未对电动机转速造成直接影响。因此，对比图14～图15可知，两种变频器转速响应性能基本一致，小电容变频器达到预期目标。

3结论

本文提出的小容量电解电容变频器电路结构及其控制方法，其原理是允许直流母线电压波动来降低对电解电容的需求，用小容量开关电容吸收感性负载的回馈能量。理论分析及实验结果表明，直流母线为六脉波时，采用SVPWM控制可有效抑制直流母线电压脉动造成的输出电压谐波及电动机转子转速脉动问题，合理控制变频器输出电压的相位，可达到传统变频器的电压变换效率。