0 引言

    現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，異步電機作為重要的動力來源而得到了廣泛的應(yīng)用^[1，2]。變頻器作為電機主要的調(diào)速與軟啟動的設(shè)備也相應(yīng)得到普遍的運用。電壓型變頻器帶電機負(fù)載時，電機內(nèi)部電感的無功能量會通過續(xù)流電流向母線回饋由并聯(lián)電容吸收。電壓型變頻器都會在直流母線端直接并聯(lián)大電容起到穩(wěn)定母線電壓的作用^[3，4]，若并聯(lián)的電容容值較小則不足以吸收電機回饋的能量產(chǎn)生泵升電壓導(dǎo)致母線電壓波動較大影響變頻器的輸出性能，然而大電容的存在增加了變頻器的體積和成本。針對上述的問題本文設(shè)計了一種開關(guān)回饋電容拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變頻器，當(dāng)電機負(fù)載向母線回饋能量時，使開關(guān)電容接入電路吸收回饋能量；沒有能量回饋時，斷開電容與母線的連接^[5]。此種結(jié)構(gòu)的變頻器不僅可以減小并聯(lián)電容的容值，而且能很好的吸收電機回饋的能量。并通過仿真來驗證該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變頻器的可行性。

1 開關(guān)回饋電容變頻器結(jié)構(gòu)及工作原理

    開關(guān)回饋電容變頻器結(jié)構(gòu)如圖1所示，在直流母線兩端直接并聯(lián)一個電容C_d1，同時又并聯(lián)一個串聯(lián)有反并聯(lián)二極管的功率開關(guān)管的電容C_d2。系統(tǒng)主要由整流電路、中間直流電路、逆變電路、檢測電路及主控電路組成。

    上述系統(tǒng)中，逆變電路利用SVPWM的方式進(jìn)行控制。檢測電路將采集到的母線電壓及電流信號送入控制器中，控制器對采集到的信號進(jìn)行處理發(fā)出相應(yīng)的控制信號控制開關(guān)管VT7的開關(guān)狀態(tài)。C_d1是一個容值較小的電容，起到在回饋能量時吸收電壓尖峰脈沖的作用，而C_d1不足以完全吸收回饋的能量，此時母線仍會產(chǎn)生泵升電壓；當(dāng)母線電壓U_dc大于設(shè)置的閾值或者母線電流I_dc小于0（電流方向與圖中標(biāo)示相反）時，控制器發(fā)出觸發(fā)信號導(dǎo)通開關(guān)管VT7使電容C_d2接入電路中吸收負(fù)載回饋的能量；當(dāng)U_dc小于設(shè)置的閾值并且母線電流I_dc大于0時控制器發(fā)出信號關(guān)斷開關(guān)管VT7?？芍娙軨_d2只有當(dāng)有能量回饋時才接入電路，避免了在沒有能量回饋時直流電源對電容充電削弱其吸收回饋能量的能力。

2 電壓型變頻器續(xù)流電流流向分析

    普通電壓型變頻器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示^[6]。

    變頻器逆變電路利用SVPWM的方式進(jìn)行控制^[7]，不考慮短路零電壓矢量的作用，逆變電路任意時刻都有三只器件導(dǎo)通，但有哪些器件導(dǎo)通首先隨時間而變，其次與負(fù)載的性質(zhì)相關(guān)^[8]。取可控器件導(dǎo)通數(shù)為K_T，二極管導(dǎo)通數(shù)為K_D。在K_T=3，K_D=0時，若此時逆變電路導(dǎo)通的器件為VT1、VT5、VT6，則電流流向為：直流源正極→VT1、VT5→負(fù)載→VT6→直流源負(fù)極。在K_T=2，K_D=1時，若導(dǎo)通的器件為VD1、VT5、VT6，則電流流向為：①負(fù)載→VD1→VT5→負(fù)載；②負(fù)載→C(-)→C(+)→VT5→負(fù)載。在K_T=1，K_D=2時，若此時導(dǎo)通的器件為VD1、VD2、VT6，則電流流向為：①負(fù)載→VD1→C(+)→C(-)→VD2→負(fù)載；②負(fù)載→VT6→VD2→負(fù)載。

    變頻器接電機負(fù)載時，電機每相的阻抗角隨著轉(zhuǎn)差率的改變而改變，導(dǎo)致電機的續(xù)流電流的流向也發(fā)生相應(yīng)的改變，進(jìn)而影響回饋能量的大小。下文將對電機回饋能量大小與轉(zhuǎn)差率的關(guān)系進(jìn)行分析。

3 回饋能量分析

    忽略勵磁電阻，異步電動機的T型等效電路如圖3所示^[9，10]。

3.1 電機定子電流求解

    根據(jù)圖3可求得定子側(cè)總阻抗Zs的表達(dá)式為：

3.2 回饋能量計算

    變頻器帶動電機在基于SVPWM的控制方式下，電機三相輸出電壓的基波分量近似為工頻的正弦波；因此可以認(rèn)為基波分量的作用效果與工頻正弦電的作用效果相同。僅考慮基波分量的作用效果下，電機在工頻三相正弦電源供電下每相相電壓相電流波形如圖4所示。

    電機三相的瞬時功率為：

    由圖4可知，相電流與相電壓始終保持著相位差，所以電機每一相瞬時功率會出現(xiàn)負(fù)值的情況。當(dāng)瞬時功率為正值時，電源向該相供電提供能量；當(dāng)瞬時功率為負(fù)值時，電機的該相向電源反饋能量。圖中所示陰影部分即為電機向電源反饋能量的階段。

    以電機A相為例對回饋能量進(jìn)行計算，式(4)為電機A相瞬時功率的表達(dá)式，式中第二部分即為無功功率的瞬時值；根據(jù)圖4及式(4)可求得電機A相單次回饋的能量如下：

    由式(1)可知電機的功率因數(shù)角與轉(zhuǎn)差率相關(guān)。根據(jù)表1的參數(shù)利用MATLAB可繪制-s關(guān)系曲線如圖5所示。

    根據(jù)上述分析及式(7)可繪制出W-s關(guān)系曲線如圖6所示。

    從圖6可知，當(dāng)轉(zhuǎn)差率s=0~0.035時，回饋能量的大小隨著轉(zhuǎn)差率的增大而減??；當(dāng)轉(zhuǎn)差率s=0.035~0.05時，回饋的能量隨著轉(zhuǎn)差率的增大而增大。可得電機在轉(zhuǎn)差率s=0.035時，回饋能量最少，空載時回饋能量最多。

4 仿真及結(jié)果分析

4.1 系統(tǒng)模型搭建

    為驗證開關(guān)回饋電容拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變頻器的性能，利用MATLAB/simulink搭建系統(tǒng)模型如圖7所示。根據(jù)上述轉(zhuǎn)差率與回饋能量的關(guān)系，本次仿真電機給定較小的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為T_L=10 N·m。本文研究的重點為電機回饋能量的分析以及開關(guān)回饋電容拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變頻器的性能，因此電容大小的選取在文中并沒有做敘述而是直接給定。

4.2 結(jié)果分析

    開關(guān)回饋電容變頻器的仿真中電容C_d1的取值為50 μF，改變電容C_d2的取值，得到電機穩(wěn)定運行時最大的直流母線電壓值，如表1所示。

    改變普通變頻器并聯(lián)電容C的容值，得到電機穩(wěn)定運行時母線電壓最大值，如表2所示。

    通過表1、表2可知在開關(guān)電容變頻器的結(jié)構(gòu)下，母線并聯(lián)總的電容大小為1 150 μF時，可以完全吸收電機回饋能量使母線的最大電壓穩(wěn)定在整流橋輸出的最大電壓538 V；而普通變頻器在達(dá)到相同的作用效果時，需在母線兩端并聯(lián)1 900 μF的電容。綜上可知，相同容值下開關(guān)回饋電容相較于與母線直接并聯(lián)的電容可以更有效地吸收電機回饋的能量；在吸收相同回饋能量的條件下，開關(guān)回饋電容的容值可以更小。

5 結(jié)論

    分析了電機在不同負(fù)載下運行時的回饋能量，得到轉(zhuǎn)差率與電機單相單次回饋能量大小的關(guān)系曲線。通過仿真結(jié)果表明，開關(guān)回饋電容變頻器在一定的控制方式下，可以有效地吸收電機回饋的能量，用較小的電容得到與普通變頻器大電解電容相同的效果。在剛好完全吸收回饋能量使母線不產(chǎn)生泵升電壓的前提下，開關(guān)回饋電容變頻器母線并聯(lián)電容容值可以減小為普通變頻器的60.53%。不但減小了變頻器的體積同時也降低變頻器了成本。

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作者信息：

段明亮，榮為青，孟彥京

(陜西科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，陜西 西安710021)