0 引言

    現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中,，異步電機(jī)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(jī)主要的調(diào)速與軟啟動的設(shè)備也相應(yīng)得到普遍的運(yùn)用,。電壓型變頻器帶電機(jī)負(fù)載時(shí),，電機(jī)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(jī)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(jì)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(jī)負(fù)載向母線回饋能量時(shí)，使開關(guān)電容接入電路吸收回饋能量,；沒有能量回饋時(shí),，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(jī)回饋的能量,。并通過仿真來驗(yàn)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(gè)電容C_d1,，同時(shí)又并聯(lián)一個(gè)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(gè)容值較小的電容,，起到在回饋能量時(shí)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(shí)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(shí),，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(shí)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(shí)才接入電路,，避免了在沒有能量回饋時(shí)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(shí)刻都有三只器件導(dǎo)通,，但有哪些器件導(dǎo)通首先隨時(shí)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(shí),，若此時(shí)逆變電路導(dǎo)通的器件為VT1,、VT5、VT6,，則電流流向?yàn)椋褐绷髟凑龢O→VT1,、VT5→負(fù)載→VT6→直流源負(fù)極。在K_T=2,，K_D=1時(shí),，若導(dǎo)通的器件為VD1、VT5,、VT6,，則電流流向?yàn)椋孩儇?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(shí)，若此時(shí)導(dǎo)通的器件為VD1,、VD2,、VT6，則電流流向?yàn)椋孩儇?fù)載→VD1→C(+)→C(-)→VD2→負(fù)載,；②負(fù)載→VT6→VD2→負(fù)載,。

    變頻器接電機(jī)負(fù)載時(shí)，電機(jī)每相的阻抗角隨著轉(zhuǎn)差率的改變而改變,，導(dǎo)致電機(jī)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(jī)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(lì)磁電阻,，異步電動機(jī)的T型等效電路如圖3所示^[9，10],。

3.1 電機(jī)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(jì)算

    變頻器帶動電機(jī)在基于SVPWM的控制方式下,，電機(jī)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(jī)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(jī)三相的瞬時(shí)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(jī)每一相瞬時(shí)功率會出現(xiàn)負(fù)值的情況。當(dāng)瞬時(shí)功率為正值時(shí),，電源向該相供電提供能量,；當(dāng)瞬時(shí)功率為負(fù)值時(shí),，電機(jī)的該相向電源反饋能量。圖中所示陰影部分即為電機(jī)向電源反饋能量的階段,。

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

    由式(1)可知電機(jī)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(shí)，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(shí)，回饋的能量隨著轉(zhuǎn)差率的增大而增大,?？傻秒姍C(jī)在轉(zhuǎn)差率s=0.035時(shí)，回饋能量最少,，空載時(shí)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(yàn)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(jī)給定較小的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為T_L=10 N·m。本文研究的重點(diǎn)為電機(jī)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(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)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(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)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(shí)，可以完全吸收電機(jī)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(shí),，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(jī)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(jī)在不同負(fù)載下運(yùn)行時(shí)的回饋能量,，得到轉(zhuǎn)差率與電機(jī)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(jī)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(shí)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)