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變頻器-感應(yīng)電機(jī)系統(tǒng)是目前變頻調(diào)速的主要形式，在工業(yè)生產(chǎn)、船艦驅(qū)動(dòng)及軌道交通等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。提高變頻器的可靠性、電能變換效率和功率密度也成為各行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。傳統(tǒng)電壓型交-直-交變頻器直流母線并聯(lián)有大容量電解電容，電解電容本身的缺點(diǎn)導(dǎo)致變頻器故障頻發(fā)、體積增大、維修成本上升。

現(xiàn)有文獻(xiàn)多側(cè)重變頻器-感應(yīng)電機(jī)系統(tǒng)的能量回饋控制，對(duì)變頻器可靠性和功率密度有重要影響的電解電容研究不足。除濾波功能以外，電解電容還具有吸收感應(yīng)電機(jī)回饋能量的作用，因此，分析感應(yīng)電機(jī)能量回饋原理，探索減小變頻器電解電容容量的理論依據(jù)，是實(shí)現(xiàn)小電容變頻器的關(guān)鍵，具有重要的理論研究和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

按照能量處理方法，感應(yīng)電機(jī)制動(dòng)方式通常分為回饋制動(dòng)、反接制動(dòng)和能耗制動(dòng)。回饋制動(dòng)因提高了變頻器的電能使用效率，近年來受到廣泛研究。

有學(xué)者提出一種直接功率和轉(zhuǎn)矩一體化控制的能量回饋?zhàn)冾l器，有學(xué)者提出基于電流幅相控制的變頻器-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)能量回饋控制方法，有學(xué)者提出基于直接電流控制的電機(jī)能量回饋控制方法。

以上研究的共同特點(diǎn)是在直流母線與電網(wǎng)間設(shè)置一個(gè)三相逆變器實(shí)現(xiàn)能量回饋控制，因此增加了系統(tǒng)成本及復(fù)雜性。

• 有學(xué)者提出基于脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation, PWM）整流雙功率因數(shù)校正（Power Factor Correction, PFC）模型的電機(jī)能量回饋控制方法，不僅能實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)能量回饋制動(dòng)，還可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)單位功率因數(shù)控制。但該方法采用PWM整流取代二極管整流，并未減小直流母線電容，導(dǎo)致設(shè)備成本和體積增加。
• 有學(xué)者提出基于鎖相環(huán)的調(diào)節(jié)整流角與調(diào)節(jié)勵(lì)磁相結(jié)合的控制方法，實(shí)現(xiàn)負(fù)載換流逆變器驅(qū)動(dòng)同步電機(jī)的回饋制動(dòng)控制。但該方法用可控硅作為整流和逆變?cè)档土讼到y(tǒng)調(diào)速性能。
• 有學(xué)者提出小電容三相逆變器控制方法，通過采用直流功率控制或輸入電流控制實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)高功率因數(shù)控制。但這些文獻(xiàn)提出的變頻器網(wǎng)側(cè)都為帶儲(chǔ)能電感的單相交流整流電路，不適用于三相交-直-交變頻器。
• 有學(xué)者提出帶開關(guān)回饋電容的變頻器控制方案，并對(duì)回饋能量進(jìn)行了計(jì)算，但該文獻(xiàn)并未分析感應(yīng)電機(jī)磁場(chǎng)能量構(gòu)成及變化特性，也沒有物理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
• 有學(xué)者提出一種空間電壓矢量控制的開路零電壓矢量概念，對(duì)三相逆變器在開路零電壓矢量和短路零電壓矢量下電動(dòng)機(jī)磁場(chǎng)變化進(jìn)行了分析，但也缺乏相應(yīng)物理驗(yàn)證。
• 有學(xué)者對(duì)感應(yīng)電機(jī)三相突然短路實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了分析研究，總結(jié)了感應(yīng)電機(jī)三相突然短路時(shí)定子電流和電磁轉(zhuǎn)矩的變化情況。
• 短路零電壓矢量控制和感應(yīng)電機(jī)三相突然短路本質(zhì)上都屬于電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)，雖然電能使用效率不如能量回饋制動(dòng)，但可減小變頻器直流母線電解電容容量，有效提高了變頻器可靠性和功率密度。

針對(duì)上述問題，陜西科技大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院的研究人員提出一種直流母線帶開關(guān)小電容的變頻器-感應(yīng)電機(jī)系統(tǒng)控制方法。

圖1 小電容變頻器-感應(yīng)電機(jī)系統(tǒng)

圖2 變頻器-感應(yīng)電機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

首先提出開關(guān)小電容變頻器電路結(jié)構(gòu)，然后推導(dǎo)變頻器不同開關(guān)狀態(tài)下感應(yīng)電機(jī)能量回饋特性，接著分析了電容參數(shù)計(jì)算方法及變頻器控制方法，最后建立小電容變頻器-感應(yīng)電機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。

研究結(jié)果顯示：

• 1）感應(yīng)電機(jī)正向電動(dòng)運(yùn)行時(shí)回饋能量與逆變器開關(guān)狀態(tài)有關(guān)，回饋電流大小等于感應(yīng)電機(jī)一相電流，回饋時(shí)間持續(xù)較短，回饋能量也較小。
• 2）在允許變頻器直流母線電壓有一定增加量時(shí)可減小傳統(tǒng)變頻器所需的電解電容容量。
• 3）小電容變頻器采用SVPWM控制時(shí)可有效抑制直流母線電壓脈動(dòng)造成的影響。
• 4）小電容變頻器-感應(yīng)電機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能與傳統(tǒng)變頻器-感應(yīng)電機(jī)系統(tǒng)基本一致，但動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較慢。
• 5）實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了小電容變頻器的可行性。

以上研究成果發(fā)表在2020年第4期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“小電容變頻器及感應(yīng)電機(jī)回饋能量分析”，作者為謝仕宏、孟彥京、高鈺淇、馬匯海。