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變頻器-感應(yīng)電機系統(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。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)有文獻多側(cè)重變頻器-感應(yīng)電機系統(tǒng)的能量回饋控制，對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)電機回饋能量的作用，因此，分析感應(yīng)電機能量回饋原理，探索減小變頻器電解電容容量的理論依據(jù)，是實現(xiàn)小電容變頻器的關(guān)鍵，具有重要的理論研究和實際應(yīng)用價值。

按照能量處理方法，感應(yīng)電機制動方式通常分為回饋制動、反接制動和能耗制動?；仞佒苿右蛱岣吡俗冾l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變頻器，有學(xué)者提出基于電流幅相控制的變頻器-電動機系統(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能量回饋控制方法。

以上研究的共同特點是在直流母線與電網(wǎng)間設(shè)置一個三相逆變器實現(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）模型的電機能量回饋控制方法，不僅能實現(xiàn)電動機能量回饋制動，還可實現(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)勵磁相結(jié)合的控制方法，實現(xiàn)負載換流逆變器驅(qū)動同步電機的回饋制動控制。但該方法用可控硅作為整流和逆變元件，降低了系統(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現(xiàn)網(wǎng)側(cè)高功率因數(shù)控制。但這些文獻提出的變頻器網(wǎng)側(cè)都為帶儲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，并對回饋能量進行了計算，但該文獻并未分析感應(yīng)電機磁場能量構(gòu)成及變化特性，也沒有物理實驗驗證。
• 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，對三相逆變器在開路零電壓矢量和短路零電壓矢量下電動機磁場變化進行了分析，但也缺乏相應(yīng)物理驗證。
• 有學(xué)者對感應(yīng)電機三相突然短路實驗進行了分析研究，總結(jié)了感應(yīng)電機三相突然短路時定子電流和電磁轉(zhuǎn)矩的變化情況。
• 短路零電壓矢量控制和感應(yīng)電機三相突然短路本質(zhì)上都屬于電動機能耗制動，雖然電能使用效率不如能量回饋制動，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)電機系統(tǒng)控制方法。

圖1 小電容變頻器-感應(yīng)電機系統(tǒng)

圖2 變頻器-感應(yīng)電機實驗系統(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)電機能量回饋特性，接著分析了電容參數(shù)計算方法及變頻器控制方法，最后建立小電容變頻器-感應(yīng)電機實驗系統(tǒng)進行實驗分析。

研究結(jié)果顯示：

• 1）感應(yīng)電機正向電動運行時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)電機一相電流，回饋時間持續(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控制時可有效抑制直流母線電壓脈動造成的影響。
• 4）小電容變頻器-感應(yīng)電機系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能與傳統(tǒng)變頻器-感應(yīng)電機系統(tǒng)基本一致，但動態(tài)響應(yīng)速度較慢。
• 5）實驗結(jié)果驗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》，論文標題為“小電容變頻器及感應(yīng)電機回饋能量分析”，作者為謝仕宏、孟彥京、高鈺淇、馬匯海。