一種無濾波電容的三相變頻器及其控制方法

鄒亮平

(南京優(yōu)科思軟件有限公司，江蘇 南京 210000）

通常的三相變頻器都包含交流變直流（整流），直流變交流（逆變）二大主要部分。整流后的直流含有交流成分（紋波），需要用高壓大容量的電解電容來濾波并提高直流母線電壓平均值。但電容濾波會導(dǎo)致負載電流脈動，降低了電路功率因數(shù)。同時，濾波電解電容體積大，本身成本高還需增加充電保護電路，鋁電解電容本身的可靠性和壽命也是導(dǎo)致變頻器產(chǎn)品質(zhì)量問題的根源之一。

如果能實現(xiàn)三相交流電源整流后不采用電解電容濾波，直接供逆變電路，將能提高變頻器的功率因數(shù)、有效降低變頻器成本、減少產(chǎn)品體積、提高變頻器壽命。但省略大容量的濾波電解電容導(dǎo)致的問題是直流母線電壓含大量300Hz 紋波，直接逆變會引起變頻器輸出電壓波形嚴重畸變，且直流母線平均電壓低，最大變頻輸出電壓無法達到三相電源電壓有效值（實際降低了電動機負載的最大功率）。本文提出一種無濾波電容的三相變頻器，采用基于紋波消除和波形同步的技術(shù)，三相變頻器輸出功率的調(diào)節(jié)采用變頻（低速段）、調(diào)壓（高速段）結(jié)合，在無濾波電容的情況下，三相感應(yīng)電機負載電壓正弦波形失真度小，并可實現(xiàn)工頻滿功率運行。與傳統(tǒng)變頻器的區(qū)別在于：變頻器最大電壓時，輸出頻率不能高于工頻50Hz；接近工頻50Hz 的高速段，采用定頻調(diào)壓方式調(diào)速，可以實現(xiàn)工頻滿功率運行。這種變頻器非常適合用于驅(qū)動風(fēng)機、水泵負載的鼠籠式三相感應(yīng)電機的調(diào)速。

1 無濾波電容的三相變頻器組件介紹

如圖1 所示，本文提出了一種無濾波電容的三相變頻器，其組件包括：

（1）三相整流橋電路：三相整流橋電路用于將50Hz 交流電壓變換為直流電壓。

（2）電源同步信號采集電路：電源同步信號采集電路用于采集50Hz 交流電壓的過零點（用于輸出波形與輸入波形的同步）。

（3）母線波紋采集電路：母線波紋采集電路用于采集三相整流橋電路輸出直流電的波紋電壓（用于采集電源電壓的變化，并用于逆變算法中消除紋波的運算處理）。

（4）單片機：單片機內(nèi)設(shè)有三相PWM 發(fā)生器，單片機與電源同步信號采集電路、母線波紋采集電路連接，三相PWM發(fā)生器的單片機從外部接口電路接受頻率輸出命令或傳感器反饋值，計算出需要逆變產(chǎn)生的頻率和電壓。

（5）低速變頻控制軟件模塊：當(dāng)變頻器需要輸出的電壓低于直流母線電壓的峰谷時，低速變頻控制模塊采用V/F 恒定的恒磁通變頻控制法控制變頻器工作（同時，采用紋波消除算法，消除直流紋波引起的輸出電流正弦波畸變）。

（6）中速變頻控制軟件模塊：當(dāng)變頻器需要輸出的電壓高于直流母線電壓的峰谷時，中速變頻控制模塊采用恒定輸出電壓在直流電壓的峰谷，頻率變化的控制方法控制變頻器工作（同時，采用紋波消除算法，消除直流紋波引起的輸出電流正弦波畸）。

（7）高速變頻控制軟件模塊，當(dāng)變頻器需要輸出的頻率達到工頻后，高速變頻控制模塊根據(jù)電源同步信號采集電路捕捉到的電壓過零時刻，使變頻器輸出的電壓波形與交流電源同步，不再使用紋波消除算法，直接利用紋波電壓波峰來同步產(chǎn)生逆變輸出電壓的波峰，這樣工頻輸出最大電壓有效值能達到電源電壓有效值，實現(xiàn)電機負載滿功率運行。

圖1 變頻器組件

（8）IGBT 三相全橋及驅(qū)動模塊：單片機內(nèi)置的三相PWM發(fā)生器采用電壓空間矢量法根據(jù)所需交流電壓的頻率、電壓、相位計算出三對互補的PWM 控制信號控制IGBT 全橋驅(qū)動模塊，驅(qū)動三相IGBT 橋?qū)⒅绷髂妇€電壓逆變?yōu)槿嘟涣麟妷骸?/p>

2 無濾波電容的三相變頻器控制原理及算法

本文中的無濾波電容三相變頻器采用的電壓空間矢量法是從電動機的角度出發(fā)，著眼于使電機獲得幅值恒定的圓形磁場，即正弦磁通。它以三相對稱正弦波電壓供電時交流電動機的理想圓形磁通軌跡為目標(biāo)基準(zhǔn)，用三相功率逆變器的六個功率開關(guān)元件組成的特定開關(guān)模式產(chǎn)生的脈寬調(diào)制波，產(chǎn)生的實際磁通逼近基準(zhǔn)磁通圓，從而能夠使輸出電流波形盡可能接近理想的正弦波形。

逆變器三相橋臂共有6 個開關(guān)管，各相上下橋臂不同開關(guān)組合時逆變器輸出的空間電壓矢量的全部可能組合共有八個，包括6 個非零矢量Ul(001)、U2(010)、U3(011)、U4(100)、U5(101)、U6(110) 和 兩 個 零 矢 量U0(000)、U7(111)，如圖2 所示（1 表示上橋臂開，下橋臂關(guān)；0 表示上橋臂關(guān)，下橋臂開）。

其中，非零矢量的幅值相同，相鄰的矢量間隔60°，而兩個零矢量幅值為零，位于中心。在每個扇區(qū)，選擇相鄰的兩個電壓矢量以及零矢量，按照伏秒平衡的原則得出相鄰兩個電壓矢量在PWM 周期內(nèi)的時間占比來合成每個扇區(qū)內(nèi)的任意電壓矢量（中間插入零矢量來減少IGBT 的切換次數(shù)）。如圖3 所示。

圖2 電壓空間矢量圖

圖3 電壓空間向量合成與分解（第Ⅰ區(qū)間）

本文中的無濾波電容的三相變頻器采用電壓空間矢量法算法采用定子電壓正交坐標(biāo)系的α-β 軸電壓分量為輸入來計算3 相PWM 的占空比。SPWM 波形的生成方式為使電壓矢量V 在αβ 坐標(biāo)空間旋轉(zhuǎn)，電壓矢量V 的模VM 決定變頻器輸出電壓的幅值，電壓矢量旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速決定變頻器輸出電壓的頻率，電壓矢量的位置角度決定變頻器輸出電壓的相位。

整流電路無濾波電解電容，導(dǎo)致直流母線電壓含大量300Hz 紋波（如圖四中波形1），需要根據(jù)紋波電壓動態(tài)調(diào)整變頻器輸出電壓的幅值，以維持輸出正弦波形不失真。消除變頻器輸出電壓紋波生成電壓計算算法如下：

VM：電壓空間矢量法算法用來計算3 相PWM 的占空比的αβ 空間電壓矢量V 的模，取值范圍：0 ～1。

這里算法上電壓矢量歸算為模的最大幅度為1。VM=1 時變頻器輸出線電壓的峰值達到母線電壓值。

VT：實際需要變頻器輸出線電壓有效值，單位Vac。

VMeas:實時測量到的直流母線電壓瞬時值，單位Vdc。

當(dāng)變頻器工作在定頻調(diào)壓段時，需要輸出頻率固定為工頻（50Hz），電壓幅度可調(diào)。為達到工頻最大電壓幅度輸出，本文提出了使變頻器輸出的電壓波形與交流電源同步從而與直流母線的紋波幅值同步的方法，利用直流母線的紋波峰值電壓來達到工頻最大電壓幅度輸出。

具體實現(xiàn)方法如下：

圖4 直流紋波與輸出電壓同步波形

圖4 中波形2 為L3電源端對直流母線負端的電壓波形。該電壓經(jīng)電源同步信號采集電路進行過零檢測，過零點正好對應(yīng)直流母線電壓最低點，作為同步點。變頻器輸出頻率為50HZ 時，單片機在每個過零點產(chǎn)生中斷，在中斷服務(wù)程序中調(diào)整生成波形的相位，使得輸出電壓波形與電源紋波（圖4 中波形1）同步。

由于三相電源三相電源波形相互相位差為120 度，直流母線的紋波每個電周期有6個波峰，每個占60度電角度，因此，每個周期的6 個波谷同步點任一個均可作為同步點。這6 個點分別對應(yīng)電源進線端L1、L2、L3 對母線地電壓點的過零檢測上升沿和下降沿。L1、L2、L3 端可任取一路做同步信號輸入。變頻器生成波形時以下6 個電角度中任一個與同步點同步都可保證輸出電壓幅值與直流母線電壓同步：0°、60°、120°、180°、240°、300°。

單片機在進入過零點中斷服務(wù)程序時，取目前時刻電壓矢量V 旋轉(zhuǎn)到的當(dāng)前電角度Aact（取值0 ～360°），計算保持同步需要調(diào)整的角度dA（°）：

如果：Temp ＞30°，dA=Temp-60°(此時dA 為負數(shù))

如果：Temp ＜30°，dA=Temp

最終調(diào)整后的實際相角Aac=Aact+dA，實際程序中不是一次調(diào)整到位，而是每次中斷調(diào)整一小部分dA，以避免頻率波動，實際調(diào)整公示：Aact=Aact+dA/n(n:調(diào)整次數(shù))。

無濾波電容的三相變頻器在電機低速段采用V/F 恒定的恒磁通變頻控制，中速段恒壓變頻控制，高速段定頻（工頻）調(diào)壓控制。

在電機高速段，頻率固定在電源同頻率（50Hz），波形生成算法上控制輸出的三相電壓波形與電源電壓波形同步，控制輸出電壓的幅值來控制電機轉(zhuǎn)速。這樣輸出電壓的峰值與直流電源紋波同步，充分利用電源電壓，使電機可以在工頻下達到最高轉(zhuǎn)速。變頻器的波形生成在常規(guī)的空間電壓矢量脈寬調(diào)制算法基礎(chǔ)上疊加了消除紋波算法以消除直流電壓紋波影響，輸出電壓為正弦波（濾除PWM 高頻后），電機電流為正弦波。

3 結(jié)語

本文提出的變頻器基于紋波消除、波形同步的變頻（低速段）、調(diào)壓（高速段）結(jié)合的技術(shù)，在省去濾波電解電容的情況下，降低了變頻器成本，提高了變頻器功率因素，且三相感應(yīng)電機可以實現(xiàn)工頻滿功率運行。非常適合用于風(fēng)機、水泵類負載的電機變頻調(diào)速控制。而且無濾波電容變頻器由于體積變小適合與風(fēng)機、水泵組合安裝成一體化的變頻風(fēng)機，變頻水泵產(chǎn)品。所以，本文提出的變頻器有效克服了現(xiàn)有技術(shù)中的一些缺點，具高度產(chǎn)業(yè)利用價值。