高壓變頻器
發(fā)布時(shí)間：2009-09-22 來(lái)源：揚(yáng)子工具集團(tuán) 瀏覽次數(shù):40528如果不加輸出濾波器，三電平變頻器輸出時(shí)電機(jī)電流總諧波失真可以達(dá)到17%左
右，會(huì)引起電機(jī)諧波發(fā)熱，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。輸出電壓跳變臺(tái)階為一半直流母線電壓，dv/dt
也較大，會(huì)影響電機(jī)絕緣，所以一般需配特殊電機(jī)。若要使用普通電機(jī)，必須附加輸
出濾波器。輸出濾波器有dv/dt 濾波器和正弦波濾波器二種，dv/dt 濾波器容量較
小，只對(duì)電壓變化率起抑制作用，使電機(jī)絕緣不受dv/dt 的影響，對(duì)電機(jī)運(yùn)行動(dòng)態(tài)性
能的影響較小，如果系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能要求較高時(shí)，適合采用，而且成本較低。正弦波濾
波器容量較大，輸出電壓波形可大大改善，接近正弦波，由于濾波器的阻抗較低，而
且濾波器中點(diǎn)接地，使電機(jī)承受的共模電壓很小，電機(jī)絕緣不受影響。正弦波濾波器
的滯后作用會(huì)影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)相應(yīng)，同時(shí)由于濾波器對(duì)輸出電壓的衰減作用，也會(huì)限
制變頻器的最低運(yùn)行頻率。由于濾波器采取低通設(shè)計(jì)，還限制了變頻器的輸出上限頻
率。濾波器在滿(mǎn)載時(shí)的損耗會(huì)降低變頻系統(tǒng)效率0.5%左右。
圖10 為三電平變頻器輸出電壓和經(jīng)濾波器后輸出至電機(jī)的電壓波形。圖11a 和
11b 分別顯示了未經(jīng)濾波和經(jīng)濾波后電壓的諧波分布圖。濾波前，輸出
總電壓諧波失真為29%，經(jīng)過(guò)濾波后，可降低到4%左右，電機(jī)的電流諧波失真可從
17%降低到2%左右。
圖10 三電平變頻器輸出電壓和濾波后電壓
圖11 三電平變頻器輸出電壓諧波和濾波后電壓諧波
a) 變頻器輸出電壓諧波 b) 濾波后電壓諧波
2.2 三電平電壓空間矢量控制
空間電壓矢量并不代表某個(gè)實(shí)際存在的物理量，它僅僅是一種數(shù)學(xué)上處理，以便
于控制和分析。
若 UU，UV，UW為三相對(duì)稱(chēng)正弦波，
U U cos( t) U m = ω
)
3
U =U cos(ωt − 2π V m
)
3
U =U cos(ωt + 2π W m
按圖12 所示，將三相電壓置于空間互差120°度的三個(gè)方向上，
在復(fù)數(shù)坐標(biāo)系中定義空間電壓矢量ri U V W V U αU α 2U
ρ ρ ρ
= + +
)
3
) cos( 2
3
cos cos( 2 =U ωt + e 1200U ωt − π + e− 1200U ωt + π m
j
m
j
m
j t
mU e ω
2
= 3
圖12 空間電壓矢量示意圖
可見(jiàn)三相合成空間電壓矢量為一旋轉(zhuǎn)矢量，旋轉(zhuǎn)角速度為ω ，等于相電壓的角頻
率，幅值為m U
2
3 ，即相電壓幅值的1.5 倍，當(dāng)某相電壓達(dá)到最大值時(shí)，合成空間矢量
即處于該相電壓對(duì)應(yīng)的位置上。
這樣，空間電壓矢量就和三相電壓建立了一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。
在分析三電平變頻器空間電壓矢量控制時(shí)，以直流母線電壓的一半Ed 為單位長(zhǎng)
度，畫(huà)出變頻器不同輸出狀態(tài)時(shí)的電壓矢量圖，圖13a 是變頻器輸出PNN
狀態(tài)時(shí)的空間電壓矢量圖，合成空間電壓矢量V = 2E∠00 A
ρ
，圖13b 是變
頻器在輸出PCN狀態(tài)時(shí)的空間電壓矢量圖，合成空間電壓矢量V = 3E∠300 B
ρ
。
圖13 不同狀態(tài)下的空間電壓矢量
a) PNN 狀態(tài)時(shí)矢量 b) PCN 狀態(tài)時(shí)矢量
依次可以畫(huà)出對(duì)應(yīng)表2 中27 種開(kāi)關(guān)模式的27 個(gè)空間矢量，把這些空間矢量
綜合為一體，就得到圖14 所示的菱形空間電壓矢量圖(圖中括弧內(nèi)依次為
U，V，W 相的輸出狀態(tài))。其中，PCC 和CNN，PPC 和CCN，CPC 和NCN，CPP 和NCC，
CCP 和NNC，PCP 和CNC 分別對(duì)應(yīng)的空間矢量是一樣的，PPP，NNN，CCC 都對(duì)應(yīng)零矢
量，所以菱形空間電壓矢量圖中有19 個(gè)獨(dú)立的空間電壓矢量，其中一個(gè)為零矢量。除
了零矢量外，18 個(gè)空間矢量把圓周360 度分為12 個(gè)小區(qū)
間，每個(gè)區(qū)間占30 度空間角度。
圖14 菱形空間電壓矢量圖
電壓空間矢量控制的基本原理就是用三電平變頻器所具有的菱形矢量圖中矢量組
合去逼近系統(tǒng)所需要的電壓矢量軌跡(穩(wěn)態(tài)時(shí)為圓形)。三電平PWM 的控制指令是主控
系統(tǒng)根據(jù)V/f 控制或者矢量控制等控制策略得到的空間電壓矢量給定值V r(θ ) ri =
ρ
，它
以某一角速度在空間旋轉(zhuǎn)，其幅值正比于輸出電壓幅值，其旋轉(zhuǎn)角頻率正比于輸出電
壓頻率。
對(duì)三電平變頻器而言，一般在高速區(qū)采取三電平控制方式，其組合空間矢量由圖
14 中19 個(gè)空間矢量中的不同空間矢量組成；低速區(qū)采取二電平控制方式，其組合空
間矢量是由圖14 中里面的內(nèi)六角形矢量(CNN，PCC 等)和零矢量組合而成。
由于每種內(nèi)六角形矢量都對(duì)應(yīng)二種開(kāi)關(guān)狀態(tài)，零矢量對(duì)應(yīng)三種開(kāi)關(guān)狀態(tài)。在這些
矢量的開(kāi)關(guān)狀態(tài)選擇時(shí)，有二個(gè)原則：一是矢量切換時(shí)，每相的狀態(tài)只能從P 到C，C
到N，或反著變換，不能直接從P 到N，或N 到P。二是盡量使矢量切換時(shí)狀態(tài)變換次
數(shù)少，以減少開(kāi)關(guān)次數(shù)，降低開(kāi)關(guān)損耗。
圖15 三電平變頻器輸出波形
1) 低速運(yùn)行時(shí)電壓矢量合成的數(shù)學(xué)表達(dá)式：
在低速運(yùn)行的控制方式下，變頻器輸出電壓空間矢量是由菱形中的內(nèi)六角形矢量
CNN(PCC)，CCN(PPC)，NCN(CPC)，NCC(CPP)，NNC(CCP)，CNC(PCP)中的2 個(gè)相鄰矢量
與零矢量組成的，上述內(nèi)六角形矢量有一個(gè)共同特征，即在每個(gè)矢量的開(kāi)關(guān)模式中，
P，N 狀態(tài)不會(huì)同時(shí)出現(xiàn)，所以輸出線電壓電平只能為0 或±Ed，不會(huì)出現(xiàn)±2Ed，變頻
器輸出線電壓為3 電平(圖15)�，F(xiàn)只要分析從矢量1 V
ρ
(CNN)位置開(kāi)始到逆時(shí)針?lè)较蜻\(yùn)
行60 度至矢量2 V
ρ
(CCN)位置的區(qū)間內(nèi)(見(jiàn)圖16)，任意位置的空間矢量的數(shù)學(xué)表達(dá)式，
就可以類(lèi)推其余300 度區(qū)間電壓矢量合成的數(shù)學(xué)表達(dá)式。
圖16 低速時(shí)空間電壓矢量合成
取T 為一微小時(shí)間間隔，如一周期分為6n 個(gè)時(shí)間間隔，則T=1/6nf1 (f1為變頻器
輸出頻率)。現(xiàn)分析在1 V
ρ
到2 V
ρ
位置60 度弧度內(nèi)任意位置的矢量ri V
ρ
的合成表達(dá)式。
定義電壓利用率m 為輸出線電壓峰值與直流母線電壓一半的比值
d
m
E
m 3U = ( 0 < m < 1) d E 為一半的直流母線電壓，Um 為輸出相電壓峰值
所以ri m d V U mE
2
3
2
= 3 =
ρ
當(dāng)m=1 時(shí)，合成空間矢量幅值達(dá)到最大值，為d E
2
3 ，輸出相電壓峰值為
d 3 E ，輸出線電壓峰值為d E 。
ri V
ρ
是由1 V
ρ
(CNN)在T 時(shí)間段內(nèi)作用1 T 和2 V
ρ
(CCN)作用 2 T ，和零矢量(可選CCC 或
NNN)作用 0 T 合成的，
則可得： 2
2
1
1 V
T
V T
T
V T ri
ρ ρ ρ
= + ，將ri V
ρ
沿α 軸及β 軸分解可得：
ri ri
T V T V cos60o T V cosθ 1 1 2 2
ρ ρ ρ
+ =
ri ri
T V sin 60o T V sinθ 2 2
ρ ρ
=
d V = V = E 1 2
ρ ρ
解得1 V
ρ
(CNN)作用時(shí)間sin(60 ) 1 ri
T = mT o −θ
2 V
ρ
(CCN)作用時(shí)間ri T mT sinθ 2 =
零矢量(CCC 或NNN)作用時(shí)間[1 sin( 60 )] 0 1 2
o
ri T = T −T −T = T − m θ +
或者取1 V
ρ
(PCC)， 2 V
ρ
(PPC)和零矢量(CCC 或PPP)按上述時(shí)間進(jìn)行組合，結(jié)果一
樣。
2) 高速運(yùn)行時(shí)電壓矢量合成的數(shù)學(xué)表達(dá)式：
在高速運(yùn)行的控制方式下，電機(jī)在三電平控制方式下運(yùn)行。只要分析從矢量
1 V
ρ
(PNN)位置開(kāi)始到逆時(shí)針?lè)较蜻\(yùn)行30 度至矢量2 V
ρ
(PCN)位置的區(qū)間內(nèi)，任意位置空
間矢量的數(shù)學(xué)表達(dá)式，就可以類(lèi)推其余330 度區(qū)間電壓矢量合成的數(shù)學(xué)表達(dá)式。高速
運(yùn)行時(shí)組成矢量對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)模式中，P，N 狀態(tài)會(huì)在一個(gè)矢量中同時(shí)出現(xiàn)，說(shuō)明輸出線
電壓的電平除了0，±Ed 外，還會(huì)出現(xiàn)±2Ed，輸出線電壓為5 電平(圖15)。
取T 為一微小時(shí)間間隔，如一周期分為12n 個(gè)時(shí)間間隔，則T=1/12nf1 (f1 為變頻
器輸出頻率)。
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