高压变频器

发布时间：2009-09-22 来源：扬子工具集团浏览次数:37702

如果不加输出滤波器，三电平变频器输出时电机电流总谐波失真可以达到17%左
右，会引起电机谐波发热，转矩脉动。输出电压跳变台阶为一半直流母线电压，dv/dt
也较大，会影响电机绝缘，所以一般需配特殊电机。若要使用普通电机，必须附加输
出滤波器。输出滤波器有dv/dt 滤波器和正弦波滤波器二种，dv/dt 滤波器容量较
小，只对电压变化率起抑制作用，使电机绝缘不受dv/dt 的影响，对电机运行动态性
能的影响较小，如果系统动态性能要求较高时，适合采用，而且成本较低。正弦波滤
波器容量较大，输出电压波形可大大改善，接近正弦波，由于滤波器的阻抗较低，而
且滤波器中点接地，使电机承受的共模电压很小，电机绝缘不受影响。正弦波滤波器
的滞后作用会影响系统的动态相应，同时由于滤波器对输出电压的衰减作用，也会限
制变频器的最低运行频率。由于滤波器采取低通设计，还限制了变频器的输出上限频
率。滤波器在满载时的损耗会降低变频系统效率0.5%左右。
图10 为三电平变频器输出电压和经滤波器后输出至电机的电压波形。图11a 和
11b 分别显示了未经滤波和经滤波后电压的谐波分布图。滤波前，输出
总电压谐波失真为29%，经过滤波后，可降低到4%左右，电机的电流谐波失真可从
17%降低到2%左右。
图10 三电平变频器输出电压和滤波后电压

图11 三电平变频器输出电压谐波和滤波后电压谐波
a) 变频器输出电压谐波 b) 滤波后电压谐波
2.2 三电平电压空间矢量控制
空间电压矢量并不代表某个实际存在的物理量，它仅仅是一种数学上处理，以便
于控制和分析。
若 UU，UV，UW为三相对称正弦波，
U U cos( t) U m = ω
)
3
U =U cos(ωt − 2π V m
)
3
U =U cos(ωt + 2π W m
按图12 所示，将三相电压置于空间互差120°度的三个方向上，
在复数坐标系中定义空间电压矢量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
图12 空间电压矢量示意图
可见三相合成空间电压矢量为一旋转矢量，旋转角速度为ω ，等于相电压的角频
率，幅值为m U
2
3 ，即相电压幅值的1.5 倍，当某相电压达到最大值时，合成空间矢量
即处于该相电压对应的位置上。
这样，空间电压矢量就和三相电压建立了一一对应关系。
在分析三电平变频器空间电压矢量控制时，以直流母线电压的一半Ed 为单位长
度，画出变频器不同输出状态时的电压矢量图，图13a 是变频器输出PNN
状态时的空间电压矢量图，合成空间电压矢量V = 2E∠00 A
ρ
，图13b 是变
频器在输出PCN状态时的空间电压矢量图，合成空间电压矢量V = 3E∠300 B
ρ
。
图13 不同状态下的空间电压矢量
a) PNN 状态时矢量 b) PCN 状态时矢量
依次可以画出对应表2 中27 种开关模式的27 个空间矢量，把这些空间矢量
综合为一体，就得到图14 所示的菱形空间电压矢量图(图中括弧内依次为
U，V，W 相的输出状态)。其中，PCC 和CNN，PPC 和CCN，CPC 和NCN，CPP 和NCC，
CCP 和NNC，PCP 和CNC 分别对应的空间矢量是一样的，PPP，NNN，CCC 都对应零矢

量，所以菱形空间电压矢量图中有19 个独立的空间电压矢量，其中一个为零矢量。除
了零矢量外，18 个空间矢量把圆周360 度分为12 个小区
间，每个区间占30 度空间角度。
图14 菱形空间电压矢量图
电压空间矢量控制的基本原理就是用三电平变频器所具有的菱形矢量图中矢量组
合去逼近系统所需要的电压矢量轨迹(稳态时为圆形)。三电平PWM 的控制指令是主控
系统根据V/f 控制或者矢量控制等控制策略得到的空间电压矢量给定值V r(θ ) ri =
ρ
，它
以某一角速度在空间旋转，其幅值正比于输出电压幅值，其旋转角频率正比于输出电
压频率。
对三电平变频器而言，一般在高速区采取三电平控制方式，其组合空间矢量由图
14 中19 个空间矢量中的不同空间矢量组成；低速区采取二电平控制方式，其组合空
间矢量是由图14 中里面的内六角形矢量(CNN，PCC 等)和零矢量组合而成。
由于每种内六角形矢量都对应二种开关状态，零矢量对应三种开关状态。在这些
矢量的开关状态选择时，有二个原则：一是矢量切换时，每相的状态只能从P 到C，C
到N，或反着变换，不能直接从P 到N，或N 到P。二是尽量使矢量切换时状态变换次
数少，以减少开关次数，降低开关损耗。

图15 三电平变频器输出波形
1) 低速运行时电压矢量合成的数学表达式：
在低速运行的控制方式下，变频器输出电压空间矢量是由菱形中的内六角形矢量
CNN(PCC)，CCN(PPC)，NCN(CPC)，NCC(CPP)，NNC(CCP)，CNC(PCP)中的2 个相邻矢量
与零矢量组成的，上述内六角形矢量有一个共同特征，即在每个矢量的开关模式中，
P，N 状态不会同时出现，所以输出线电压电平只能为0 或±Ed，不会出现±2Ed，变频
器输出线电压为3 电平(图15)。现只要分析从矢量1 V
ρ
(CNN)位置开始到逆时针方向运
行60 度至矢量2 V
ρ
(CCN)位置的区间内(见图16)，任意位置的空间矢量的数学表达式，
就可以类推其余300 度区间电压矢量合成的数学表达式。
图16 低速时空间电压矢量合成
取T 为一微小时间间隔，如一周期分为6n 个时间间隔，则T=1/6nf1 (f1为变频器
输出频率)。现分析在1 V
ρ
到2 V
ρ
位置60 度弧度内任意位置的矢量ri V
ρ
的合成表达式。
定义电压利用率m 为输出线电压峰值与直流母线电压一半的比值
d
m
E
m 3U = ( 0 < m < 1) d E 为一半的直流母线电压，Um 为输出相电压峰值
所以ri m d V U mE
2
3
2
= 3 =
ρ

当m=1 时，合成空间矢量幅值达到最大值，为d E
2
3 ，输出相电压峰值为
d 3 E ，输出线电压峰值为d E 。
ri V
ρ
是由1 V
ρ
(CNN)在T 时间段内作用1 T 和2 V
ρ
(CCN)作用 2 T ，和零矢量(可选CCC 或
NNN)作用 0 T 合成的，
则可得： 2
2
1
1 V
T
V T
T
V T ri
ρ ρ ρ
= + ，将ri V
ρ
沿α 轴及β 轴分解可得：
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)作用时间sin(60 ) 1 ri
T = mT o −θ
2 V
ρ
(CCN)作用时间ri T mT sinθ 2 =
零矢量(CCC 或NNN)作用时间[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)按上述时间进行组合，结果一
样。
2) 高速运行时电压矢量合成的数学表达式：
在高速运行的控制方式下，电机在三电平控制方式下运行。只要分析从矢量
1 V
ρ
(PNN)位置开始到逆时针方向运行30 度至矢量2 V
ρ
(PCN)位置的区间内，任意位置空
间矢量的数学表达式，就可以类推其余330 度区间电压矢量合成的数学表达式。高速
运行时组成矢量对应的开关模式中，P，N 状态会在一个矢量中同时出现，说明输出线
电压的电平除了0，±Ed 外，还会出现±2Ed，输出线电压为5 电平(图15)。
取T 为一微小时间间隔，如一周期分为12n 个时间间隔，则T=1/12nf1 (f1 为变频
器输出频率)。

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