針對大容量電解電容導緻變頻器體積大、成本高、故障多的缺點，陝西科技大學電氣與控制工程學院的研究人員謝仕宏、孟彥京、高钰淇、馬彙海，在2020年第4期《電工技術學報》上撰文，提出一種開關控制小電容變頻器實現方案。

研究結果表明，變頻器在短路零電壓矢量作用下無能量回饋，感應電機磁場儲能以電機損耗形式釋放，轉子轉速快速下降；變頻器在開路零電壓矢量作用下，受直流母線電壓抑制，感應電機回饋能量較小，轉子轉速下降較慢；在變頻器直流母線電壓允許波動100V情況下，所需電容容量小于傳統變頻器的1/10。

變頻器-感應電機系統是目前變頻調速的主要形式，在工業生産、船艦驅動及軌道交通等領域廣泛應用。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關注的焦點。傳統電壓型交-直-交變頻器直流母線并聯有大容量電解電容，電解電容本身的缺點導緻變頻器故障頻發、體積增大、維修成本上升。

現有文獻多側重變頻器-感應電機系統的能量回饋控制，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電機回饋能量的作用，因此，分析感應電機能量回饋原理，探索減小變頻器電解電容容量的理論依據，是實現小電容變頻器的關鍵，具有重要的理論研究和實際應用價值。

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

有學者提出一種直接功率和轉矩一體化控制的能量回饋變頻器，有學者提出基于電流幅相控制的變頻器-電動機系統能量回饋控制方法，有學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間設置一個三相逆變器實現能量回饋控制，因此增加了系統成本及複雜性。

• 有學者提出基于脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation, PWM）整流雙功率因數校正（Power Factor Correction, PFC）模型的電機能量回饋控制方法，不僅能實現電動機能量回饋制動，還可實現網側單位功率因數控制。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，導緻設備成本和體積增加。
• 有學者提出基于鎖相環的調節整流角與調節勵磁相結合的控制方法，實現負載換流逆變器驅動同步電機的回饋制動控制。但該方法用可控矽作為整流和逆變元件，降低了系統調速性能。
• 有學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網側高功率因數控制。但這些文獻提出的變頻器網側都為帶儲能電感的單相交流整流電路，不适用于三相交-直-交變頻器。
• 有學者提出帶開關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電機磁場能量構成及變化特性，也沒有物理實驗驗證。
• 有學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，但也缺乏相應物理驗證。
• 有學者對感應電機三相突然短路實驗進行了分析研究，總結了感應電機三相突然短路時定子電流和電磁轉矩的變化情況。
• 短路零電壓矢量控制和感應電機三相突然短路本質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，陝西科技大學電氣與控制工程學院的研究人員提出一種直流母線帶開關小電容的變頻器-感應電機系統控制方法。

圖1 小電容變頻器-感應電機系統

圖2 變頻器-感應電機實驗系統

首先提出開關小電容變頻器電路結構，然後推導變頻器不同開關狀态下感應電機能量回饋特性，接着分析了電容參數計算方法及變頻器控制方法，最後建立小電容變頻器-感應電機實驗系統進行實驗分析。

研究結果顯示：

• 1）感應電機正向電動運行時回饋能量與逆變器開關狀态有關，回饋電流大小等于感應電機一相電流，回饋時間持續較短，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-感應電機系統穩态性能與傳統變頻器-感應電機系統基本一緻，但動态響應速度較慢。
• 5）實驗結果驗證了小電容變頻器的可行性。

以上研究成果發表在2020年第4期《電工技術學報》，論文标題為“小電容變頻器及感應電機回饋能量分析”，作者為謝仕宏、孟彥京、高钰淇、馬彙海。

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