小电容变频器及感应电机回馈能量分析
针对大容量电解电容导致变频器体积大、成本高、故障多的缺点，陕西科技大学电气与控制工程学院的研究人员谢仕宏、孟彦京、高钰淇、马汇海，在2020年第4期《电工技术学报》上撰文，提出一种开关控制小电容变频器实现方案。
研究结果表明，变频器在短路零电压矢量作用下无能量回馈，感应电机磁场储能以电机损耗形式释放，转子转速快速下降；变频器在开路零电压矢量作用下，受直流母线电压抑制，感应电机回馈能量较小，转子转速下降较慢；在变频器直流母线电压允许波动100V情况下，所需电容容量小于传统变频器的1/10。
变频器-感应电机系统是目前变频调速的主要形式，在工业生产、船舰驱动及轨道交通等领域广泛应用。提高变频器的可靠性、电能变换效率和功率密度也成为各行业关注的焦点。传统电压型交-直-交变频器直流母线并联有大容量电解电容，电解电容本身的缺点导致变频器故障频发、体积增大、维修成本上升。
现有文献多侧重变频器-感应电机系统的能量回馈控制，对变频器可靠性和功率密度有重要影响的电解电容研究不足。除滤波功能以外，电解电容还具有吸收感应电机回馈能量的作用，因此，分析感应电机能量回馈原理，探索减小变频器电解电容容量的理论依据，是实现小电容变频器的关键，具有重要的理论研究和实际应用价值。
按照能量处理方法，感应电机制动方式通常分为回馈制动、反接制动和能耗制动。回馈制动因提高了变频器的电能使用效率，近年来受到广泛研究。
有学者提出一种直接功率和转矩一体化控制的能量回馈变频器，有学者提出基于电流幅相控制的变频器-电动机系统能量回馈控制方法，有学者提出基于直接电流控制的电机能量回馈控制方法。
以上研究的共同特点是在直流母线与电网间设置一个三相逆变器实现能量回馈控制，因此增加了系统成本及复杂性。
有学者提出基于脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation, PWM）整流双功率因数校正（Power Factor Correction, PFC）模型的电机能量回馈控制方法，不仅能实现电动机能量回馈制动，还可实现网侧单位功率因数控制。但该方法采用PWM整流取代二极管整流，并未减小直流母线电容，导致设备成本和体积增加。
有学者提出基于锁相环的调节整流角与调节励磁相结合的控制方法，实现负载换流逆变器驱动同步电机的回馈制动控制。但该方法用可控硅作为整流和逆变元件，降低了系统调速性能。
有学者提出小电容三相逆变器控制方法，通过采用直流功率控制或输入电流控制实现网侧高功率因数控制。但这些文献提出的变频器网侧都为带储能电感的单相交流整流电路，不适用于三相交-直-交变频器。
有学者提出带开关回馈电容的变频器控制方案，并对回馈能量进行了计算，但该文献并未分析感应电机磁场能量构成及变化特性，也没有物理实验验证。
有学者提出一种空间电压矢量控制的开路零电压矢量概念，对三相逆变器在开路零电压矢量和短路零电压矢量下电动机磁场变化进行了分析，但也缺乏相应物理验证。
有学者对感应电机三相突然短路实验进行了分析研究，总结了感应电机三相突然短路时定子电流和电磁转矩的变化情况。
短路零电压矢量控制和感应电机三相突然短路本质上都属于电动机能耗制动，虽然电能使用效率不如能量回馈制动，但可减小变频器直流母线电解电容容量，有效提高了变频器可靠性和功率密度。
针对上述问题，陕西科技大学电气与控制工程学院的研究人员提出一种直流母线带开关小电容的变频器-感应电机系统控制方法。
图1 小电容变频器-感应电机系统
图2 变频器-感应电机实验系统
首先提出开关小电容变频器电路结构，然后推导变频器不同开关状态下感应电机能量回馈特性，接着分析了电容参数计算方法及变频器控制方法，最后建立小电容变频器-感应电机实验系统进行实验分析。
研究结果显示：
1）感应电机正向电动运行时回馈能量与逆变器开关状态有关，回馈电流大小等于感应电机一相电流，回馈时间持续较短，回馈能量也较小。
2）在允许变频器直流母线电压有一定增加量时可减小传统变频器所需的电解电容容量。
3）小电容变频器采用SVPWM控制时可有效抑制直流母线电压脉动造成的影响。
4）小电容变频器-感应电机系统稳态性能与传统变频器-感应电机系统基本一致，但动态响应速度较慢。
5）实验结果验证了小电容变频器的可行性。