高壓變頻器
發布時間：2009-09-22 來源：揚子工具集團 瀏覽次數:43394如果不加輸出濾波器，三電平變頻器輸出時電機電流總諧波失真可以達到17%左
右，會引起電機諧波發熱，轉矩脈動。輸出電壓跳變臺階為一半直流母線電壓，dv/dt
也較大，會影響電機絕緣，所以一般需配特殊電機。若要使用普通電機，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，只對電壓變化率起抑制作用，使電機絕緣不受dv/dt 的影響，對電機運行動態性
能的影響較小，如果系統動態性能要求較高時，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
且濾波器中點接地，使電機承受的共模電壓很小，電機絕緣不受影響。正弦波濾波器
的滯后作用會影響系統的動態相應，同時由于濾波器對輸出電壓的衰減作用，也會限
制變頻器的最低運行頻率。由于濾波器采取低通設計，還限制了變頻器的輸出上限頻
率。濾波器在滿載時的損耗會降低變頻系統效率0.5%左右。
圖10 為三電平變頻器輸出電壓和經濾波器后輸出至電機的電壓波形。圖11a 和
11b 分別顯示了未經濾波和經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%，經過濾波后，可降低到4%左右，電機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實際存在的物理量，它僅僅是一種數學上處理，以便
于控制和分析。
若 UU，UV，UW為三相對稱正弦波，
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°度的三個方向上，
在復數坐標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
可見三相合成空間電壓矢量為一旋轉矢量，旋轉角速度為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，當某相電壓達到最大值時，合成空間矢量
即處于該相電壓對應的位置上。
這樣，空間電壓矢量就和三相電壓建立了一一對應關系。
在分析三電平變頻器空間電壓矢量控制時，以直流母線電壓的一半Ed 為單位長
度，畫出變頻器不同輸出狀態時的電壓矢量圖，圖13a 是變頻器輸出PNN
狀態時的空間電壓矢量圖，合成空間電壓矢量V = 2E∠00 A
ρ
，圖13b 是變
頻器在輸出PCN狀態時的空間電壓矢量圖，合成空間電壓矢量V = 3E∠300 B
ρ
。
圖13 不同狀態下的空間電壓矢量
a) PNN 狀態時矢量 b) PCN 狀態時矢量
依次可以畫出對應表2 中27 種開關模式的27 個空間矢量，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(圖中括弧內依次為
U，V，W 相的輸出狀態)。其中，PCC 和CNN，PPC 和CCN，CPC 和NCN，CPP 和NCC，
CCP 和NNC，PCP 和CNC 分別對應的空間矢量是一樣的，PPP，NNN，CCC 都對應零矢
量，所以菱形空間電壓矢量圖中有19 個獨立的空間電壓矢量，其中一個為零矢量。除
了零矢量外，18 個空間矢量把圓周360 度分為12 個小區
間，每個區間占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
合去逼近系統所需要的電壓矢量軌跡(穩態時為圓形)。三電平PWM 的控制指令是主控
系統根據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，其幅值正比于輸出電壓幅值，其旋轉角頻率正比于輸出電
壓頻率。
對三電平變頻器而言，一般在高速區采取三電平控制方式，其組合空間矢量由圖
14 中19 個空間矢量中的不同空間矢量組成；低速區采取二電平控制方式，其組合空
間矢量是由圖14 中里面的內六角形矢量(CNN，PCC 等)和零矢量組合而成。
由于每種內六角形矢量都對應二種開關狀態，零矢量對應三種開關狀態。在這些
矢量的開關狀態選擇時，有二個原則：一是矢量切換時，每相的狀態只能從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狀態變換次
數少，以減少開關次數，降低開關損耗。
圖15 三電平變頻器輸出波形
1) 低速運行時電壓矢量合成的數學表達式：
在低速運行的控制方式下，變頻器輸出電壓空間矢量是由菱形中的內六角形矢量
CNN(PCC)，CCN(PPC)，NCN(CPC)，NCC(CPP)，NNC(CCP)，CNC(PCP)中的2 個相鄰矢量
與零矢量組成的，上述內六角形矢量有一個共同特征，即在每個矢量的開關模式中，
P，N 狀態不會同時出現，所以輸出線電壓電平只能為0 或±Ed，不會出現±2Ed，變頻
器輸出線電壓為3 電平(圖15)�，F只要分析從矢量1 V
ρ
(CNN)位置開始到逆時針方向運
行60 度至矢量2 V
ρ
(CCN)位置的區間內(見圖16)，任意位置的空間矢量的數學表達式，
就可以類推其余300 度區間電壓矢量合成的數學表達式。
圖16 低速時空間電壓矢量合成
取T 為一微小時間間隔，如一周期分為6n 個時間間隔，則T=1/6nf1 (f1為變頻器
輸出頻率)�，F分析在1 V
ρ
到2 V
ρ
位置60 度弧度內任意位置的矢量ri V
ρ
的合成表達式。
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m=1 時，合成空間矢量幅值達到最大值，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 時間段內作用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)作用時間sin(60 ) 1 ri
T = mT o −θ
2 V
ρ
(CCN)作用時間ri T mT sinθ 2 =
零矢量(CCC 或NNN)作用時間[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)按上述時間進行組合，結果一
樣。
2) 高速運行時電壓矢量合成的數學表達式：
在高速運行的控制方式下，電機在三電平控制方式下運行。只要分析從矢量
1 V
ρ
(PNN)位置開始到逆時針方向運行30 度至矢量2 V
ρ
(PCN)位置的區間內，任意位置空
間矢量的數學表達式，就可以類推其余330 度區間電壓矢量合成的數學表達式。高速
運行時組成矢量對應的開關模式中，P，N 狀態會在一個矢量中同時出現，說明輸出線
電壓的電平除了0，±Ed 外，還會出現±2Ed，輸出線電壓為5 電平(圖15)。
取T 為一微小時間間隔，如一周期分為12n 個時間間隔，則T=1/12nf1 (f1 為變頻
器輸出頻率)。
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