异步电机作为现代工业生产中的重要机电装备,在起动时为减少电流冲击均配有软起动设备。在众多软起动方式中,变频器既可以实现交流电机的平滑调速,且因起动电流与负载转矩成正比,还可以通过增加电流来提高转矩,可以称为最理想的软起动方式。本文在传统交直交电压源变频器主电路上改进,提出带开关回馈电容和带逆流电阻的两种拓扑结构,该方案去掉了传统变频器中的大容量电解电容,并用小容量薄膜电容取而代之,这样可减小变频器体积,节约成本。同时,小电容变频器整流后波形变为六脉波的直流电压,通过控制逆变桥中功率开关管的开关状态使逆变输出和电网电压保持一致,从而方便变频器的输出旁路切换。本文主要从下列几方面对小电容变频器软起动展开研究。(1)总结变频器的分类并介绍其结构组成,阐述其调压调速原理以及拓扑结构的工作原理,在此基础上提出带逆流电阻的小电容变频器拓扑结构,并分析该拓扑结构下的工作原理。然后进行新拓扑结构下直流环节参数的选取分析,并给出计算方法。并且计算逆流电阻的功耗,表明其存在会使电机的能效最多下降3%,由于本文主要研究变频器软起动性能,因此在电机起动完成后,可以进行变频器的旁路切换。(2)分析在小电容结构下,变频器直流侧电压的波动情况,并给出其表达式同时进行傅里叶展开分析。其次建立完整的交直交电压源变频器的数学模型,包括其网端整流侧数学模型以及输出端逆变侧的数学模型,并且都采用矢量分析的方法进行统一建模,同时建立了异步电机的数学模型,有效简化了电机模型的复杂性。(3)在SPWM控制方法的控制下,对小电容变频器的逆变输出进行谐波分析,阐述输出谐波对负载电机造成的不利影响。进而根据直流脉动电压实时改变调制波幅值的SPWM控制方法,并对其进行仿真分析验证。结果表明改进后的控制方法对逆变桥的输出谐波特性有所改善,输出电压总谐波畸变率下降2%左右,输出电流总谐波畸变率下降10%左右,同时输出电压和电流的基波幅值均有所增大。(4)另外总结分类变频器的旁路切换方式,并重点介绍同步切换原理,分析120°方波的控制方法,并对其控制下的逆变输出进行谐波分析,结果表明其谐波含量过高,之后便提出本文调制方波的控制方法,详细介绍其生成方法并用对其进行矢量分析,同时也对其控制下的变频器逆变输出进行谐波分析,结果表明谐波谐波畸变率由48.4%到3.95%大幅度降低。在该方法控制下进行旁路切换时,切换点选取为电机定子电流过零点,同时为避免交流接触器的切换延时,并设计旁路开关。(5)在仿真工具MATLAB/Simulink中,搭建文中带逆流电阻的小电容变频器仿真模型和其旁路切换仿真模型,介绍仿真模型重要子系统的组成及功能,同时对仿真模块的观测结果进行分析。并与SPWM控制下进行旁路的结果进行对比,结果表明在调制方波控制下进行变频器输出切换,电机的冲击电流大致和其稳态运行时峰值电流大小持平,且转速、转矩的波动均很小,实现了电机至电网的无扰切换。最后,总结介绍本课题的系统,包括主电路、保护电路以及控制系统的软硬件设计等。本文提出的带逆流电阻的小电容变频器拓扑结构,根据直流电压的变化规律和特性采用与之相应的变频控制调制方法来实现变频器调速软起动和起动之后的旁路切换。在控制理论上,首先实现变频调速功能,其次在接近工频时利用过调制产生的开关时间间隙和开关状态实现普通软启动器的旁路切换功能。实现类似于可控硅软启动器的变频与工频的无扰切换,同时具有变频调速的无级起动性能,实现变频和软起动的一体化。