三相SPWM逆变电源输出电压的谐波抑制综合方法精.docx

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三相SPWM逆变电源输出电压的谐波抑制综合方法精

PE电力电子

三相SPWM逆变电源输出电压的谐波抑制综合方法

王正潘高强

（沈阳工业大学电气工程学院，沈阳110178）

摘要基于正弦脉宽调制技术（SPWM）的逆变电路应用，利用傅里叶变换对电压型SPWM逆变电源的输出电压进行了分析，并提出了易于工程实现的谐波抑制方法。

分别从调制法和计算法出发，采用在正弦调制波中叠加入一定比例的零序谐波和特定谐波消除PWM法，并且利用Matlab/Simulink进行了仿真，并且做了对比试验，验证了抑制方法的正确性。

关键词：

逆变电源；谐波分析；傅里叶变换；特定消谐法；SPWM法

SyntheticMethodofOutputVoltageHarmonicSuppression

ofThree-PhaseSPWMInvertingPowerSupplies

WangZhengPanGaoqiang

（SchoolofElectricalEng.,ShenyangUniversityofTechnology,Shenyang110178）

AbstractInvertercircuitbasedonSPWMtechnologyiswidelyused,thispaperanalyzestheoutputvoltageofvoltage-SPWMinvertingpowerusingFouriertransform,andpresentstwokindsofharmonicristraintmethodwhichiseasytoachieve.Frommodulationmethodandcalculationmethod,thispaperadoptsthatinjectingacertainpercentageofzero-sequenceharmonicsinthesinemodulatedwaveandselectedharmoniceliminationPWMmethod,alsosimulatesusingMatlab/simulink,andexperimentizescontrastively,thevalidityofrestraintmethodisverified.

Keywords：

invertingpowersupplies；harmonicanalysis；fouriertransform；SHE；SPWM

1引言

随着SPWM控制技术在电力电子逆变电源的广泛应用，为了降低逆变电路输出侧产生的高次谐波对其负载和周围电气装置所产生的负面影响，人们把改善输出波形，消除谐波，提高波形质量作为一项重要的研究内容。

所以，对SPWM波形的谐波分析有着十分重要的意义。

针对现代各行各业对电气设备控制性能日益提高的要求，本文对电压型SPWM逆变电源的控制方法进行了谐波分析，根据谐波在频谱上的分布情况，提出减少谐波对电机及其他用电设备危害的方法。

SPWM）是在脉宽调制（PWM）的基础上发展起来

的。

因其调制波采用正弦波故称为正弦脉宽调制。

正弦波脉宽调制SPWM是利用三角波与正弦波的交点作为逆变电源的开关控制信号，SPWM逆变电源主电路和控制方式波形如图1所示。

其中逆变电源的主回路采用高速开关元件，以保证逆变电源能工作在较高的开关频率下。

SPWM控制技术的实质在于功率开关元件的开关信号是通过期望频率的正弦调制波与特定的载波信号相比较而获得的。

这种方法适用于各种调频或调压装置中，是一种开关式稳压电源领域广泛应用的方法。

在变频器中，通过正弦脉宽调制来控制逆变电源的功率开关器件的导通或关断，将整流器变换成的直流电压逆变为具有可控幅值和频率的电压源。

2SPWM逆变电源模型的建立

正弦脉宽调制（SinusoidPulseWidthModulation-

2010年第1期37

PE

33.13.2uaouabn

PE电力电子

当k取不同值时，调制函数f（ωt）中注入的3次谐波含量亦不同。

图2为调制系数Μ为0.9情况下

式中，an=0；

N

⎡⎤i

bn=（4/nπ）×⎢1+2∑（−1）cos（nαi）⎥,n=1,3,5,⋅⋅⋅。

i=1⎣⎦

k不同时的调制函数波形，其中包括k=0、0.1、0.2、0.5四种情况。

式（5）表明，谐波幅值与开关角α有关，只要适当选择N个α值，就可以使基波电压得到控制并且消除N-1个频率的特定谐波。

对于三相对称负载而言，3的整数倍次谐波在线电压中因同相被抵消，所以只存在的谐波次数为5，7，11，13，…。

如果令q为选定的输出基波电压与逆变器直流

侧电压的幅值比[（E1Ed2）]，被指定消除的N-1个谐波幅值为零，则周期内的开关角的方程组为

⎧b1=q

⎪（6）N

4⎨i

⎪bk=kπ[1+2∑（−1）cos（kαi）]=0

i=1⎩

图2注入三次谐波后的调制函数波形图

由图2可见，改变k便可改变调制函数f（ωt）与横轴之间包围的面积，从而可使逆变器输出电压的幅值随之改变。

同时，当逆变电源加入对称负载时，3的整数倍谐波自行消失，因此，注入3次谐波分量的

式中，k=6i±1（i=1,2,⋅⋅⋅）为谐波次数；αi为1/4周期内第j个开关角。

5仿真与试验验证

5.1调制法的仿真验证

本文就图1所示电路应用Matlab/Simulink作仿真分析[6]。

仿真负载为异步电动机，电动机星形连接，空载运行，逆变器采用双极性同步调制，载波为共用的等腰三角波，频率fc=2850Hz；调制波为三相正弦波，频率fs=50Hz，调制度M=0.9。

式（4）中k从0到0.5之间变化，得出在不同3次谐波系数k时逆变器输出电压谐波含量变化如表1所示。

表1不同k时逆变器输出线电压谐波含量变化

k0.15

23.4021.6828.56

THDSPWM并不增加逆变器输出电压中的谐波含量。

4.3计算法

本文介绍在计算法中一种较有代表性的方法——特定谐波消去法。

其基本理论是在电压波形的特定位置设置“缺口”，通过每半个周期间中逆变器的多次换向，恰当地控制逆变器脉宽调制电压的波形，通过脉宽平均法把逆变器输出的方波电压转换成等效的正弦波，以消除某些特定的谐波。

若以图1中的直流侧电压中点O为参考点，可得出a相双极性的电压输出波形，如图3所示。

而b、c相的电压波形只需将a相的波形移相120°和240°即可得到[4-5]。

uao

+Ed0

-Ed/2

由表1可知，当k=0（即没有注入三次谐波）时，逆变电源输出线电压uab的THD为29.88%。

当k由零逐渐增大时，逆变电源输出线电压THD就逐渐减小。

直到k=0.25时，逆变器输出线电压uab的THD为21.66%，此时逆变电源输出线电压uab的

THD最小。

当k值超过0.25时，逆变器输出线电压uab的THD又逐渐增大。

当k=0.5时，逆变器输出线电压uab的

图3特定谐波消除PWM的相电压波形

从0到π/2的电压波形有N个开关时刻，波形在[0,2π]域对π点为中心对称，在[0,2π]域对π/2点为轴对称，因此，a相电压的傅里叶级数为

THD为28.56%。

由以上分析说明：

三次谐波分量的注入并不是越多越好，更不能随便定一个数值，而是要根据具体的电路结构和载波频率来选择一个比较合适的值。

本文仿真得到比较理想的k值为0.25。

2010年第1期39

v（t）=

∑[ancos（nωt）+bnsin（nωt）]（5）

n=0

∞

q

技术与应用

综合比较以上中性线故障特点和现有的故障监测技术，中性线接地故障前后，系统信号没有发生变化，因此不能采用第一类基于系统故障本省进行选线，采用外加信号注入法进行中性线接地故障监测是较好的选择。

6结论

图6中性线接地故障

•

•

中性线故障点对地电容电流：

if=jωC0U0G=0根据以上分析可知，中性线发生接地故障时，中性线对地电压和电流都为零，与负载对称是否，中性线对地电容大小，过渡电阻大小无关；相线对地电压，对地电容电流不变。

介绍了配出中性线的IT系统目前研究现状和主要特点，分析了该系统在正常运行、相线接地故障以及中性线接地故障三种状态下，中性线对地电压和电流，总结了单相接地和中性线接地两种故障前后中性线特点，探讨了中性线接地故障监测研究方向。

参考文献

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国防工

业出版社,2007.9:

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5中性线特点与故障监测探讨

配出中性线的IT系统，在发生相线或中性线接地故障后，具有以下特征：

中性线发生接地故障前后，中性线对地电压和电流都等于零，与负载对称与否，中性线对地电容大小，过渡电阻大小无关。

相线上的电压电流、电容电流都没有发生变化。

当发生单相接地故障情况时，中性点对地电压从零变•

为U0G，其值随过渡电阻大小而变；中性线出线电

••

容电流，if=jωC0U0G。

如果是发生金属性接地故障，••••

U0G升高为系统相电压E，电容电流if=jωC0E。

目前国内外关于IT系统相线接地故障监测、定位选线技术的研究很多，按照故障信号性质不同可分为两类：

一是基于系统本身故障信号进行的选线技术，包括稳态故障信号选线法和暂态故障信号选线；二是基于外加注入信号进行的故障选线技术，包括注入不同频率信号法和附加直流电源法。

（上接第40页）

作者简介

金伟一（1981-），男，硕士研究生在读，主要从事船舶岸电关键技术研究。

[5]费万民,吕征宇,姚文熙.多电平逆变器特定谐波消除

参考文献

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[6]洪乃刚等编著.电力电子和电力拖动控制系统的

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机械工业出版社,2006.

作者简介

王正（1962-），男，博士，沈阳工业大学教授，硕士生导师，研究方向为特种电机及其控制。

潘高强（1983-），男，沈阳工业大学在读硕士研究生，研究方向为电力电子电机及控制系统。

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