交流参数稳压电源谐波抑制技术研究.docx

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1、摘要随着电力电子器件的迅速发展，PWM逆变器越来越广泛的应用在交流变频调速系统、中频电源及其他各种电力电子装置中得到了，它所产生的谐波对外界的危害亦日益严重。本文主要研究单相SPWM逆变器输出电压谐波及抑制谐波的方法并为单相单极性倍频SPWM逆变器设计合适的漉波器。首先，根据SPWM原理和傅里叶级数理论，建立了SPWM逆变器输出电压的数学模型，分析SPWM逆变涔输出电压和谐波的特点。然后，研究在三种不同载波控制方式卜的输出电压中所含的蒂波特点。其次选择可以有效抑制单相SPWM逆变器输出电压谐波的方法。最后针对单相单极性倍频SPWM逆变器设计一个合适它的浊波器。研究表明，不同在载波控制方式、载波

2、比、调制比这些因素都影响着单相SPWM逆变粉输出电压的谐波含肘:及分布：选择合适的载波比和注入适量的谐波这两方法都可以不同程度上抑制输出电压的谐波，但这两种方法都有一定的局限性：利用巴特沃思型流波器参数设计可以很好的滤除单极性倍频SPWM逆变器输出电压中的高次谐波，使输出电压波形平滑且很接近正弦波。关键词：谐波分析，谐波抑制，滤波器第1章前言由于市电电网和负载的复杂性，例如电W容量不足，输变电和各种配电设备的性能和顺量问题，各种用电设备配置不合理或相互影响，电力电子变流器的广泛使用和各类非线性负数的迅速增加，不仅导致了市电电压不稔定，而且也引起了电网谐波严重污染，电能质量不断恶化。1.1 研究

3、背景1.1.1 PWM技术脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管基极或MOS管栅极的偏置，来实现晶体管或MOS管导通时间的改变，从而实现开关稳压电源输出的改变。这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持定，是利用微处理器的数字信号对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。PWM控制技术以其控制简单，灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点。由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限，结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM控制技术发展的主要方向之一。随着电子技术的发展,出现了多种PwM技术,其中包括：相电压

4、控制PWM、脉宽PWM法、随机PWM、正弦PWM法、线电压控制PWM等，而在慑氢电池智能充电器中采用的脉宽PWM法，它是把每一-脉冲宽度均相等的脉冲列作为PWM波形，通过改变脉冲列的周期可以调频，改变脉冲的宽度或占空比可以调压，采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化.可以通过调整PWM的周期、PWM的占空比而达到控制充电电流的目的。随着逆变器在交流转动、UPS电源和有源流波器中等的广泛应用，以及高速金控开关器件的大量出现，PWM技术已成为逆变技术的核心，因为受到人们的高度重视，尤共是近几年，微处理器应用与PWM技术和实现数字画控制之后，更是花样翻新，到目前为止仍有新的PWM方式在不断出现。1

5、.1.2 PWV逆变器及其应用随着微电子学、电力电子技术、自动控制理论等相关学科的发展，采用脉冲宽度调制技术的逆变器已经作为现代电力电子技术中最基本装置之一.因为其优良的性能使得PWM技术成为了逆变器的主要控制技术并且得到了广泛的应用。在交流变频调速系统、不间断点与UPS、中频电源、高性能交流稳压电源、储能利用等的领域都广泛的采用了PWM逆变器.不急如此PWM逆变器还应用在高压直流输电的用电段、特种电源等电力电子装四中。技术在这种加工将起到重要作用。今后，随若工业和科学技术的发展，用户对电能质量的要求将越来越右，包括市电电网在内的所有原始电能的质量:可能满足不了用户的要求，必须经过加工后才能使

6、用，而PWM逆变器113谐波的危害PWM逆变器的广泛应用不仅可以提高了电力电/装置效率和可苑性同时还可以减小电力电子装置体积和重量、节省材料、降低成本等。其次也为机电体化、智能化美定了重要的基础。但是不能忽略的是因为PWM逆变港广泛的应用，将电力电子装设变成为最大的干扰源，由于诸多方面的限制使得PWM逆变器输出电压、电流波形中含有较高谐波分量，主要是由各种电力电子装置、变压器等产生的，由此带来的谐波污染问题日渐加重.总的概括起来,其主要有以下几方面：1 .对槎转电机（发电机和电动机）产生转矩脉动、附加功耗（铜损和铁）并导致发热，还可能引起振动乃至谐振。还有可能产生电磁噪音从而污染环境。2 .对

7、电容负毂引起谐振和谐波电流的放大，从而导致电容器因过负荷或过电压而损坏.谐波对电力电缆也会造成过负荷或过电压而击穿3 .加变压器负载的损耗，特别是当发生并联谐振和并联谐振，从而使谐波放大时，会使损耗大大增加，甚至引起严重事故。4 .造成继电保护和自动控制装置误动作，并使电气测址仪表计量不准确.5 .谐波所产生的电磁干扰（EMI）会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质圾：困者导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。1.1研究意义因为谐波有着很多危害，而当今社会又倡导着“绿色化”，所以如何能更好的抑制电力电r装置的谐波已成为迫在眉睫的问题.更是未来社会不可避免要面对的显示，所以如何减小

8、逆变器输出谐波也是当今科学家主要关注的问题:所以必须对各种PwM技术的逆变器进行输出谐波抑分析、对比，再次此基础上找到抑制其谐波的方法同时还要对各抑制谐波技术进行深入研究，找到最合适的方法使各种PWM逆变器所产生谐波减小，这样就可以令用电设备获得高顺量的正弦波。因此，本课题的研究将对我国未来节能供电、高质量供电、高性能供电技术的发展有定的积极作用，能够实现高效、低污染地利用电能.第2章单相SPWM逆变器输出电压谐波分析2.1谐波分析的必要性因为PWM技术是根据面积相等的原则产生的，所以采样定理中有个十分求要结论：冲房相等而形状不同的窄脉冲加在有惯性的环节上时，其效果基本相同，是指环节输出响应波

9、形基本相同。设想把各响应波形经过傅立叶变换分析后，则其低频段非常接近，仅在高频段略有差异。通过这个结论可以得出，经过调制以后的波形与原来的正弦波是基本相同，而不是完全相同。因为技术中采用了载波对正弦信号进行调制，也产生了和我波有关的谐波分量。这些谐波分量的频率和幅值是衡量PWM逆变电路的重要指标之一。因此有必要对PWM波形进行谐波分析，下面就对单相SPWM逆变器输出电压进行谐波分析。2. 2单极性SPWM逆变器输出电压谐波分析2.1.1 MAT1.ABZsimu1.ink建模仿真在果用单极性控制方式时.，在信号波的个周期内，输出的PWM波TEd两种电平和零电平在调制信号U和载波信号U产生交点的

10、时候控制各开关器件的通断。花U的正半周，VI保持通态，V2保持断态，当gt时，V4导通，V3关断，U)=Rt当u1u时使V4关断，V3导通，U0=0。在Iir的负半周，VI保持断态，V2保持通态，当u0时使V3导通，V4关断，的;Ed;当61时，使V3关断，V4导通，UOR.这样就得到了单极性SPWM波形。负我电压可得到E和王4和零电平。在U的半个周期内三角波载波只在正极性或负极性一种极性范围内变化，所得到的PWM波形也只在单个极性范圉内变化的控制方式称为雎极性PWM控制方式9。图2-1PWM逆变电路图2-2单-极件PWM控制方式波形本文PWMW）制电路是采用两相询制信号（互为反相）与载波比较

11、得到四路（含互补）控制信号，控制四个功率器件的通断，这也是一种单相单极性控制方式，它在MAT1.AB0MU1.INK卜SPwM波形产生原理图如图图2-3mat1.ab/simu1.ink下单极性SPWM波形调制电路蚂理图选择正选调制频率50Hz.三角载波频率IKHZ.经过调制以后逆变桥输出的四个PWM踪冲如图从上图中可以得出脉冲的值为“1”时代表其此时控制的功率管导通，为“0”时代表其此汁控制的功率管关断，PWMI和PwM2互补对称，PWM3和IPWM44补对称。根据以上所提供的数据，其载波比为N=20,也就是说，在一个周制波周期内有20个PWM脉冲，其脉冲宽度根据可计算出来。此时无死区设置.

12、属理想状态。此时，逆变器不带泄波器和负载时的电压输出和电流输出图2-5电极性SPWM逆变器未滤波输出电压及电流从图中可以看出,未滤波以前逆变器的输出电压为一系列的矩形脉冲，幡值宽度按相应的正弦波规律变化，而且有Ed、-Ed和0三种电平，随着正弦波的正负半周交杵变化。2.1.2 输出电压的谐波分析实验取1、调制深度m=05,基波频率为50Hz,载波频率为100oHZ(N=20);2、调制深度m=0.5,基波频率为50Hz.载波频率为1750HZ(N=35);3、调制深度m=09基波频率为50Hz,载波频率为1750HN=35)4、调制深度m=1.基波频率为50Hz,载波频率为100OHZ(N=2

13、0);5、调制深度m=1.,基波频率为50HZ战波频率为1750H*N=35);四种情况进行仿真。仿真时间定位0.06$,在p。WCrgui中设置为离散仿真模式，采样时间为IOT运行后可以得到仿真结:PT三i1.1.三1.1.图2-6当M=O.5,N=2O时单板性SPWM逆变器输出电乐嫌谓图Fund三oata1.(5W4z)=349.HD=I2435%IO三一三Fne(三r图2-7%MOsN=35时冷极性SPWM逆变器输出电压频谱图H4TanatyaFnda11rta1.(60Hz)=268.8,THO-66.09%Fraubney(Ha)Ji1.图2-8当M=O9,N35时单极性SPWM逆变

14、器输出电压频谱图g2-9M=1.,N=20时电极性SPWM逆变器输出电压领谐图一IHnnFundamCn闾(50Hz)3(X)2.THO-2.11%图2-IO当M=I.N=35时单极性SPWMig变器输出电压频图通过以上四种情况的FFT分析，当M=O.5和N=20的时候值得考虑的最低次谐波为17次，幅值为基波的8.90%。最高次谐波为21次和23次，幅值为基波的72%左右。其中含有第17、19、21、23、35、37、39等奇数次谐波,幅值都较大。同样当M=O.5和N=35时,值得考虑的最低次谐波为32次，幅值为基波的&53%。最高次谐波为34次和36次，幅值为基波的72.58%。其中含有第3

15、2、34、36、38、67、69等次谐波的。随之调制深度M的增）3谐波的幅值都减小。但是当M=I的时候，N=20和N=35的值得考虑的最低次谐波分别为15次和30次，而最高次谐波分别是17次、23次和32次、38次。但是谐波的相对幅值却减少了。而且在开关频率（载波频率）为100oHz、175（）HZ时分别不含有15次谐波、35次谐波。综上所述，可以到逆变器输出电压波形中含仃载波频率的整数倍及其附近的谐波：当调制深度M1.的时候，幅值最高影响最大的是N1.次谐波分量，值得考虑的最低次谐波分量是N-3次：当调制深度M=I的时候,最高次是N3次谐波，值得考虑的最低次谐波分量是N-5。陵者调制深度的增加和载波频率的提高，其福值的相对值逐渐减小。当载波比为偶数的时候输出电压谐波中只含有奇数次谐波，当载波比为奇数的时候既然含有偶数次谐波也含有奇数次谐波。无论载波比为奇数还是偶数输出电压谐波中都不含有开关频率（战波频率）整数倍的谐波。随着载波比的不断增加，最低次谐波离基波就远，也就越容易进行泄波，故提高载波比可以改善输出电压的质地。但随着载波比的增加，会增加开关器件的损耗，硬件实现就会更困难。那么总相双极性SPWM逆变器输出电压是否也具有相似谐波特性，在下.一节进行具体分析。23双极性SPWM逆变器泊出电压谐波分析23.1MAT1.ABZsimuIink建模仿真采用双极性方式时，在u.的半个