交流參數(shù)穩(wěn)壓電源諧波抑制技術(shù)研究

本文主要研究單相SPWM逆變器輸出電壓諧波及抑制諧波的方法并為單相單極性倍頻首先，根據(jù)SPWM原理和傅里葉級(jí)數(shù)理論，建立了SPWM逆變器輸出電壓的數(shù)學(xué)模要方向之一。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了多種PWM技術(shù)，其中包括：相電壓控制PWM、脈寬1.1.2PWM逆變器及其應(yīng)用隨著微電子學(xué)、電力電子技術(shù)、自動(dòng)控制理論等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，采用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)的逆變器已經(jīng)作為現(xiàn)代電力電子技術(shù)中最基本裝置之一。因?yàn)槠鋬?yōu)良的性能使得PWM技術(shù)成為了逆變器的主要控制技術(shù)并且得到了廣泛的應(yīng)用。在交流變頻調(diào)速系統(tǒng)、逆變器。不急如此PWM逆變器還應(yīng)用在高壓直流輸電的用電段、特種電源等電力電子裝置中。技術(shù)在這種加工將起到重要作用。今后，隨著工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，用戶對(duì)電能質(zhì)量的要求將越來越高，包括市電電網(wǎng)在內(nèi)的所有原始電能的質(zhì)量可能滿足不了用戶的要求，必須經(jīng)過加工后才能使用，而PWM逆變器PWM逆變器的廣泛應(yīng)用不僅可以提高了電力電子裝置效率和可靠性同時(shí)還可以減小電力電子裝置體積和重量、節(jié)省材料、降低成本等。其次也為機(jī)電一體化、智能化奠定了重要的基礎(chǔ)。但是不能忽略的是因?yàn)镻WM逆變器廣泛的應(yīng)用，將電力電子裝置變成為最大的干擾源。由于諸多方面的限制使得PWM逆變器輸出電壓、電流波形中含有較高諧波1.對(duì)旋轉(zhuǎn)電機(jī)(發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī))產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、附加功耗(銅損和鐵)并導(dǎo)致發(fā)熱，還可能引起振動(dòng)乃至諧振。還有可能產(chǎn)生電磁噪音從而污染環(huán)境。諧波對(duì)電力電纜也會(huì)造成過負(fù)荷或過電壓而擊穿[3.加變壓器負(fù)載的損耗，特別是當(dāng)發(fā)生并聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振，從而使諧波放大時(shí)，會(huì)使損耗大大增加，甚至引起嚴(yán)重事故。4.造成繼電保護(hù)和自動(dòng)控制裝置誤動(dòng)作，并使電5.諧波所產(chǎn)生的電磁干擾(EMI)會(huì)對(duì)鄰近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，輕者產(chǎn)生噪聲，降低通信質(zhì)量；重者導(dǎo)致信息丟失，使通信系統(tǒng)無法正常工作。因?yàn)橹C波有著很多危害，而當(dāng)今社會(huì)又倡導(dǎo)著“綠色化”,所以如何能更好的抑制電力電子裝置的諧波已成為迫在眉睫的問題，更是未來社會(huì)不可避免要面對(duì)的顯示，所以如何減小逆變器輸出諧波也是當(dāng)今科學(xué)家主要關(guān)注的問題。所以必須對(duì)各種PWM技術(shù)的逆變器進(jìn)行輸出諧波抑分析、對(duì)比，再次此基礎(chǔ)上找到抑制其諧波的方法同時(shí)還要對(duì)各抑制諧波技術(shù)進(jìn)行深入研究，找到最合適的方法使各種PWM逆變器所產(chǎn)生諧波減小，這樣就因此，本課題的研究將對(duì)我國未來節(jié)能供電、高質(zhì)量供電、高性能供電技術(shù)的發(fā)展有一定的積極作用，能夠?qū)崿F(xiàn)高效、低污染地利用電能.第2章單相SPWM逆變器輸出電壓諧波分析2.2單極性SPWM逆變器輸出電壓諧波分析圖2-1PWM逆變電路8820268本文PWM調(diào)制電路是采用兩相調(diào)制信號(hào)(互為反相)與載波比較得到四路(含互補(bǔ))控制mXtutsFcoudFr圖2-3MATLAB/SIMULINK下單極性SPWM波形調(diào)制電路原理圖選擇正選調(diào)制頻率50Hz,三角載波頻率1KHz,經(jīng)過調(diào)制以后逆變橋輸出的四個(gè)PWM脈沖如圖0壓輸出和電流輸出圖2-5單極性SPWM逆變器未濾波輸出電壓及電流3、調(diào)制深度m=0.9,基波頻率為50HzQ0s0oF00圖2-6當(dāng)M=0.5,N=20時(shí)單極性SPWM逆變器輸出電壓頻譜圖0圖2-7當(dāng)M=0.5,N=35時(shí)單極性SPWM逆變器輸出電壓頻譜圖酬逸作明和酬逸作明和與圖2-8當(dāng)M=0.9,N=35時(shí)單極性SPWM逆變器輸出電壓頻譜圖圖2-9當(dāng)M=1,N=20時(shí)單極性SPWM逆變器輸出電壓頻譜圖啊遣作明和啊遣作明和600圖2-10當(dāng)M=1,N=35時(shí)單極性SPWM逆變器輸出電壓頻譜圖通過以上四種情況的FFT分析，當(dāng)M=0.5和N=20的時(shí)候值得考慮的最低次諧波為17減少了。而且在開關(guān)頻率(載波頻率)為1000Hz、1750Hz時(shí)分別不含有15次諧波、35次率(載波頻率)整數(shù)倍的諧波。隨著載波比的不斷增加，最低次諧波離基波就遠(yuǎn)，也就mm27n圖圖2-13四個(gè)逆變橋輸出電壓圖2-14雙極性SPWM未濾波輸出電壓、電流波形圖實(shí)驗(yàn)取圖2-15當(dāng)M=0.5,N=20時(shí)雙極性SPWM逆變器輸出電壓頻譜圖—FFT1綜上所述，可以發(fā)現(xiàn)雙極性SPWM控制策略下的逆變器輸出電壓諧波有著有單極性同一正弦波比較產(chǎn)生)。單極性倍頻調(diào)制含有2個(gè)基選擇正選調(diào)制頻50Hz,三角載波頻率1KHz,經(jīng)過調(diào)制以后逆變橋輸出的四個(gè)PWM脈沖如圖圖2-.22四個(gè)逆變橋輸出電壓波形w圖2-23單極性倍頻SPWM逆變器未濾波輸出電壓及電流波形1、調(diào)制深度m=0.5,基波頻率為50Hz,載波頻率為1000Hz(N=20);圖2-24當(dāng)M=0.5,N=20時(shí)單極性倍頻SPWM逆變器輸出電壓頻譜圖Poncamental(60Hz)=151.7.00圖2-25當(dāng)M=0.5,N=35時(shí)單極性倍頻SPWM逆變器輸出電壓頻譜圖Fundamental(50Hz)=271.5.50圖2-26當(dāng)M=0.9,N=35時(shí)單極性倍頻SPWM逆變器輸出電壓頻譜圖0圖2-27當(dāng)M=1,N=20時(shí)單極性倍頻SPWM逆變器輸出電壓頻譜圖Fundamental(60Hz)-299.5.T50圖2-28當(dāng)M=1,N=20時(shí)單極性倍頻SPWM逆變器輸出電壓頻譜圖低次諧波是37次諧波，最高次諧波是39次和41次諧波，其幅值是基波電壓的73%;當(dāng)N=35性控制策略諧波抑制能力都養(yǎng)強(qiáng)。它僅僅作了很簡單的改進(jìn)但是可實(shí)現(xiàn)了大幅度提升性逆變器諧波抑制方法研究從上一章的研究可以發(fā)現(xiàn)在無論在那種載波控制方式下，單相SPWM逆變器輸出電壓中總是含有一定比例的諧波，并且輸出電壓都不是呈現(xiàn)出正弦波。所以本章專門針對(duì)SPWM逆變器輸出電壓的諧波進(jìn)行了抑制方法的研究。通常來說對(duì)逆變器輸出電壓中的諧波抑制有五種方法：改變載波比法、注入適當(dāng)?shù)闹C波法、特定諧波消除法、抑制諧波的趨近采樣法和低通濾波器法。本文從實(shí)際工程角度出發(fā)主要研究了改變載波比逆變器的輸出電壓中的諧波。3.1改變載波比法通過單相SPWM逆變器輸出電壓的諧波分析可以得到輸出電壓諧波一般分布在載波的整數(shù)倍周圍，即載波頻率的大小影響著單相SPWM逆變器輸出電壓諧波。所以為了消除輸出電壓的低次和某些奇次諧波，必須要選擇合適的載波頻率，即載波比。并且選擇的載波頻率越高，單相SPWM逆變器輸出電壓的主要諧波也會(huì)分布在較高的頻率波段，所需的濾波器的體積就越小。通常選擇載波頻率時(shí)總是要求載波比為整數(shù)，并能抑制3的整數(shù)倍次諧波。一般來說，對(duì)于特大功率的逆變器，由于大功率開關(guān)性能較差，并且多數(shù)情況工作在硬性開關(guān)狀態(tài)，為了得到較高的逆變效率應(yīng)選在N≤9。對(duì)于大中功率無死區(qū)的逆變器，開關(guān)器件的性能較好些，而且緩沖電路或者軟開關(guān)工作方式對(duì)開關(guān)工程的改善逆變效率下降的不是很多，所以可以選取9≤N≤21。對(duì)于中小功率無死區(qū)的逆變器，開關(guān)性能好，由于緩沖電路過軟開關(guān)工作方式，開關(guān)損耗應(yīng)該小一些，可以選取N≥21。特別是工作在軟開關(guān)狀態(tài)下的小功率UPS,可以選取N≥100,是逆變器的開關(guān)頻率增加到20KHz以上。這樣，如不考慮減小環(huán)流或短路電流濾波器的參數(shù)更會(huì)變得很小，有時(shí)只要用很小的電容就可以很有效的過濾掉高次諧波。當(dāng)開關(guān)頻率增加到20KHz以上以后，又消除了逆變器的可聞噪音。若選取的載波比很大的時(shí)候，載波比選取的是奇數(shù)還是偶數(shù)影響就不是很大了，所以可以隨便選擇。這時(shí)可以選擇同步調(diào)制也可以選擇異步調(diào)制。還有一種情況就是N的數(shù)值取得較小時(shí)，比如N≤21時(shí)，會(huì)使輸出的頻率和邊頻諧波頻率很接近，從而產(chǎn)生跳動(dòng)，就會(huì)使特性顯著變壞導(dǎo)致不能使用。但在實(shí)際情況中實(shí)現(xiàn)選定的載波頻率時(shí)，無論采用任何電路，總會(huì)有產(chǎn)生一定的不的同步調(diào)制困難，輸出電壓電流中出現(xiàn)偶次諧波。防止以上情況的出現(xiàn)，盡可能減小載波頻誤差，可在SPWM的實(shí)現(xiàn)中強(qiáng)行使載波和正弦調(diào)波同步，使載波頻率精確實(shí)現(xiàn)。還有不可忽視的一點(diǎn)就是在提高載波頻率消除逆變器的低次諧波減小電機(jī)的諧波損耗的同時(shí)也會(huì)使逆變器開關(guān)損耗大幅增加。3.1.2仿真結(jié)果因?yàn)樵诒疚闹袉蜗郤PWM逆變器采用的是雙極性控制策略，通過上一節(jié)分析可知在雙極性控制策略下載波比為奇數(shù)的時(shí)候不含有偶次諧波，所以載波比選為奇整數(shù)。通過查找資料可以知道中小型功率逆變器中，SPWM的載波一般選取在3000Hz左右為宜，下面利用MATLAB來驗(yàn)證結(jié)果：SatectadmlgSatectadmlgt:3ayctemFFTwi為了更好觀察輸出電壓波形，仿真中加入了濾波電路。Seleotedsignal:3cyclo60- 00Fuodamontal(601Hz)=Fraφuena圖3-2當(dāng)N=57時(shí)逆變器輸出電壓在做仿真的時(shí)候可以發(fā)現(xiàn)在載波頻率為8000HZ是THD值更小，但是隨著載波比的增加，開關(guān)損耗也會(huì)增加。所以綜合考慮還是選擇載波比為57更加合適。當(dāng)N=63的時(shí)候，經(jīng)過FFT分析可以發(fā)現(xiàn)輸出電壓的諧波明顯增加，所以這更加證明了不同的載波比會(huì)對(duì)系統(tǒng)的輸出電壓波形質(zhì)量產(chǎn)生很大的影響，而對(duì)于中小逆變器選取合適的載波頻率對(duì)消除輸出電壓的諧波含量有非常大的作用。0632圖3-3當(dāng)N=63時(shí)逆變器輸出電壓3.2注入適當(dāng)?shù)闹C波法3.2.1理論基礎(chǔ)注入適當(dāng)?shù)妮d波法是在SPWM的正弦調(diào)制波中疊加一定比例的3倍次諧波，這樣做的益處在于不僅可以提高了直流電源電壓利用率，同時(shí)又可以使逆變器具有良好的諧波抑制特性。一般當(dāng)逆變器應(yīng)用于交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)體參數(shù)：功率186.5VA,額定電壓110V,極對(duì)數(shù)2,空載運(yùn)行。逆變器采用雙極性調(diào)制策略，載波為共用的等腰三角波，載波頻率為1000Hz,調(diào)制波為單相正弦波，基波頻率為50Hz,調(diào)制度為0.9。bt圖3-4MATLAB/simulink下注入諧波后的雙極性SPWM控制方式調(diào)制電路圖后的調(diào)制波波形圖和逆變器輸出的線電壓。00圖3-10當(dāng)k?=0.2時(shí)線電壓的頻譜0.0150.02Fundamentat(60Hz)267.400L圖3-12當(dāng)k?=0.3時(shí)線電壓的頻譜0.0150.02020o026000圖3-15k?=0.8的正弦調(diào)制波腳俗中和言Fundarmentat(50Hz)-263.THD-腳俗中和言Fundarmentat(50Hz)-263.THD-0Fr份quen始y(Hz)L上面在不同k?情況下逆變器輸出電壓的THD,可以發(fā)現(xiàn)在為0.1、0.2和0.5的時(shí)候逆變器3.3低通濾波器法圖3-17濾波電路√LC.為了實(shí)現(xiàn)濾波器輸出電壓能接近正弦波同時(shí)又不會(huì)造成諧振，就要令LC濾波器的截止頻率必須要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于SPWM電壓中含有的最低次諧波的頻率同時(shí)還要滿足遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于調(diào)制波頻率。通過查閱資料，一般都推薦PWM逆變器中的LC截止頻率的選擇最好要滿足以下的條件3.3.1巴特沃思型濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)LC濾波器的諧振頻率是由L和C的乘積所決定的。一般選擇濾波器的類型要根據(jù)濾波器衰減特性從而選擇濾波器的參數(shù)。諸如：巴特沃思型濾波器或切比雪夫型濾波器、貝塞爾型濾波器等。因?yàn)榘吞匚炙夹蜑V波器是所有濾波器中具有最大平坦響應(yīng)的，并且實(shí)際測(cè)試特性與仿真的結(jié)果較為接近，因此本次論文將推薦采用巴特沃斯型二階低通濾波器來濾除單極性倍頻中的高次諧波。巴特沃思型濾波器的衰減量計(jì)算公式由巴特沃思函數(shù)所確定：f通過上式可以知道，巴特沃斯型低通濾波器的的截止頻率剛好位于-3dB衰減點(diǎn)上。歸一化巴特沃思型濾波器參數(shù)計(jì)算按照下式進(jìn)行：上式中：n為濾波器的階數(shù)，它是電容和電感元件個(gè)數(shù)的和，列如當(dāng)n=2時(shí)，就表示電路中含有一個(gè)電容和一個(gè)電感，即k=1;π(2k-1)/2n是用弧度來表示的。所以根據(jù)上式在這里所提到的歸一化就是指把需要設(shè)計(jì)的濾波器性能指標(biāo)到角頻率為1rad/s,也就是RL為w=0時(shí)的負(fù)載阻抗。一般情況下選R=(0.5~0.8)RL本次論文研究是在一種理想的情況濾波器的電感為輸出電壓U?=300V;容量1KVA,純電阻負(fù)載；輸出基波頻率f為50Hz;載波頻率f為6000Hz;調(diào)制比M為0.9,;采用單極性倍頻控制策略。根據(jù)公式18選取的截止頻率為：fo=0.1×f=600Hz(2N-3)×f50歐姆。將參數(shù)帶入公式(3-6)至(3-9)中，可以得到計(jì)算公式為：取L=0.0188H;C=7.502×10-?F,然后代入單極性倍頻SPWM逆變器中驗(yàn)證結(jié)果。3.3.3仿真結(jié)果本文利用MATLAB/simulink驗(yàn)證設(shè)計(jì)濾波器的結(jié)果，逆變器的電路如下圖：pula.hpe根據(jù)設(shè)計(jì)的濾波器參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，設(shè)定的最高分析頻率為20KHZ。逆變器沒有帶濾波器的時(shí)候。輸出電