SPWM逆变电源的谐波分析及抑制策略

SPWM逆变电源的谐波分析及抑制策略

陈颖 张俊洪

（海军工程大学电气工程系，武汉430033）

摘 要: 分析了电压源型IGBT-SPWM逆变器输出电压和电流谐波及其产生规律，并提出了相应的谐波抑制策略，如选择正确的载波频率、精确实现选择的载波频率、在逆变器中注入谐波电流等，研究结果表明这些措施是可行的。

关键词: SPWM逆变器，谐波分析，谐波抑制

Analysis and Restraint Strategy of Harmonics for Inverting

Power Supplies with SPWM

Chen Ying，Zhang Junhong

(Department of Electric, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

Abstract: This paper analyses the harmonics in output voltage and current of voltage-source IGBT-SPWM inverter and their developing law. The relevant strategies for restraining harmonics are presented in the paper, such as selecting appropriate frequency of carrier wave、accurately implementing of the selected frequency of carrier wave, injecting proper harmonics into the inverter and so on. The study results show the feasibility of the presented methods .

Key words: inverter; harmonic; SPWM

1 引言

正弦脉宽调制(SPWM)逆变电源的性能在很大程度上取决于其非正弦输出电压和输出电流中谐波含量的大小。输出的谐波过大不仅会使负载的机械震动加大、仪表的测量误差增加,而且还会对计算机和通信产生干扰.增加谐波损耗，降低效率,以至严重影响整个系统的控制性能。因此，要提高SPWM逆变电源的性能，必须对其输出谐波进行准确分析并有效地抑制。

文献[1]在建立SPWM数学模型的基础上，分析了不同工作模式下SPWM电压源型逆变器的谐波与载波比，调制深度关系；文献[2]则针对利用自然采样SPWM的电压源型逆变器详细分析了三角波与锯齿波调制下逆变器性能的优劣；文献[3]则引入了谐波畸变决定因子(harmonic distortion determining factor)，针对SPWM逆变器中输入电流的谐波，对比分析了几种常见SPWM

收稿日期:2004-11-15

方法的性能。但三者都没有就如何抑制SPWM逆变器的谐波作更深入的讨论。对于SPWM逆变器的谐波抑制，文献[4][5]都采用了指定谐波消除法，在一定程度上减小了逆变器的输出谐波,但是这种谐波抑制方法需求解多个开关角所对应的非线性超越方程，而这是无法通过微处理器构成的控制器在线完成的。如果要消除的谐波次数过多，即便是离线求解此种非线性超越方程也有一定的困难。

因此，为了提高SPWM逆变电源的性能，本文从工程的角度出发，在借鉴国内外相关研究的基础上，对逆变电源输出电压、电流中的谐波及其产生规律进行了较为详尽的分析，并给出了相应的谐波抑制策略。

2 SPWM逆变电源简介

SPWM逆变电源的主回路和SPWM产生回路如图1所示。其中逆变器的主回路一般采用高速开关元件，以保证逆变器能工作在较高的开关频率下；逆变器的控制部分则采用正弦脉宽调制

船电技术 2005年 第1期 29

技术。SPWM是工业应用中为便于分析谐波较常见的一种方法，其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而获得的。这样可使得逆变器输出期望频率的正弦电压调制波，并达到控制频率、电压、电流和抑制谐波的目的。

主回路函数。分析式（1），不难看出以下结论： l 由式（1）的第二项得逆变电源输出电压的一

部分谐波分量的频率为载波频率的奇数倍。 l 由式（1）的第三项得逆变电源输出电压的另一部分谐波分量对称分布在整数倍的载波频率周围，其频率可表示为mω+nω，其中（m+n）不能被2整除。

3.3 逆变电源输出电流的谐波分析

评价逆变电源的性能时，输出电流的谐波分析也是一个十分重要的手段。然而，逆变电源输出电流的频谱不仅与采用的SPWM方法有关，而且还受逆变器开关频率、负载参数等因素的影响。因此，为保证逆变器运行性能评价的客观性，文献[3]采用了谐波畸变决定因数作为考察的主要指标。依据文献[3]的分析，可以得出以下结论：

图1 SPWM逆变电源结构框图

在交流电机驱动应用中，和常规SPWM及改进的SPWM相比，谐波注入式PWM（即HIPWM，指在SPWM的正弦调制波中注入17%的谐波）的性能明显占优势。如仅考察逆变器输出电流的谐波含量，虽然HIPWM和SPWM相差不多(均优于MSPWM)，但HIPWM的性能要稍好些。

3 SPWM逆变电源的谐波分析

3.1 谐波分析的基本假设

为了便于分析谐波，在此对SPWM逆变电源作以下假设：

假设 1：支流环节电压UDC是最理想的电压源，不考虑其纹波对逆变器输出的影响；

假设 2：视功率开关元件为理想器件，具有理想的开关特性；

假设 3：逆变器采用双极性三角载波自然采样SPWM，三角波频率fc与逆变器输出电压频率f之比N大于1，正弦调制波的峰值AS与载波峰值AC之比小于等于1。

3.2 逆变电源输出电压的谐波分析

4 SPWM逆变电源的谐波抑制

为抑制SPWM电压源型逆变器的输出谐波，本文从工程实际出发给出以下几种谐波抑制策略：①选择合适的载波频率，以消除低次和某些奇次谐波；②精确实现选定的载波频率，以避免异步调制中才会出现的偶次谐波；③注入适当的谐波分量，以在不加大输出谐波含量的情况下提高电压利用率。 4.1 载波频率的选择

根据3.2的结论可知SPWM电压源型逆变器的输出电压谐波分布在载波的整数倍周围，也就是说，逆变器输出电压的谐波与载波频率是密切相关的。如果提高SPWM的载波频率，则逆变器输出电压的主要谐波也会分布在较高的频率波段。这样，在逆变器驱动交流电机时，电机的漏抗将会滤掉逆变器输出电压的高次谐波，而使逆

在3.1的假设下,SPWM逆变电源的输出电压

可表示为:

F(t)= 2UDC/π∑J（•sin mπ/2cosmωt+ mM/2）0

m=1∞

MUDCcosωt/2+2UDC/π

∞

±∞

变器的输出电流呈现较好的特性。

sin[(m+n)π /2]cos(ωt+nωt)/m J(mMπ/2)∑∑n

虽然提高载波频率可以消除逆变器的低次谐m=1n=±1

波减小电机的谐波损耗，但是也会使逆变器开关(1)

损耗大幅度增加。因此为协调二者的矛盾，一般式中ω=2πƒ;ω=2πƒC; UDC为逆变电源支

认为在中小功率的IGBT逆变器中，SPWM的载流环节电压;M为调制系数;J0,Jn为第一类Bessel

30 船电技术 2005年 第1期 波频率取3 kHz左右为宜。同时，载波比N应为3的整数倍，以消除3的整数倍数次谐波。 4.2 选定载波频率的精确实现

选定合适的载波频率后，另外一个重要的问题是如何精确实现该频率，这也是工程实践中的关键问题。一般来说，选择载波频率时总是希望载波比为整数，且为3的整数倍，以实现SPWM同步调制，并消除3的整数倍次谐波。但是，在实现选定的载波频率时，无论采用模拟电路，还是采用数字电路，总是不可避免地带来一定的误差。这样就会使得SPWM的载波比不为正数，更不是3的倍数，因而很难实现SPWM的同步调制。正是由于一般SPWM在工程实现上不能处于同步工作模式，而总是处于异步模式，才不可避免地使其输出电压、电流中出现偶次谐波。 为避免以上情况的出现，需要设法使载波频率精确实现，尽可能减小载波频率误差。在载波频率误差不可避免的情况下，可在SPWM的实现中强行使载波和正弦调制波同步。 4.3 注入适当的谐波

根据文献[3]的分析可知，当逆变器应用于交流电机驱动时，注入适当3次谐波分量的HIPWM的性能要明显优于常规SPWM和MSPWM。因此，为提高电压利用率，同时又要使逆变器具有良好的谐波抑制特性，在SPWM的正弦调制波中注入适当3次谐波分量是一合适选择。

在正弦函数中注入一定的3次谐波后，其调制函数可表示为：

ƒm(ωt)=Μ（sinωt+k3sin3ωt）/max（sinωt

+k3sin3ωt） （2） 式中Μ为调制系数；k3∈[0，1]为注入的3次谐波的系数；max（*）为函数（*）的最大值。

当k3取不同值时，调制函数ƒm（ωt）中注入的3次谐波含量亦不同。图2为调制系数Μ为1情况下k3不同时的调制函数波形,其中曲线1对应于k3=0，曲线2对应于k3=1/6，曲线3对应于k3=1/5，曲线4对应与k3=1/4。由图2可见，改变k3便可改变调制函数ƒm（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,当逆变器应用于交流电机驱动时，3的整数倍谐波自行消失，因此，注入3次谐波分

图2 注入谐波后的调制函数波形图

量的SPWM并不增加逆变器输出电压中的谐波含量,在某种意义上，甚至可以认为注入3次谐波分量的SPWM逆变器输出电压中的谐波含量有所减小，从而在一定程度上改善了逆变器的输出电压特性。因此，要提高电压利用率，使逆变器的输出电压达到一定的要求，只需要为k3选取一合理的值即可。

5 结论与展望

由以上的分析与研究表明，选择合适的载波频率，精确实现选定的载波频率和注入适当的谐波含量都应是工程上较为有效的谐波抑制策略，而且这3种谐波抑制策略比较简单，在工程上易于实现。但要想大幅度提高抑制逆变电源谐波的性能，还需进一步研究开发新型的PWM技术，从根本上解决谐波抑制问题。

参考文献:

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[5] 佟为明,等. 开关变频电源的谐波问题及谐波抑制技术[J]. 电气自动化, 1996,18(3): 40-61.

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