电抗器在变频器谐波消除中的应用

      摘 要  本文探讨了电抗器在变频器谐波消除中的应用，同时提出一种新的调制策略，该调制策略能够消除逆变器输出电压的偶次谐波。同时也能平衡直流环节两个电容的电压。MATLAB仿真和基于DSP-LF2407实验结果证明该方法的有效性。 

      关键字： 电抗器；变频器；PWM调制模式；谐波消除 
  
      0 引 言
      广义上讲，凡在电路中能够起到阻抗作用的物体或东西(一个由无导磁材料组成的空心线圈)，我们统称为电抗器，因此，安装在变频器进线端（或者叫输入端）的电抗器就叫进线电抗器（或称输入电抗器），电压型逆变器（VSI）以其输出电压谐波含量小，dv/dt 小等特点而非常适合于高电压、大容量的交流调速场合。目前三电平逆变器供电的交流电机调速控制系统在轧钢，水厂、电厂的风机、泵类负载以及电气化铁路牵引系统得到了实际的应用[1]。

      电抗器在变频器谐波消除中可以限制电网中的谐波干扰；由于三电平逆变器的变频调速系统一般工作电压比较高，逆变器输出电压跳变幅度比较大，必然产生很高的dv/dt，同时由于开关频率低，其电流的谐波畸变不容忽视[6]，因此在调制中要尽量减少谐波含量，以提高逆变器的输出波形质量和电机的使用寿命。文献[2]分析了三电平逆变器带非线性负载时奇次谐波引起低频振荡，但不会使中点电位不平衡，而偶次谐波引起中点电位的漂移和不稳定；文献[3][4]以三角载波法生成非线性方程组，通过开关时刻的优化选择，消除选定的低频次谐波，计算量较大；文献[5]分析了偶次谐波产生的原因，没有结合逆变器的调制方式分析结果。本文主要讨论逆变器的运行模式，合理选取各矢量的作用顺序以达到消去偶次谐波和维持直流侧电容电压平衡的效果，仿真结果和实验结果证明了此方法的有效性。

      1 三电平逆变器空间矢量调制的三种模式
      图1 为二极管中点箝位（NPC）三电平逆变器电路原理图，每一个桥臂由四个开关管组成，同时每一个桥臂具有三种输出状态。以U相电路为例，当S1u、S2u 导通时U 相的输出电压为Vdc/2；S2u、S3u 导通时U相的输出电压为0；S3u、S4u导通时U相的输出电压为-Vdc/2。于是U 相可以得到三个电压值：Vdc/2、0 和-Vdc/2，其各相开关状态和输出电压可以由表1 表示（x分别表示u、v、w）。

   图2为三电平逆变器电压空间矢量分布图，在图2 中定义大六边形的6个电压长矢量幅值为2Vdc/3，6个中矢量长度为姨3 Vdc/3，12个短矢量长度为Vdc /3，且长矢量将磁链圆等分为6个扇区。

      当参考矢量的幅值小于图2所示的最小内切圆的半径时，定义为模式1状态，在图2中由于扇区的对称性，为分析方便，以第I 、IV 扇区为例，当参考矢量位于I扇区A 三角形时，如图3所示，按照空间矢量“NTV”合成法则，选取三角形A 的三个顶点合成参考矢量，且各矢量安排顺序选取为POO-OOO-OON-ONN-OON-OOO-POO

       同理可得参考矢量在第IV 扇区的A 三角形时的作用顺序为OPP-OOP-OOO-NOO-OOO-OOP-OPP上述的开关顺序在一个开关周期内对应的矢量分配如图4所示。

      当参考矢量的幅值超出图2所示的小六边形内切圆半径时，逆变器进入模式2 调制状态，此时当参考矢量位于B三角形时选取B三角形的三个顶点合成参考矢量，其I扇区各矢量作用顺序为POO-PON-PNN-ONN-PNN-PON-POO与之对应的IV扇区各电压矢量作用顺序为OPP-NPP-NOP-NOO-NOP-NPP-OPP上述的开关顺序在一个开关周期内对应的矢量分配如图5所示。

      电抗器在变频器谐波消除中能够抑制过电压过电流而引起的合闸涌流。随着参考电压矢量幅值的增大，其幅值可能超过大六边形的边长，这时候就进入过调制状态。对于一般调制算法如果不控制参考电压幅值的大小，可能出现有些电压矢量作用时间为负数，同时输出的电压、电流波形会发生畸变，这是高性能空间矢量调制中所不允许出现的。
 
      因此当参考矢量位于图2所示的大六边形的内切圆和外接圆中时需要特殊的安排矢量作用顺序，文献[6]给出了矢量的安排和作用时间的计算。仍然以扇区Ⅰ为例，当参考矢量的幅值超过长矢量PNN的长度，并且相位小于仔/6时选取电压矢量PNN-PON-PON-PNN；当参考相位小于仔/3且大于仔/6 时选取电压矢量PPN-PON-PON-PPN。如图6所示。

      2 三电平逆变器消谐方法
      由上述逆变器的调制结果可知，逆变器输出的相电压为一系列的矩形波，如图7所示，该电压以调制波的周期为周期，对于这样的非正弦电压u(棕t)满足狄里赫利条件，因此可以分解为如下形式的Fourier级数

      电抗器在变频器谐波消除中能够保护变频器，提高功率因数。需要满足且在正负半周期内前后仔/2 的波形以仔/2 轴线为对称。如果按照第1节所叙述的方法选取电压空间矢量得出如图7所示的相电压波形，不满足上述条件，其输出电压中含有偶次谐波。由于三电平逆变器各扇区的对称性，即I、IV；II、V和III、VI扇区为180°对称，我们把第1节分析的IV、V、VI扇区选取的矢量改变成输出极性与I、II、III 相反的矢量，即把模式1、模式2 和模式3 下I、IV扇区对应三角形的电压矢量分别改为图8所示电压矢量作用顺序。从上述的电压矢量的安排可以看出，其波形对称。因此上述的矢量安排即能够满足偶次谐波含量为零的条件。

      3 仿真及实验分析
      电抗器在变频器谐波消除中能够降低整流单元对电网造成的谐波污染。为了验证上述调制算法的正确性，分别在MATLAB软件和基于DSP-LF2407 的实验环境下搭建了实验系统，实验采用的电机模型数据为：额定功率1.1 kW；额定电压380 V ；频率50 Hz；电机极对数p=2；定、转子绕组的阻抗参数R1 =2.68 赘；R2=2.85 赘；X1滓=X2滓=3.62 赘；Xm=79.5赘；逆变器直流环节电容为C1=C2=500 滋F；直流母线电压为540 V。仿真中开关频率为5 kHz。仿真波形如图9所示，实验波形如图10所示。MATLAB仿真和基于DSP-LF2407的实验结果证明该方法消除偶次谐波的有效性。

      4 结 语
      讨论了电抗器在变频器谐波消除中的应用，由于变频器中的整流单元本身就是一个谐波源，他们在工作运行时会产生大量的谐波电流，因此，进线电抗器能有效降低整流单元产生的谐波电流对电网的污染。