電抗器在變頻器諧波消除中的應用

      摘 要  本文探討了電抗器在變頻器諧波消除中的應用，同時提出一種新的調制策略，該調制策略能夠消除逆變器輸出電壓的偶次諧波。同時也能平衡直流環節兩個電容的電壓。MATLAB仿真和基于DSP-LF2407實驗結果證明該方法的有效性。 

      關鍵字： 電抗器；變頻器；PWM調制模式；諧波消除 
  
      0 引 言
      廣義上講，凡在電路中能夠起到阻抗作用的物體或東西(一個由無導磁材料組成的空心線圈)，我們統稱為電抗器，因此，安裝在變頻器進線端（或者叫輸入端）的電抗器就叫進線電抗器（或稱輸入電抗器），電壓型逆變器（VSI）以其輸出電壓諧波含量小，dv/dt 小等特點而非常適合于高電壓、大容量的交流調速場合。目前三電平逆變器供電的交流電機調速控制系統在軋鋼，水廠、電廠的風機、泵類負載以及電氣化鐵路牽引系統得到了實際的應用[1]。

      電抗器在變頻器諧波消除中可以限制電網中的諧波干擾；由于三電平逆變器的變頻調速系統一般工作電壓比較高，逆變器輸出電壓跳變幅度比較大，必然產生很高的dv/dt，同時由于開關頻率低，其電流的諧波畸變不容忽視[6]，因此在調制中要盡量減少諧波含量，以提高逆變器的輸出波形質量和電機的使用壽命。文獻[2]分析了三電平逆變器帶非線性負載時奇次諧波引起低頻振蕩，但不會使中點電位不平衡，而偶次諧波引起中點電位的漂移和不穩定；文獻[3][4]以三角載波法生成非線性方程組，通過開關時刻的優化選擇，消除選定的低頻次諧波，計算量較大；文獻[5]分析了偶次諧波產生的原因，沒有結合逆變器的調制方式分析結果。本文主要討論逆變器的運行模式，合理選取各矢量的作用順序以達到消去偶次諧波和維持直流側電容電壓平衡的效果，仿真結果和實驗結果證明了此方法的有效性。

      1 三電平逆變器空間矢量調制的三種模式
      圖1 為二極管中點箝位（NPC）三電平逆變器電路原理圖，每一個橋臂由四個開關管組成，同時每一個橋臂具有三種輸出狀態。以U相電路為例，當S1u、S2u 導通時U 相的輸出電壓為Vdc/2；S2u、S3u 導通時U相的輸出電壓為0；S3u、S4u導通時U相的輸出電壓為-Vdc/2。于是U 相可以得到三個電壓值：Vdc/2、0 和-Vdc/2，其各相開關狀態和輸出電壓可以由表1 表示（x分別表示u、v、w）。

   圖2為三電平逆變器電壓空間矢量分布圖，在圖2 中定義大六邊形的6個電壓長矢量幅值為2Vdc/3，6個中矢量長度為姨3 Vdc/3，12個短矢量長度為Vdc /3，且長矢量將磁鏈圓等分為6個扇區。

      當參考矢量的幅值小于圖2所示的最小內切圓的半徑時，定義為模式1狀態，在圖2中由于扇區的對稱性，為分析方便，以第I 、IV 扇區為例，當參考矢量位于I扇區A 三角形時，如圖3所示，按照空間矢量“NTV”合成法則，選取三角形A 的三個頂點合成參考矢量，且各矢量安排順序選取為POO-OOO-OON-ONN-OON-OOO-POO

       同理可得參考矢量在第IV 扇區的A 三角形時的作用順序為OPP-OOP-OOO-NOO-OOO-OOP-OPP上述的開關順序在一個開關周期內對應的矢量分配如圖4所示。

      當參考矢量的幅值超出圖2所示的小六邊形內切圓半徑時，逆變器進入模式2 調制狀態，此時當參考矢量位于B三角形時選取B三角形的三個頂點合成參考矢量，其I扇區各矢量作用順序為POO-PON-PNN-ONN-PNN-PON-POO與之對應的IV扇區各電壓矢量作用順序為OPP-NPP-NOP-NOO-NOP-NPP-OPP上述的開關順序在一個開關周期內對應的矢量分配如圖5所示。

      電抗器在變頻器諧波消除中能夠抑制過電壓過電流而引起的合閘涌流。隨著參考電壓矢量幅值的增大，其幅值可能超過大六邊形的邊長，這時候就進入過調制狀態。對于一般調制算法如果不控制參考電壓幅值的大小，可能出現有些電壓矢量作用時間為負數，同時輸出的電壓、電流波形會發生畸變，這是高性能空間矢量調制中所不允許出現的。
 
      因此當參考矢量位于圖2所示的大六邊形的內切圓和外接圓中時需要特殊的安排矢量作用順序，文獻[6]給出了矢量的安排和作用時間的計算。仍然以扇區Ⅰ為例，當參考矢量的幅值超過長矢量PNN的長度，并且相位小于仔/6時選取電壓矢量PNN-PON-PON-PNN；當參考相位小于仔/3且大于仔/6 時選取電壓矢量PPN-PON-PON-PPN。如圖6所示。

      2 三電平逆變器消諧方法
      由上述逆變器的調制結果可知，逆變器輸出的相電壓為一系列的矩形波，如圖7所示，該電壓以調制波的周期為周期，對于這樣的非正弦電壓u(棕t)滿足狄里赫利條件，因此可以分解為如下形式的Fourier級數

      電抗器在變頻器諧波消除中能夠保護變頻器，提高功率因數。需要滿足且在正負半周期內前后仔/2 的波形以仔/2 軸線為對稱。如果按照第1節所敘述的方法選取電壓空間矢量得出如圖7所示的相電壓波形，不滿足上述條件，其輸出電壓中含有偶次諧波。由于三電平逆變器各扇區的對稱性，即I、IV；II、V和III、VI扇區為180°對稱，我們把第1節分析的IV、V、VI扇區選取的矢量改變成輸出極性與I、II、III 相反的矢量，即把模式1、模式2 和模式3 下I、IV扇區對應三角形的電壓矢量分別改為圖8所示電壓矢量作用順序。從上述的電壓矢量的安排可以看出，其波形對稱。因此上述的矢量安排即能夠滿足偶次諧波含量為零的條件。

      3 仿真及實驗分析
      電抗器在變頻器諧波消除中能夠降低整流單元對電網造成的諧波污染。為了驗證上述調制算法的正確性，分別在MATLAB軟件和基于DSP-LF2407 的實驗環境下搭建了實驗系統，實驗采用的電機模型數據為：額定功率1.1 kW；額定電壓380 V ；頻率50 Hz；電機極對數p=2；定、轉子繞組的阻抗參數R1 =2.68 贅；R2=2.85 贅；X1滓=X2滓=3.62 贅；Xm=79.5贅；逆變器直流環節電容為C1=C2=500 滋F；直流母線電壓為540 V。仿真中開關頻率為5 kHz。仿真波形如圖9所示，實驗波形如圖10所示。MATLAB仿真和基于DSP-LF2407的實驗結果證明該方法消除偶次諧波的有效性。

      4 結 語
      討論了電抗器在變頻器諧波消除中的應用，由于變頻器中的整流單元本身就是一個諧波源，他們在工作運行時會產生大量的諧波電流，因此，進線電抗器能有效降低整流單元產生的諧波電流對電網的污染。