SPWM的谐波分析及其抑制方法研究

重庆理工大学毕业论文 单相 SPWM 逆变器谐波分析及抑制方法研究目 录摘要 .IAbstract.II第一章 绪论 .11.1.课题背景及研究意义 .11.1.1 课题背景 .11.1.2 课题的意义 .21.2 国内外 PWM 逆变器谐波抑制技术的研究现状 .31.2.1 正弦 PWM 技术 .31.2.2 随机 PWM 技术 .41.2.3 优化 PWM 技术 .41.3 课题的来源及主要研究内容 .5第二章 单相 SPWM 逆变器输出电压谐波分析 .62.1 谐波分析的必要性 .62.2 单极性 SPWM 逆变器输出电压谐波分析 .62.2.1 MATLAB/simulink 建模仿真 .62.2.2 输出电压的谐波分析 .92.3 双极性 SPWM 逆变器输出电压谐波分析 .112.3.1 MATLAB/simulink 建模仿真 .112.3.2 输出电压的谐波分析 .132.4 单极性倍频 SPWM 逆变器输出电压谐 波分析 .152.4.1 MATLAB/simulink 建模仿真 .152.4.2 输出电压的谐波分析 .172.5 本章小结 .20第三章 SPWM 逆变器谐波抑制方法研究 .213.1 改变载波比法 .21重庆理工大学毕业论文 单相 SPWM 逆变器谐波分析及抑制方法研究3.1.1 理论基础 .213.1.2 仿真结果 .223.2 注入适当的谐波 法 .243.2.1 理论基础 .243.2.2 仿真结果 .253.3 低通滤波器法 .293.3.1 巴特沃思型滤波器参数设计 .303.3.2 设计实例 .313.3.3 仿真结果 .313.4 其他抑制谐波的方法 .333.5 本章总结 .34第四章 总结 .35致谢 .36参考文献 .37文献综述 .39重庆理工大学毕业论文 单相 SPWM 逆变器谐波分析及抑制方法研究I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逆变器设计合适的滤波器。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逆变器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下的输出电压中所含的谐波特点。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滤波器。研究表明，不同在载波控制方式、载波比、调制比这些因素都影响着单相SPWM逆变器输出电压的谐波含量及分布；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；利用巴特沃思型滤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：SPWM逆变器， 谐波分析， 谐波抑制， 滤波器重庆理工大学毕业论文 单相 SPWM 逆变器谐波分析及抑制方法研究IIAbstractWith the rapid development of power electronic devices, PWM inverter is more widely used in the AC frequency control system, frequency power supply, and various other power electronic devices has been, it generates harmonics on the dangers of the outside world is also becoming increasingly serious. This paper stEdies the single-phase SPWM inverter output voltage harmonics and harmonic suppression method for single-phase unipolar SPWM frequency inverter design suitable filter.First, according to the principle and the Fourier series SPWM theory, the inverter output voltage SPWM mathematical model to analyze SPWM inverter output voltage and harmonic characteristics.Then, stEdy the three different carrier control of under way output voltage of contained in the harmonics features. Secondly selection can be effectively inhibit the single-phase SPWM Inverter output voltage harmonics approach. Second choice can effectively inhibit the single-phase SPWM inverter output voltage harmonic approach. Finally multiplier for single-phase unipolar SPWM inverter design a suitable filter it.StEdies have shown that different control modes of the carrier, the carrier ratio, modulation ratio of these factors affect the single-phase SPWM inverter output voltage harmonic content and distribution; choose the right carrier ratio and the amount of harmonics injected two methods can be varying degrees, the output voltage harmonic suppression, but both methods have some limitations; utilization Butterworth type filter design parameters can be well filtered unipolar SPWM inverter output voltage doubler in higher harmonics, the output voltage waveform is smooth and very close to the sine wave.Key words: SPWM inverter ，Harmonic Analysis ，Harmonic suppression， Filter重庆理工大学毕业论文 单相 SPWM 逆变器谐波分析及抑制方法研究1第一章 绪论1.1.课题背景及研究意义1.1.1 课题背景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：相电压控制PWM、脉宽 PWM 法、随机 PWM、正弦 PWM 法、线电压控制 PWM 等，而在镍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 电源和有源滤波器中等的广泛应用，以及高速全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，尤其是近几年，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。2）PWM 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、重庆理工大学毕业论文 单相 SPWM 逆变器谐波分析及抑制方法研究2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置中。技术在这种加工将起到重要作用。今后，随着工业和科学技术的发展，用户对电能质量的要求将越来越高，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用，而 PWM 逆变器3）谐波的危害PWM 逆变器的广泛应用不仅可以提高了电力电子装置效率和可靠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。其次也为机电一体化、智能化奠定了重要的基础。但是不能忽略的是因为 PWM 逆变器广泛的应用，将电力电子装置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. 对旋转电机（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. 对电容负载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，并使电气测量仪表计量不准确。 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，降低通信质量；重者导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。重庆理工大学毕业论文 单相 SPWM 逆变器谐波分析及抑制方法研究31.1.2 课题的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子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质量的正弦波。 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一定的积极作用，能够实现高效、低污染地利用电能.1.2 国内外 PWM 逆变器谐波抑制技术的研究现状1963 年，F.G.Turnbull 提出了消除特定谐波法；1964 年，A.Schnoung 和H.Stemmler 把通讯系统的调制技术应用大交流传动逆变器中，产生了正弦脉宽调整技术，后由英国 Bristol 大学的 S.R.Bowes 与 1975 年进行了推广和应用，使 SPWM 调制技术成为广泛关注的热点。后来，Bowes 有相继提出了全数字化SPWM 方案，规划采样数字化 PWM 方案及住优化 PWM 技术，已提好直流电压利用率。1983 年，J.Holtz 等有提出了空间向量 PWM 技术。从逆变器诞生那刻起全球的科学家都在寻找一种可以使 PWM 逆变器谐波含量少的控制方法，历经一个世纪的沧海桑条的变化 PWM 逆变器的谐波抑制技术也经历了一个不断创新和不断完善的发展过程。1.2.1 正弦 PWM 技术正弦脉宽调制技术是调制波为正弦波、载波为三角波或锯齿波的一种脉宽调制技术，它是 1964 年由 A.Schonung 和 H.stemmler 把通讯西东的调制技术应用到逆变器而产生的，后来由 Bristol 大学的 S.R.Bower 等于 1975 年对该技术正是进行推广应用。这项技术的特点是原理简单，通用性强，控制和调节性能好，具有消除谐波、调节和稳定输出电压的多种作用，是一种比较好的波形改善法。它的出现为中小型逆变器的发展起了重要的推动作用。但是 SPWM 调制技重庆理工大学毕业论文 单相 SPWM 逆变器谐波分析及抑制方法研究4术也有自身的不可避免的缺点，例如载波对正弦信号进行调制，必然会产生和载波有关的谐波分量。当需要提高直流电压利用率时，就要对正弦信号进行过调制，这样的做法会影响输出电压，令低次谐波大量出现。这与 SPWM 的初衷是有一定矛盾的。所以过调制只在某些强调直电压流利用率而对谐波要求不高的场合有所应用。1.2.2 随机 PWM 技术随机 PWM 技术主要针对的交流传动逆变器的调制提出的。1970 年 1980 年，由于当时大功率晶体管主要为双极性达林顿三极管，载波频率一般不超过5kHz，电机绕组的电磁噪音及谐波造成的振动引起了人们的关注。，在 1993 年到 1994 年之间为求得改善， V.G.A.gelidis 和 A.M.Trzynadlowsky 等提出了随机 PWM 调制技术。她从改变噪声的频谱分布入手，使逆变器输出电压的谐波均匀地分布在较宽的频带范围内，以此来达到抑制噪音纺织机械共振的目的。值得考虑的是随机调制并没有将总谐波能量减小，而是将原来集中在开关频率及其频率上的能量分摊在整个频域范围内，使得集中在谐波频率上的谐波能量相对减小，同时因为其波分量分布范围较宽，就会对滤波造成不利的影响。根据随机 PWM 的原理，有 PWM 实现方式的不同可以分为三类，即随机开关频率PWM、随机脉冲位置 PWM 和随机开关 PWM.就当今的电力电子装置的发展而言随机 PWM 技术已得到成功地运用，但是对随机开关频率 PWM 逆变器的谐波频谱进行分析和量化设计方面没有较为完整有效的方案并且如何具体的实现的方案也很少。1.2.3 优化 PWM 技术 优化 PWM 技术多数是以 F.G.Turnbull 提出的消除特定谐波为基础的，其原理是：根据某一特定的优化目标(评价函数最小)，在离线状态下计算出在所有工作频率范围内的开关模式（开关叫位置），使得某个评价函数为最小优化目标最佳），然后把这个结果存储起来，通过查表或其他方式输出，形成优化PWM 波形。由于开关频率低，每一工作周期只有可数的几次开关动作，因此开关角的微小变化都对谐波含量的影响很大，所以应选用大型计算机在整个工作频率内寻优，算出一个工作周期内实现某一特定优化目标的开关模式（所有开重庆理工大学毕业论文 单相 SPWM 逆变器谐波分析及抑制方法研究5关角的位置），并去掉可能的局部优化结果，这是很浪费时间的，同时也难以实现动态控制，因此应用较少。目前应用较多的是存表，然后通过少量插值计算的方法，或是通过简化的近似计算法了输出优化 PWM 波形。随着微处理器素对和为数的提高，实时计算的优化 PWM 波形法也已经实现。1.3 课题的来源及主要研究内容SPWM逆变电路由于其固有的特性，输出波形含有较大的谐波，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。使其获得良好的经济效应和社会效应。本次论文主要研究的有如下几个问题：1）单相SPWM逆变器输出电压谐波分析。通过MATLAB软件建立三种不同载波方式下的单相SPWM逆变器模型，