電抗器在變頻器諧波消除中的應(yīng)用

      摘 要  本文探討了電抗器在變頻器諧波消除中的應(yīng)用，同時(shí)提出一種新的調(diào)制策略，該調(diào)制策略能夠消除逆變器輸出電壓的偶次諧波。同時(shí)也能平衡直流環(huán)節(jié)兩個(gè)電容的電壓。MATLAB仿真和基于DSP-LF2407實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該方法的有效性。 

      關(guān)鍵字： 電抗器；變頻器；PWM調(diào)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(gè)由無(wú)導(dǎo)磁材料組成的空心線圈)，我們統(tǒng)稱為電抗器，因此，安裝在變頻器進(jìn)線端（或者叫輸入端）的電抗器就叫進(jìn)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(diǎn)而非常適合于高電壓、大容量的交流調(diào)速場(chǎng)合。目前三電平逆變器供電的交流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)在軋鋼，水廠、電廠的風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載以及電氣化鐵路牽引系統(tǒng)得到了實(shí)際的應(yīng)用[1]。

      電抗器在變頻器諧波消除中可以限制電網(wǎng)中的諧波干擾；由于三電平逆變器的變頻調(diào)速系統(tǒng)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(chǎn)生很高的dv/dt，同時(shí)由于開(kāi)關(guān)頻率低，其電流的諧波畸變不容忽視[6]，因此在調(diào)制中要盡量減少諧波含量，以提高逆變器的輸出波形質(zhì)量和電機(jī)的使用壽命。文獻(xiàn)[2]分析了三電平逆變器帶非線性負(fù)載時(shí)奇次諧波引起低頻振蕩，但不會(huì)使中點(diǎn)電位不平衡，而偶次諧波引起中點(diǎn)電位的漂移和不穩(wěn)定；文獻(xiàn)[3][4]以三角載波法生成非線性方程組，通過(guò)開(kāi)關(guān)時(shí)刻的優(yōu)化選擇，消除選定的低頻次諧波，計(jì)算量較大；文獻(xiàn)[5]分析了偶次諧波產(chǎn)生的原因，沒(méi)有結(jié)合逆變器的調(diào)制方式分析結(jié)果。本文主要討論逆變器的運(yùn)行模式，合理選取各矢量的作用順序以達(dá)到消去偶次諧波和維持直流側(cè)電容電壓平衡的效果，仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了此方法的有效性。

      1 三電平逆變器空間矢量調(diào)制的三種模式
      圖1 為二極管中點(diǎn)箝位（NPC）三電平逆變器電路原理圖，每一個(gè)橋臂由四個(gè)開(kāi)關(guān)管組成，同時(shí)每一個(gè)橋臂具有三種輸出狀態(tài)。以U相電路為例，當(dāng)S1u、S2u 導(dǎo)通時(shí)U 相的輸出電壓為Vdc/2；S2u、S3u 導(dǎo)通時(shí)U相的輸出電壓為0；S3u、S4u導(dǎo)通時(shí)U相的輸出電壓為-Vdc/2。于是U 相可以得到三個(gè)電壓值：Vdc/2、0 和-Vdc/2，其各相開(kāi)關(guān)狀態(tài)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(gè)電壓長(zhǎng)矢量幅值為2Vdc/3，6個(gè)中矢量長(zhǎng)度為姨3 Vdc/3，12個(gè)短矢量長(zhǎng)度為Vdc /3，且長(zhǎng)矢量將磁鏈圓等分為6個(gè)扇區(qū)。

      當(dāng)參考矢量的幅值小于圖2所示的最小內(nèi)切圓的半徑時(shí)，定義為模式1狀態(tài)，在圖2中由于扇區(qū)的對(duì)稱性，為分析方便，以第I 、IV 扇區(qū)為例，當(dāng)參考矢量位于I扇區(qū)A 三角形時(shí)，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(gè)頂點(diǎn)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(qū)的A 三角形時(shí)的作用順序?yàn)镺PP-OOP-OOO-NOO-OOO-OOP-OPP上述的開(kāi)關(guān)順序在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)對(duì)應(yīng)的矢量分配如圖4所示。

      當(dāng)參考矢量的幅值超出圖2所示的小六邊形內(nèi)切圓半徑時(shí)，逆變器進(jìn)入模式2 調(diào)制狀態(tài)，此時(shí)當(dāng)參考矢量位于B三角形時(shí)選取B三角形的三個(gè)頂點(diǎn)合成參考矢量，其I扇區(qū)各矢量作用順序?yàn)镻OO-PON-PNN-ONN-PNN-PON-POO與之對(duì)應(yīng)的IV扇區(qū)各電壓矢量作用順序?yàn)镺PP-NPP-NOP-NOO-NOP-NPP-OPP上述的開(kāi)關(guān)順序在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)對(duì)應(yīng)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(guò)電壓過(guò)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(guò)大六邊形的邊長(zhǎng)，這時(shí)候就進(jìn)入過(guò)調(diào)制狀態(tài)。對(duì)于一般調(diào)制算法如果不控制參考電壓幅值的大小，可能出現(xiàn)有些電壓矢量作用時(shí)間為負(fù)數(shù)，同時(shí)輸出的電壓、電流波形會(huì)發(fā)生畸變，這是高性能空間矢量調(diào)制中所不允許出現(xiàn)的。
 
      因此當(dāng)參考矢量位于圖2所示的大六邊形的內(nèi)切圓和外接圓中時(shí)需要特殊的安排矢量作用順序，文獻(xiàn)[6]給出了矢量的安排和作用時(shí)間的計(jì)算。仍然以扇區(qū)Ⅰ為例，當(dāng)參考矢量的幅值超過(guò)長(zhǎng)矢量PNN的長(zhǎng)度，并且相位小于仔/6時(shí)選取電壓矢量PNN-PON-PON-PNN；當(dāng)參考相位小于仔/3且大于仔/6 時(shí)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(diào)制結(jié)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(diào)制波的周期為周期，對(duì)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(jí)數(shù)

      電抗器在變頻器諧波消除中能夠保護(hù)變頻器，提高功率因數(shù)。需要滿足且在正負(fù)半周期內(nèi)前后仔/2 的波形以仔/2 軸線為對(duì)稱。如果按照第1節(jié)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(qū)的對(duì)稱性，即I、IV；II、V和III、VI扇區(qū)為180°對(duì)稱，我們把第1節(jié)分析的IV、V、VI扇區(qū)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(qū)對(duì)應(yīng)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(duì)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(shí)驗(yàn)分析
      電抗器在變頻器諧波消除中能夠降低整流單元對(duì)電網(wǎng)造成的諧波污染。為了驗(yàn)證上述調(diào)制算法的正確性，分別在MATLAB軟件和基于DSP-LF2407 的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下搭建了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)采用的電機(jī)模型數(shù)據(jù)為：額定功率1.1 kW；額定電壓380 V ；頻率50 Hz；電機(jī)極對(duì)數(shù)p=2；定、轉(zhuǎn)子繞組的阻抗參數(shù)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(huán)節(jié)電容為C1=C2=500 滋F；直流母線電壓為540 V。仿真中開(kāi)關(guān)頻率為5 kHz。仿真波形如圖9所示，實(shí)驗(yàn)波形如圖10所示。MATLAB仿真和基于DSP-LF2407的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該方法消除偶次諧波的有效性。

      4 結(jié) 語(yǔ)
      討論了電抗器在變頻器諧波消除中的應(yīng)用，由于變頻器中的整流單元本身就是一個(gè)諧波源，他們?cè)诠ぷ鬟\(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的諧波電流，因此，進(jìn)線電抗器能有效降低整流單元產(chǎn)生的諧波電流對(duì)電網(wǎng)的污染。