基于PWM技術逆變器的諧波的研究

陶璐+李良光

【摘 要】本文介紹的是PWM（脈寬調制）逆變器的諧波，逆變器是實現直流—交流的電源變換，PWM（脈寬調制）技術是對脈沖寬度進行調制的技術，即通過對一系列的脈沖寬度進行調制，產生所需要的交流正弦波形，為交流設備供電。而諧波會影響供電設備的正常運行，因此可以運用PWM技術來抑制諧波，從而提高供電設備的穩定性。

【關鍵詞】PWM（脈寬調制）；逆變器；諧波

【Abstract】This article describes the PWM（pulse width modulation） inverter harmonics， the inverter is to achieve DC-AC power conversion， and PWM（pulse width modulation） technology is the pulse width modulation technology，that is，by a Series of pulse width modulation， resulting in the required AC sinusoidal waveform， power supply for the AC device.And the harmonics will affect the normal operation of the power supply equipment，so you can use PWM technology to suppress the harmonics，thereby improving the stability of power supply equipment.

【Key words】PWM（Pulse Width Modulation）；Inverter；Harmonic

0 引言

隨著當代科學技術的發展，相繼產生許多脈寬調制技術。逆變器中主要的可控器件有如下幾個：可關斷晶閘管、快速晶閘管、功率晶體管、場效應晶體管、絕緣柵晶體管等[1]。逆變電路在電力電子技術中的應用也十分廣泛，例如交流電機調速變頻和感應加熱電子設備領域。基于PWM（脈寬調制技術）的三相逆變技術已經相當成熟。但是在供電系統運行中，供電設備會產生諧波，就是所謂的諧波污染。這些諧波污染會加快設備的使用壽命，并且使供電設備異常運行等。因此，我們很有必要采取一些手段和措施來消除或者抑制諧波。使得供電設備能夠安全、穩定的運行，提高了整個系統的穩定性。

1 PWM技術逆變器系統的原理

逆變器是讓直流到交流的一種設備，本質上是一種轉換器，也是實現電壓逆變的變壓器。電力電子技術中，通常會把PWM（脈寬調制技術）與逆變器結合起來，因此，出現了一種基于PWM技術的三相逆變器。在電網中，通常利用轉換器將交流電壓轉換為12V的直流電壓，逆變器是將這個直流電壓再轉換成高頻的高壓交流電壓。不管是逆變器還是轉換器都要用到一個PWM集成控制器，分別采用不同的控制芯片。

三相橋式逆變器的原理：如下圖所示，其中N是負載設備的中心點，假設O是電源端的中心點，A、B、C是三相端點，三相每個相位差是120度。這樣，經過每相負載的電流是連續的。六個功率開關管分別是：V1、V2、V3、V4、V5、V6，續流二極管分別是：VD1、VD2、VD3、VD4、VD5、VD6。負載的工作模式有兩種：分別是阻性和感性。在感性時，又分別有三種工作模式：模式1：V4處于低電平狀態，控制V1的信號處于高電平狀態。模式2：控制V2、V4、V6的信號處于高電平狀態，A、B相端的電流都為負。模式3：與模式1恰恰相反的是，功率開關管V4是出于高電平狀態，而控制功率開關管V1的信號則變成低電平，控制功率開關管V5的信號仍處于高電平[2]。在阻性時，電流是不經過續流二極管的，逆變器將轉換過的電流輸送給可控設備，A、B、C三相端的設備都處于開啟狀態。此時，這三相端的電流與電壓的相值是一樣的。因此，在實際操作中，若我們想消除直流側的諧波，只需要將直流側諧波的電容消除即可，與負載的大小無關。三相逆變器的主電路如下圖所示：

2 基于PWM逆變器的諧波的抑制方法

根據仿真模型，在運行后輸出波形，波形中可能會出現諧波的現象，降低了整個系統的穩定性。而當我們要消除或者抑制供電設備中的諧波時，最關鍵的要素就是檢測出諧波是由哪些因素構成的。我們為了消除或者抑制諧波，第一種方法可以使用PWM（脈寬調制技術）中的特定諧波消除法，最顯著的特點就是能消除特定的次數的諧波。第二種方法可以使用重復控制和PID（比例-積分-微分控制器）控制互相并聯的控制波形的方法。首先重復控制的方法能有效抑制波形重復出現，在控制波形周期方面起到關鍵作用，提高了基于PWM逆變器的整個波形的品質。其次使用PID控制的方法能有效控制瞬時波形，提高了逆變器輸出波形的穩定性。

以上的兩種方法存在異同點，相同點是：首先利用三相逆變器PWM的非線性模型，計算出在PWM技術控制下的三相逆變器的開關角，開關角的數值是不唯一的。其次我們根據供電設備輸出諧波的信號模型，在MATLAB中的simulink中對信號模型進行仿真，檢測出來的波形是不完整的，存在諸多缺點，這就是受到諧波信號的影響。不同點是：特定諧波消除法要用較小的波形做仿真實驗，能大大提高輸出波形的穩定性。這種消除的方法相對簡單，諧波的波形比較唯一，容易實現。而通過PID控制的方法，不僅能提高系統的穩定性，還能提高整個系統的開環增益[3]。這都得益于PID控制器的超前校正和滯后的作用。超前校正能使波形瞬態響應加快，滯后能提高整個系統的開環增益。總而言之，PID控制器提高了系統的穩定性，同時也提高了整個系統的動態性能，在系統的控制領域應用廣泛[4]。

3 結論

本文從基于PWM的逆變器的原理出發，通過對三相逆變器的模型進行仿真，波形中進而出現諧波的現象，然后闡釋了兩種抑制和消除諧波的方法，并從兩種方法的異同點進行對比，得到：在系統比較復雜時用PID控制的方法，在系統比較簡單時用特定諧波消除法可以有效地消除或者抑制波形中的諧波，從而提高整個系統的穩定性。

【參考文獻】

[1]楊賽，張瑩，時瑞浩.汽車電氣系統中電子功率開關的應用[J].科技資訊，2011，24（59）.

[2]閆肅.開關類AC/DC電壓變換PWM芯片的設計[D].北京：北方工業大學，2008.

[3]高惠娟.高性能LDO線性電壓變換器的誤差放大器的分析與設計[J].科技廣場，2007，11（221）.

[4]王雪菲.制動單元控制算法的研究[D].四川：西南交通大學，2014.

[責任編輯：田吉捷]