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・02・No 12 Vol 120过 SPWM 三相变频调速电路的谐波分析摘 要 :在理论分析和电路仿真实验数据的基础上 ,总结出 SPWM 三相变频器谐波的分布特点 ,为变频 器输出滤波器设计提供了理论依据 ,并通过电路仿真实验予以验证 。
关键词 :变频器 ;正弦脉宽调制 ;谐波分析 ;滤波器交流电动机变频调速以其高效节能 ,调速性能好 ,易实现数字化控制等显著优点 ,在现代电力拖动系统中已得到广泛应用 。
由于系统能量变换的主要形式为 AC —DC —AC ( 交 —直 —交) 变换 。
而实现 DC —AC 环节变换的变频器 ,以脉宽调制 ( PWM) 技术为主流 。
因 PWM 技术所固有的脉冲性质 ,使输 出电压中谐波含量高 ,由此引起的负面效应 :使电机过热 、 压导致绝缘提前老化甚至击穿 ,产生机械振 动和噪声以及电磁干扰现象等 。
特别是在中压 、高压 、大容量变频调速系统中尤其严重 。
为消除其影 响 ,最简便有效的措施就是在变频器输出端装设低通滤波器 。
本文对目前应用最多的基于 PWM 下的 正弦脉宽调制 ( SPWM) 变频电路进行谐波分析 ,为变频器输出滤波器的设计提供理论依据 。
1 SPWM 三相变频器的电路结构及调制特性SPWM 三相变频调速电路主回路拓扑结构如图 1 (a) 所示,功率开关 P —MOSFET 管 T1 T6 组成三 相桥式逆变电路 ,其控制端 G1 G6 受 SPWM 波控制 ; 变频器输入直流 电 压 为 VD ( 由 三 相 整 流 装 置 提供) ,输出端经 RL C 滤波器与交流电动机相连接 。
控制电路采用 SPWM 调制方式 ,如图 1 ( b) 所示 。
利 用三角载波 u c 和三相正弦调制信号 u r 进行比较 ,在交点处产生驱动信号 V G1V G6 ,即 SPWM 波 。
当 变频器三相桥臂功率开关 T1 T6 在驱动信号控制下 ,工作于适时 、适式的通断状态时 ,输入直流电压被 转换成等幅而脉冲宽度按正弦函数关系变化的三相脉冲序列电压输出 ,其相电压为双极性脉冲 ,线电压 为单极性脉冲 。
PE 电力电子2010年第6期 47SPWM 的谐波及抑制程宝平（山西长治市应用技术研究院，山西 长治 046011）摘要 本文对SPWM 的谐波及其分布规律进行了分析，讨论了SPWM 逆变器的主要参数对谐波频谱变化的影响，归纳了工程实际中采用的几种谐波抑制方法。
关键词：SPWM ；载波频率；谐波注入法；指定谐波抑制法；趋近采样法；低通滤波器Harmonic Analysis and Harmonic Suppression of SPWMCheng BaoPing(Changzhi Applied Science And Technology Institute of Shanxi, Changzhi, Shanxi 046011)Abstract In this paper a detailed analysis on harmonics in output voltage is analysed and a rule of harmonic spectrum distribution is given. Main parameters of inverter which influence harmonic spectrum variation are discussed. The relevant measures for harmonic suppression are presented.Key words ：SPWM(sinusoidal pulse width modulation ）；frequency of carrier wave ；harmonic injection ；special harmonic suppression ；sample used to harmonic suppression at LVLF ；low-pass filter1 引言SPWM 的谐波不仅会增加电动机的铁损和铜损，使电机温度上升、效率下降、产生机械震动和噪声，甚至造成电机损坏，而且还会对计算机、通信以及电子设备产生严重电磁干扰，导致仪表的测量误差增加，影响功率处理器的正常运行，严重时甚至会影响整个系统的控制性能。
收稿日期:2000-07-10 修订日期:2000-08-18]电器电工技术]SPWM 电压型逆变电路谐波仿真分析万健如,林志强,杨 帆,禹华军(天津大学,天津 300072)摘 要:根据SPW M 基本原理,应用M AT LAB 软件及其电气模块库,建立逆变电路及其负载感应电机模型,针对影响逆变电路输出电压频谱分布的主要因素进行仿真分析,对仿真结果进行比较,得出其频谱分布的规律性结论。
根据结论,通过设计加装滤波器来抑制逆变电路输出谐波,并加以仿真比较,得到了较好的滤波效果。
关 键 词:SPW M;谐波分析;逆变电路中图分类号:T M921.51 文献标识码:A 文章编号:1001-4551(2000)06-0050-04H armonic Simulation and Analysis of V oltage -sourced SPWM I nverterW AN Jian 2ru ,LI N Zhi 2qiang ,Y ANGfan ,Y U Hua 2jun(Tianjin Univer sity ,Tianjin 300072)Abstract :By the principle of SPW M ,the inverter and m ortor m odel based on the P ower System Blockette in M AT LAB s oftware is established.The rule of harm onic spectrum distribution and the trends toward which harm onics vary with inverter parameters have been given after the quantitative harm onic analysis of inverter output wave.At last ,a sim ple practical and effective filter is de 2signed to eliminate the ham ornics and verified by the simulating results.K ey w ords :SPW M;harm onic analysis ;inverter1 引 言随着PW M 技术的发展,调速性能得到很大提高,变频器应用越来越广泛,但逆变电路输出侧产生的高次谐波对其负载和周围电气装置会产生很大负面影响。
单相SPWM逆变桥输出电压的谐波分析引言：单相SPWM逆变桥是一种常见的交流电源变换器，广泛应用于工业控制中。
在SPWM（Sinusoidal Pulse Width Modulation）逆变桥中，通过调整PWM信号的占空比，控制输出电压的大小和频率，以实现对交流电源的变换。
本文将对单相SPWM逆变桥输出电压的谐波进行分析。
一、单相SPWM逆变桥的工作原理逆变桥的工作原理如下：1.当M1和M2导通时，上管形成导通通道，电流从正极流向负极，输出电压为正向。
2.当M3和M4导通时，下管形成导通通道，电流从负极流向正极，输出电压为反向。
3.M1和M4、M2和M3也可以同时导通，此时两个导通通道是时序互补的，可以形成全桥逆变，输出电压的极性可以根据控制信号决定。
由于PWM的调制方式是基于三角波的频率调制，所以输出电压将会产生谐波。
具体的谐波分析如下：1.基波分量：基波是输出电压中频率最低的正弦波分量，其频率由所选择的PWM三角波频率决定，一般为50Hz或60Hz。
2.谐波分量：谐波分量是输出电压中频率高于基波的正弦波分量。
根据上述逆变桥的工作原理，谐波的频率为输入直流电压频率的奇次谐波。
具体的谐波分量数值与具体的控制策略有关，下面分析两种常见的输出电压控制策略。
（1）三角波PWM在三角波PWM控制下，PWM信号的占空比根据三角波的振幅决定。
当PWM信号的占空比为0.5时，输出电压为基波分量的峰值。
当PWM信号的占空比为0或1时，输出电压为0。
所以，在三角波PWM控制下，逆变桥输出电压只包含基波分量。
（2）正弦PWM在正弦PWM控制下，PWM信号的占空比与正弦波的幅值成正比，所以逆变桥输出电压中包含基波分量和谐波分量。
根据正弦PWM的控制方法不同，谐波分量的大小也会有所变化。
三、单相SPWM逆变桥输出电压的谐波抑制措施为了减小逆变桥输出电压中的谐波分量，常采用以下措施进行抑制：1.增加PWM的频率：增加PWM的频率有助于减小谐波分量的幅值，提高输出电压的质量。
光伏发电系统SPWM 逆变电源谐波的抑制技术曹太强1，许建平1，徐顺刚1，2（1.西南交通大学电气工程学院，四川成都610031；2.重庆师范大学物理学与信息技术学院，重庆400047）摘要：对光伏发电系统的SPWM 逆变电源产生谐波的原因进行了分析，设计了一种新型无源三相三角形-带通滤波器，该滤波器将LCL 串联装置并联在主电路中，通过仿真数据选取最佳的LCL 参数，并与阻波器串联以共同抑制光伏系统产生的谐波。
理论分析、仿真和实验研究结果表明，该三相三角形-带通滤波器能有效抑制光伏发电系统中的3～19次等谐波，谐波总含量从31.5%减小到3.1%。
关键词：光伏发电；谐波分析；逆变器；三角形-带通无源滤波器；交流纹波中图分类号：TM 741文献标识码：A文章编号：1006－6047（2011）06－0020－03收稿日期：2010-05-20；修回日期：2011-04-18基金项目：国家自然科学基金资助项目（50677056）Project supported by the National Natural Science Founda -tion of China （50677056）电力自动化设备Electric Power Automation EquipmentVol．31No .6Jun.2011第31卷第6期2011年6月50250U ／V 200400600800f ／Hz图2光伏发电SPWM 逆变电源的频谱图Fig.2Spectrum of PV SPWM inverter0引言光伏发电系统中的逆变电源（DC ／AC ）产生的谐波是影响光伏发电系统正常运行的主要干扰源［1］。
逆变电源产生的3～20次谐波在光伏发电SPWM 逆变电源中含量比较大（由于主电路设计不同，有些电路3次谐波含量很少），必须进行有效的抑制，系统才能稳定、可靠运行。
理论上有源滤波器虽然可以有效地抑制谐波，但由于其技术复杂、成本较高，而未能获得广泛应用。
SPWM单相逆变电路的谐波分析胡赛纯【摘要】摘要:在比较单相逆变电路几种PWM调制方法的基础上，对SPWM 调制的谐波问题进行了分析，并在Matlab中进行了仿真，从仿真结果可以看出PWM逆变器的谐波特性与调制深度、载波频率有着密切关系，在实际中为得到较好的输出正弦波，既要考虑增加调制深度，又要增加载波频率。
【期刊名称】通信电源技术【年(卷),期】2011(028)003【总页数】3【关键词】关键词:正弦脉宽调制;谐波;FFT;分析0 引言逆变器广泛用于工业、交通、能源、航空航天等领域。
为了满足实际应用的各种要求，人们希望逆变器的输出电压(电流)、功率以及频率能够得到有效和灵活的控制，比如，有些系统对输出电压波形正弦失真度有严格的要求。
基于此，研究逆变器的输出电压谐波是很有实际意义的［1］。
逆变器按输出相数可以分为单相逆变器、三相逆变器和多相逆变器。
在单相逆变器中，常采用PWM调制方式对开关管进行控制，在PWM调制方法中有方波调制、正弦波调制、矢量空间调制等。
方波调制尽管直流利用率高，但输出电压的谐波含量也高，且正弦度较差;而SPWM调制能获得较好的正弦波，目前已被广泛应用，但其谐波问题仍然不可忽视。
本文就双极性SPWM控制逆变器的谐波问题进行一些研究。
1 单相PWM逆变电路拓扑图1为单相PWM逆变电路的主电路。
它由一个大小为Ud的直流电压源和两个桥臂组成，每个桥臂包括两个IGBT全控器件，L和R为逆变输出负载［2］。
2 双极性SPWM调制原理双极性SPWM逆变控制技术在生成SPWM波形时，有自然采样法、规则采样法、不规则采样法、面积等效法等［3］，本文研究时采用面积等效法。
SPWM采用的调制波是频率为fs的正弦波，设为载波uc是幅值Ucm、频率fc的三角波。
载波比:幅度调制深度:采用us与uc相比较的方法生成PWM信号:当us＞uc时，功率开关S1、S3导通，逆变电路输出电压uo等于Ud;当us＜uc时，功率开关S2、S4导通，输出电压uo等于－Ud。
28 船电技术 2005年第1期SPWM逆变电源的谐波分析及抑制策略陈颖张俊洪（海军工程大学电气工程系，武汉430033）摘要: 分析了电压源型IGBT-SPWM逆变器输出电压和电流谐波及其产生规律，并提出了相应的谐波抑制策略，如选择正确的载波频率、精确实现选择的载波频率、在逆变器中注入谐波电流等，研究结果表明这些措施是可行的。
关键词: SPWM逆变器，谐波分析，谐波抑制Analysis and Restraint Strategy of Harmonics for InvertingPower Supplies with SPWMChen Ying，Zhang Junhong(Department of Electric, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)Abstract: This paper analyses the harmonics in output voltage and current of voltage-source IGBT-SPWM inverter and their developing law. The relevant strategies for restraining harmonics are presented in the paper, such as selecting appropriate frequency of carrier wave、accurately implementing of the selected frequency of carrier wave, injecting proper harmonics into the inverter and so on. The study results show the feasibility of the presented methods .Key words: inverter; harmonic; SPWM1 引言正弦脉宽调制(SPWM)逆变电源的性能在很大程度上取决于其非正弦输出电压和输出电流中谐波含量的大小。
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。
文献[1]在建立SPWM数学模型的基础上，分析了不同工作模式下SPWM电压源型逆变器的谐波与载波比，调制深度关系；文献[2]则针对利用自然采样SPWM的电压源型逆变器详细分析了三角波与锯齿波调制下逆变器性能的优劣；文献[3]则引入了谐波畸变决定因子(harmonic distortion determining factor)，针对SPWM逆变器中输入电流的谐波，对比分析了几种常见SPWM收稿日期:2004-11-15 方法的性能。
但三者都没有就如何抑制SPWM逆变器的谐波作更深入的讨论。
对于SPWM逆变器的谐波抑制，文献[4][5]都采用了指定谐波消除法，在一定程度上减小了逆变器的输出谐波,但是这种谐波抑制方法需求解多个开关角所对应的非线性超越方程，而这是无法通过微处理器构成的控制器在线完成的。
如果要消除的谐波次数过多，即便是离线求解此种非线性超越方程也有一定的困难。
因此，为了提高SPWM逆变电源的性能，本文从工程的角度出发，在借鉴国内外相关研究的基础上，对逆变电源输出电压、电流中的谐波及其产生规律进行了较为详尽的分析，并给出了相应的谐波抑制策略。
2 SPWM逆变电源简介SPWM逆变电源的主回路和SPWM产生回路如图1所示。
其中逆变器的主回路一般采用高速开关元件，以保证逆变器能工作在较高的开关频率下；逆变器的控制部分则采用正弦脉宽调制船电技术 2005年 第1期 29技术。
SPWM 是工业应用中为便于分析谐波较常见的一种方法，其实质在于功率开关元件的开关信号是通过期望频率的正弦调制波与特定的载波信号相比而获得的。
这样可使得逆变器输出期望频率的正弦电压调制波，并达到控制频率、电压、电流和抑制谐波的目的。
图1 SPWM 逆变电源结构框图3 SPWM 逆变电源的谐波分析3.1 谐波分析的基本假设为了便于分析谐波，在此对SPWM 逆变电源作以下假设：假设 1：支流环节电压U DC 是最理想的电压源，不考虑其纹波对逆变器输出的影响；假设 2：视功率开关元件为理想器件，具有理想的开关特性；假设 3：逆变器采用双极性三角载波自然采样SPWM ，三角波频率f c 与逆变器输出电压频率f 之比N 大于1，正弦调制波的峰值A S 与载波峰值A C 之比小于等于1。
3.2 逆变电源输出电压的谐波分析在3.1的假设下,SPWM 逆变电源的输出电压可表示为:F(t)= 2U DC /π∑∞=102/m mM J ）（•sin m π/2cosm ωt+ MU DC cos ωt/2+2U DC /π)2/(11πmM J m n n∑∑∞=±∞±=sin[(m+n)π /2]cos(ωt+n ωt)/m (1)式中ω=2πƒ;ω=2πƒC ; U DC 为逆变电源支流环节电压;M 为调制系数;J 0,J n 为第一类Bessel函数。
分析式（1），不难看出以下结论： l 由式（1）的第二项得逆变电源输出电压的一部分谐波分量的频率为载波频率的奇数倍。
l 由式（1）的第三项得逆变电源输出电压的另一部分谐波分量对称分布在整数倍的载波频率周围，其频率可表示为m ω+n ω，其中（m+n ）不能被2整除。
3.3 逆变电源输出电流的谐波分析评价逆变电源的性能时，输出电流的谐波分析也是一个十分重要的手段。
然而，逆变电源输出电流的频谱不仅与采用的SPWM 方法有关，而且还受逆变器开关频率、负载参数等因素的影响。
因此，为保证逆变器运行性能评价的客观性，文献[3]采用了谐波畸变决定因数作为考察的主要指标。
依据文献[3]的分析，可以得出以下结论：在交流电机驱动应用中，和常规SPWM 及改进的SPWM 相比，谐波注入式PWM （即HIPWM ，指在SPWM 的正弦调制波中注入17%的谐波）的性能明显占优势。
如仅考察逆变器输出电流的谐波含量，虽然HIPWM 和SPWM 相差不多(均优于MSPWM)，但HIPWM 的性能要稍好些。
4 SPWM 逆变电源的谐波抑制为抑制SPWM 电压源型逆变器的输出谐波，本文从工程实际出发给出以下几种谐波抑制策略：①选择合适的载波频率，以消除低次和某些奇次谐波；②精确实现选定的载波频率，以避免异步调制中才会出现的偶次谐波；③注入适当的谐波分量，以在不加大输出谐波含量的情况下提高电压利用率。
4.1 载波频率的选择根据3.2的结论可知SPWM 电压源型逆变器的输出电压谐波分布在载波的整数倍周围，也就是说，逆变器输出电压的谐波与载波频率是密切相关的。
如果提高SPWM 的载波频率，则逆变器输出电压的主要谐波也会分布在较高的频率波段。
这样，在逆变器驱动交流电机时，电机的漏抗将会滤掉逆变器输出电压的高次谐波，而使逆变器的输出电流呈现较好的特性。
虽然提高载波频率可以消除逆变器的低次谐波减小电机的谐波损耗，但是也会使逆变器开关损耗大幅度增加。
因此为协调二者的矛盾，一般认为在中小功率的IGBT 逆变器中，SPWM 的载30 船电技术 2005年第1期波频率取3 kHz左右为宜。
同时，载波比N应为3的整数倍，以消除3的整数倍数次谐波。
4.2 选定载波频率的精确实现选定合适的载波频率后，另外一个重要的问题是如何精确实现该频率，这也是工程实践中的关键问题。
一般来说，选择载波频率时总是希望载波比为整数，且为3的整数倍，以实现SPWM 同步调制，并消除3的整数倍次谐波。
但是，在实现选定的载波频率时，无论采用模拟电路，还是采用数字电路，总是不可避免地带来一定的误差。
这样就会使得SPWM的载波比不为正数，更不是3的倍数，因而很难实现SPWM的同步调制。
正是由于一般SPWM在工程实现上不能处于同步工作模式，而总是处于异步模式，才不可避免地使其输出电压、电流中出现偶次谐波。
为避免以上情况的出现，需要设法使载波频率精确实现，尽可能减小载波频率误差。
在载波频率误差不可避免的情况下，可在SPWM的实现中强行使载波和正弦调制波同步。
4.3 注入适当的谐波根据文献[3]的分析可知，当逆变器应用于交流电机驱动时，注入适当3次谐波分量的HIPWM 的性能要明显优于常规SPWM和MSPWM。
因此，为提高电压利用率，同时又要使逆变器具有良好的谐波抑制特性，在SPWM的正弦调制波中注入适当3次谐波分量是一合适选择。
在正弦函数中注入一定的3次谐波后，其调制函数可表示为：ƒm(ωt)=Μ（sinωt+k3sin3ωt）/max（sinωt+k3sin3ωt）（2）式中Μ为调制系数；k3∈[0，1]为注入的3次谐波的系数；max（*）为函数（*）的最大值。
当k3取不同值时，调制函数ƒm（ωt）中注入的3次谐波含量亦不同。
图2为调制系数Μ为1情况下k3不同时的调制函数波形,其中曲线1对应于k3=0，曲线2对应于k3=1/6，曲线3对应于k3=1/5，曲线4对应与k3=1/4。
由图2可见，改变k3便可改变调制函数ƒm（ωt）与横轴之间包围的面积，从而可使逆变器输出电压的幅值随之改变。
同时,当逆变器应用于交流电机驱动时，3的整数倍谐波自行消失，因此，注入3次谐波分量的SPWM并不增加逆变器输出电压中的谐波含量,在某种意义上，甚至可以认为注入3次谐波分量的SPWM逆变器输出电压中的谐波含量有所减小，从而在一定程度上改善了逆变器的输出电压特性。
因此，要提高电压利用率，使逆变器的输出电压达到一定的要求，只需要为k3选取一合理的值即可。
图2 注入谐波后的调制函数波形图5 结论与展望由以上的分析与研究表明，选择合适的载波频率，精确实现选定的载波频率和注入适当的谐波含量都应是工程上较为有效的谐波抑制策略，而且这3种谐波抑制策略比较简单，在工程上易于实现。
但要想大幅度提高抑制逆变电源谐波的性能，还需进一步研究开发新型的PWM技术，从根本上解决谐波抑制问题。
参考文献:[1] 佟为明,等. SPWM电压源逆变器变压变频过程的谐波分析[J]. 电力电子技术, 1995, 29(3):47-57.[2] Hammam J, Van Der Merwe F S. Voltage harmonics generated by voltage-fed inverters using PWM natural sampling [J].IEEE Transactions on Power Electronics, 1988, 3(3): 297-302.[3] Fukuda S, Iwaji Y. Introduction of the harmonic distortion determining factor and its application to evaluating real time PWM inverters [J].IEEE Transaction on industry Applications, 1995, 31(1): 149-154[4] 成立. 脉宽调制逆变器中谐波消除法的仿真研究[J].江苏工学院学报, 1993,14(6): 94-101.[5] 佟为明,等. 开关变频电源的谐波问题及谐波抑制技术[J]. 电气自动化, 1996,18(3): 40-61.[6] 吴忠,等. 自然采样SPWM电源的谐波分析及抑制策略[J]. 电网技术, 2001,25(4): 17-20.。
