三相電抗器對(duì)逆變器高頻諧波的抑制作用

黃允燦，張 晉，趙紅林

應(yīng)用研究

三相電抗器對(duì)逆變器高頻諧波的抑制作用

黃允燦1，張 晉2，趙紅林2

（1. 華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430074；2. 武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

本文介紹了三相H橋逆變器輸出諧波特性及三相電抗器的工作原理及作用，建立了三相H橋逆變器仿真模型驗(yàn)證了三相電抗器對(duì)高頻諧波的抑制作用。

三相H橋逆變器 電抗器 諧波

0 引言

三相H橋逆變器具有更高的控制自由度、更高的等效開關(guān)頻率、更高的直流電壓利用率，在船舶電力推進(jìn)等領(lǐng)域得到大量應(yīng)用。三相電抗器在電力電子設(shè)備中用作無(wú)功補(bǔ)償、高頻諧波抑制等方面得到了大量應(yīng)用[1～4]。但是三相電抗器各個(gè)繞組之間存在耦合，對(duì)逆變器不同特性的諧波有不同的抑制作用，在這些方面研究較少。為了進(jìn)行濾波電抗器的準(zhǔn)確設(shè)計(jì)和諧波預(yù)測(cè)評(píng)估，有必要對(duì)H橋逆變器輸出諧波特性和三相電抗器對(duì)不同特性諧波的作用機(jī)理進(jìn)行綜合研究。

1 三相H橋逆變器輸出諧波特性

三相H橋逆變器如下圖所示，直流電壓為v，輸出電壓分別為v、v、v。相間基波相位差120°，載波同相位。

對(duì)于a相，左右橋臂共用一個(gè)三角形公共載波。左右橋臂的調(diào)制波相差180°，如圖2所示。

當(dāng)調(diào)制波大于載波時(shí)，相橋臂輸出切換連接到正直流母線，當(dāng)載波波形大于調(diào)制值時(shí)，相橋臂輸出將切換連接到負(fù)直流母線。

圖1 三相H橋拓?fù)?/p>

圖2 左右橋臂調(diào)制波波形

三相H橋逆變器在單極性調(diào)制下，采用雙重傅里葉分解方法可以得到輸出諧波電壓頻域表達(dá)式：

當(dāng)三相負(fù)載對(duì)稱時(shí)，輸出相電流可以表示為：

三相H橋逆變器輸出電流中含有同相位的差模電流，需要對(duì)同相位的差模電流進(jìn)行抑制。

2 三相電抗器的工作原理及作用

電抗器是抑制諧波電流的有效手段。常用的三相電抗器如下圖所示，線圈匝數(shù)相同，繞向?yàn)閳D中所示。

圖3 三相電抗器

假定各相互感系數(shù)相同，則磁鏈可以表示為下列矩陣。

電抗器均連接在逆變器的參考正極。

以a相為例，假設(shè)電路各相平衡，則相差120°高頻電流電感量為：

以a相為例，假設(shè)電路各相平衡，則同相位高頻電流電感量為：

此時(shí)三相電抗器的互感磁通與自感磁通相互抵消，電感量較小，只呈現(xiàn)出漏電感。

從上述分析可知，三相電抗器對(duì)同相位高頻電流抑制能力較弱，主要由漏電感實(shí)現(xiàn)抑制作用。

3 仿真驗(yàn)證

在Matlab軟件中建立三相H橋逆變器仿真模型。仿真模型如下圖所示。

圖4 仿真模型

仿真參數(shù)為：直流母線電壓500 V；電感0.5mH，互感0.245mH；開關(guān)頻率2500 Hz；調(diào)制比0.95。

a相H橋逆變器輸出電壓如下圖所示：

圖5 H橋逆變器輸出諧波電壓頻譜

圖6 電抗器兩端電壓

電抗器a相繞組上的壓降如下圖所示：對(duì)比圖5和圖6可知3倍邊帶諧波在電抗器上幾乎無(wú)壓降，電抗器對(duì)3倍邊帶諧波幾乎無(wú)作用，對(duì)其他諧波有良好的抑制作用。為了增加抑制作用可以增加漏電感。

4 結(jié)論

對(duì)于三相電抗器對(duì)高頻諧波的抑制作用，進(jìn)行理論分析，提出了分析和計(jì)算方法。輸出三相電抗器對(duì)偶數(shù)倍載波頻率的3 n次邊帶諧波幾乎無(wú)作用的結(jié)論進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。通過(guò)調(diào)節(jié)載波相位或增加三相電抗器的漏感能夠提高抑制作用。

[1] Hirofumi Akagi, Edson Hirokazu Watanabe等著, 徐政譯. 瞬時(shí)功率理論及其在電力調(diào)節(jié)中的應(yīng)用[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2009.

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Restraining effect of three-phase H-bridge reactor on high frequency harmonic of inverter

Huang Yuncan1, Zhang Jin2, Zhao Honglin2

（1. State key laboratory of strong electromagnetic engineering and new technology in school of Electrical and Electronic Engineering Hust, Wuhan 430074, China 2. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

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1003-4862(2022)04-0031-03

黃允燦（19xx-），男，工程師。研究方向：電氣工程。E-mail: zhangjin712dt@163.com

2022-01-01