基于PWM技术逆变器的谐波的研究

陶璐+李良光

【摘 要】本文介绍的是PWM（脉宽调制）逆变器的谐波，逆变器是实现直流—交流的电源变换，PWM（脉宽调制）技术是对脉冲宽度进行调制的技术，即通过对一系列的脉冲宽度进行调制，产生所需要的交流正弦波形，為交流设备供电。而谐波会影响供电设备的正常运行，因此可以运用PWM技术来抑制谐波，从而提高供电设备的稳定性。

【关键词】PWM（脉宽调制）；逆变器；谐波

【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

随着当代科学技术的发展，相继产生许多脉宽调制技术。逆变器中主要的可控器件有如下几个：可关断晶闸管、快速晶闸管、功率晶体管、场效应晶体管、绝缘栅晶体管等[1]。逆变电路在电力电子技术中的应用也十分广泛，例如交流电机调速变频和感应加热电子设备领域。基于PWM（脉宽调制技术）的三相逆变技术已经相当成熟。但是在供电系统运行中，供电设备会产生谐波，就是所谓的谐波污染。这些谐波污染会加快设备的使用寿命，并且使供电设备异常运行等。因此，我们很有必要采取一些手段和措施来消除或者抑制谐波。使得供电设备能够安全、稳定的运行，提高了整个系统的稳定性。

1 PWM技术逆变器系统的原理

逆变器是让直流到交流的一种设备，本质上是一种转换器，也是实现电压逆变的变压器。电力电子技术中，通常会把PWM（脉宽调制技术）与逆变器结合起来，因此，出现了一种基于PWM技术的三相逆变器。在电网中，通常利用转换器将交流电压转换为12V的直流电压，逆变器是将这个直流电压再转换成高频的高压交流电压。不管是逆变器还是转换器都要用到一个PWM集成控制器，分别采用不同的控制芯片。

三相桥式逆变器的原理：如下图所示，其中N是负载设备的中心点，假设O是电源端的中心点，A、B、C是三相端点，三相每个相位差是120度。这样，经过每相负载的电流是连续的。六个功率开关管分别是：V1、V2、V3、V4、V5、V6，续流二极管分别是：VD1、VD2、VD3、VD4、VD5、VD6。负载的工作模式有两种：分别是阻性和感性。在感性时，又分别有三种工作模式：模式1：V4处于低电平状态，控制V1的信号处于高电平状态。模式2：控制V2、V4、V6的信号处于高电平状态，A、B相端的电流都为负。模式3：与模式1恰恰相反的是，功率开关管V4是出于高电平状态，而控制功率开关管V1的信号则变成低电平，控制功率开关管V5的信号仍处于高电平[2]。在阻性时，电流是不经过续流二极管的，逆变器将转换过的电流输送给可控设备，A、B、C三相端的设备都处于开启状态。此时，这三相端的电流与电压的相值是一样的。因此，在实际操作中，若我们想消除直流侧的谐波，只需要将直流侧谐波的电容消除即可，与负载的大小无关。三相逆变器的主电路如下图所示：

2 基于PWM逆变器的谐波的抑制方法

根据仿真模型，在运行后输出波形，波形中可能会出现谐波的现象，降低了整个系统的稳定性。而当我们要消除或者抑制供电设备中的谐波时，最关键的要素就是检测出谐波是由哪些因素构成的。我们为了消除或者抑制谐波，第一种方法可以使用PWM（脉宽调制技术）中的特定谐波消除法，最显著的特点就是能消除特定的次数的谐波。第二种方法可以使用重复控制和PID（比例-积分-微分控制器）控制互相并联的控制波形的方法。首先重复控制的方法能有效抑制波形重复出现，在控制波形周期方面起到关键作用，提高了基于PWM逆变器的整个波形的品质。其次使用PID控制的方法能有效控制瞬时波形，提高了逆变器输出波形的稳定性。

以上的两种方法存在异同点，相同点是：首先利用三相逆变器PWM的非线性模型，计算出在PWM技术控制下的三相逆变器的开关角，开关角的数值是不唯一的。其次我们根据供电设备输出谐波的信号模型，在MATLAB中的simulink中对信号模型进行仿真，检测出来的波形是不完整的，存在诸多缺点，这就是受到谐波信号的影响。不同点是：特定谐波消除法要用较小的波形做仿真实验，能大大提高输出波形的稳定性。这种消除的方法相对简单，谐波的波形比较唯一，容易实现。而通过PID控制的方法，不仅能提高系统的稳定性，还能提高整个系统的开环增益[3]。这都得益于PID控制器的超前校正和滞后的作用。超前校正能使波形瞬态响应加快，滞后能提高整个系统的开环增益。总而言之，PID控制器提高了系统的稳定性，同时也提高了整个系统的动态性能，在系统的控制领域应用广泛[4]。

3 结论

本文从基于PWM的逆变器的原理出发，通过对三相逆变器的模型进行仿真，波形中进而出现谐波的现象，然后阐释了两种抑制和消除谐波的方法，并从两种方法的异同点进行对比，得到：在系统比较复杂时用PID控制的方法，在系统比较简单时用特定谐波消除法可以有效地消除或者抑制波形中的谐波，从而提高整个系统的稳定性。

【参考文献】

[1]杨赛，张莹，时瑞浩.汽车电气系统中电子功率开关的应用[J].科技资讯，2011，24（59）.

[2]闫肃.开关类AC/DC电压变换PWM芯片的设计[D].北京：北方工业大学，2008.

[3]高惠娟.高性能LDO线性电压变换器的误差放大器的分析与设计[J].科技广场，2007，11（221）.

[4]王雪菲.制动单元控制算法的研究[D].四川：西南交通大学，2014.

[责任编辑：田吉捷]