三相电抗器对逆变器高频谐波的抑制作用

黄允灿，张 晋，赵红林

应用研究

三相电抗器对逆变器高频谐波的抑制作用

黄允灿1，张 晋2，赵红林2

（1. 华中科技大学电气与电子工程学院强电磁工程与新技术国家重点实验室，武汉 430074；2. 武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

本文介绍了三相H桥逆变器输出谐波特性及三相电抗器的工作原理及作用，建立了三相H桥逆变器仿真模型验证了三相电抗器对高频谐波的抑制作用。

三相H桥逆变器 电抗器 谐波

0 引言

三相H桥逆变器具有更高的控制自由度、更高的等效开关频率、更高的直流电压利用率，在船舶电力推进等领域得到大量应用。三相电抗器在电力电子设备中用作无功补偿、高频谐波抑制等方面得到了大量应用[1～4]。但是三相电抗器各个绕组之间存在耦合，对逆变器不同特性的谐波有不同的抑制作用，在这些方面研究较少。为了进行滤波电抗器的准确设计和谐波预测评估，有必要对H桥逆变器输出谐波特性和三相电抗器对不同特性谐波的作用机理进行综合研究。

1 三相H桥逆变器输出谐波特性

三相H桥逆变器如下图所示，直流电压为v，输出电压分别为v、v、v。相间基波相位差120°，载波同相位。

对于a相，左右桥臂共用一个三角形公共载波。左右桥臂的调制波相差180°，如图2所示。

当调制波大于载波时，相桥臂输出切换连接到正直流母线，当载波波形大于调制值时，相桥臂输出将切换连接到负直流母线。

图1 三相H桥拓扑

图2 左右桥臂调制波波形

三相H桥逆变器在单极性调制下，采用双重傅里叶分解方法可以得到输出谐波电压频域表达式：

当三相负载对称时，输出相电流可以表示为：

三相H桥逆变器输出电流中含有同相位的差模电流，需要对同相位的差模电流进行抑制。

2 三相电抗器的工作原理及作用

电抗器是抑制谐波电流的有效手段。常用的三相电抗器如下图所示，线圈匝数相同，绕向为图中所示。

图3 三相电抗器

假定各相互感系数相同，则磁链可以表示为下列矩阵。

电抗器均连接在逆变器的参考正极。

以a相为例，假设电路各相平衡，则相差120°高频电流电感量为：

以a相为例，假设电路各相平衡，则同相位高频电流电感量为：

此时三相电抗器的互感磁通与自感磁通相互抵消，电感量较小，只呈现出漏电感。

从上述分析可知，三相电抗器对同相位高频电流抑制能力较弱，主要由漏电感实现抑制作用。

3 仿真验证

在Matlab软件中建立三相H桥逆变器仿真模型。仿真模型如下图所示。

图4 仿真模型

仿真参数为：直流母线电压500 V；电感0.5mH，互感0.245mH；开关频率2500 Hz；调制比0.95。

a相H桥逆变器输出电压如下图所示：

图5 H桥逆变器输出谐波电压频谱

图6 电抗器两端电压

电抗器a相绕组上的压降如下图所示：对比图5和图6可知3倍边带谐波在电抗器上几乎无压降，电抗器对3倍边带谐波几乎无作用，对其他谐波有良好的抑制作用。为了增加抑制作用可以增加漏电感。

4 结论

对于三相电抗器对高频谐波的抑制作用，进行理论分析，提出了分析和计算方法。输出三相电抗器对偶数倍载波频率的3 n次边带谐波几乎无作用的结论进行了仿真验证。通过调节载波相位或增加三相电抗器的漏感能够提高抑制作用。

[1] Hirofumi Akagi, Edson Hirokazu Watanabe等著, 徐政译. 瞬时功率理论及其在电力调节中的应用[M]. 北京: 机械工业出版社, 2009.

[2] 刘凤君. 环保节能型H桥及SPWM直流电源式逆变器[M]. 北京: 电子工业出版社, 2010．

[3] 周京华, 吴理心, 章小卫, 等. 多电平逆变器多载波调制策略的谐波分析[J]. 电机与控制学报, 2011, 15(5): 63-70．

[4] 张颖, 李崇坚, 朱春毅, 等. 三电平H桥级联型逆变器[J]. 电工技术学报, 2011, 26(5): 78-82．

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）

TM31

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1003-4862(2022)04-0031-03

黄允灿（19xx-），男，工程师。研究方向：电气工程。E-mail: zhangjin712dt@163.com

2022-01-01