单相逆变电路 - 开关电源的谐波及其抑制

　　单相逆变电路的谐波分析

　　图3为典型的单相逆变电路，假设直流电压为E，开关管在理想的情况下工作，即零电压开通和零电流关断，开和关的时间为零，开关管的占空比为50%

　　

　　其中频率与周期信号一致的分量称为1次谐波，又称基波，频率为周期信号3倍者称为3次谐波，3次及以上的谐波称为高次谐波。

　　方波电压V（t）是高次谐波叠加而成，谐波电压在电感、电阻等负载上形成谐波电流，因此负载电流也是由各次谐波电流叠加而成。

　　从以上单相的整流和单相的逆变电路分析，在电流回路中一定有谐波电流，同理可推出三相的整流和逆变也一定有谐波电流存在，因此只要有开关电源电气设备一定会有谐波的产生。

　　谐波的抑制方法

　　开关电源谐波的抑制可分为预防性和补救性两类。预防性是在设计开关电源时根据设计要求用有效的过程和方法来控制开关管，但是无论用何种先进的控制策略，谐波成分是不可避免的;补救性的解决方法是为了克服系统已经存在谐波成分所采用的技术，目前所用办法是用滤波器（无源滤波器、有源滤波器），有源滤波器在国内外有相当多的文献从理想的角度去研究，但是在实际应用中是非常困难的，比如系统谐波含量的检测、抵消谐波含量的多少、实时性并且有源滤波器又有开关器件其自身又产生谐波等等，因此从制作成本和控制方法看无源滤波器是非常适用，在设计时考虑一定的裕量，可以设计为较通用的滤波装置。

　　由于在开关电源和控制系统中从谐波能量分析来看，3、5、7次谐波含量最大，其它高次谐波能量小远远低于国家制定的标准。无源滤波器的设计方法比较多，作者通过仿真分析设计出一个抑制3、5、7次的无源滤波器，如图4、5所示。从仿真图可以看出该设计方法能抑制3次（L1、R1、C1）、5次（L2、R2、C2）、7次（L3、R3、C3）谐波。

　　试验和数据

　　图4设计了一个无源滤波器，无源滤波器并联在电路中，并且要选好连接的谐振点，否则达不到预期抑制效果，如图6。经过仿真与反复试验选取参数如下：

　　

　　

　　该滤波装置对TZ3X100型三相级整流凸焊机测试，图7为没有安装滤波器时开关电源输入端的电压波形图，其谐波含量达到17%;图8为安装滤波器装置后在开关电源输入端测试的电压波形图，其谐波含量仅为2%，显然滤波器达到了非常好的效果。

　　

　　通过以上对单相开关电源整流和逆变的理论分析可知，大功率高频开关电源一定存在谐波含量，通过测试可看出谐波含量较大，因此抑制谐波已是当务之急。作者设计了一套三相无源滤波器装置，通过对焊机的测试可看出接入滤波器装置后三相电源电压的谐波成分减少，低于国家标准，达到了满意的效果;同时接入该滤波器后能提高功率因素，该滤波器对光伏发电系统、伺服控制系统等也同样适用。