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EXCHANGE OF EXPERIENCE 经验交流
摘要：PWM逆变器输出电压波形为等效正弦波形，谐波含量较高，往往达不到直接使用的标准。为了减少逆变交流电中谐波的含量，通常需要在输出电路中进行滤波设计。论文研究一种基于LC滤波电路的PWM 逆变器设计方法，利用本方法开展simulink仿真实验，结果数据验证了LC滤波电路可以减少逆变电路输出谐波，对实践工作的具有指导作用。 关键词：逆变器；PWM；谐波；LC滤波器
一、前言
随着科技的进步，逆变电路广泛应用到各种需要将直流电转化为交流电的系统中。因SPWM 逆变电路转化后的电压为正弦波等效波形，含有谐波较多，会对电网造成冲击甚至危害用电设备[1]。同时随着载波角频率的升高，低次谐波含量会明显减少，因此在逆变电路的设计中，应该考虑加入LC 滤波电路以减少逆变交流电的谐波含量[2-3]。
本文通过分析逆变器输出电压波形谐波产生的原因，利用LC 滤波器的电感电容谐振滤波原理，然后设计电容电感参数，最后利用matlab/simulink 平台搭建模型进行仿真实验，验证了LC 滤波器可以明显减少
逆变器输出电压波形中的谐波。
二、单相PWM 逆变电路系统的输出电压谐波特性
单相PWM 逆变电路的结构主要由直流电压源、电力电子开关、PWM 发生器、电阻及电感组成。其中PWM 发生器是以角频率c ω等腰三角波作为载波，角频率1ω正弦波作为调制信号波，采用双极性调制的调制电路组成。
由于PMW 逆变电路输出电压是通过PWM 调制电路通过改变电力电子开关开断时间而产生的等幅而不等宽的矩形脉冲，这些矩形脉冲与设计要求的正弦波等效。但是由于使用的是以等腰三角形为载波，正弦波作为调制信号的调制波，必然会使得输出波形带有和载波相关的谐波分量[1]
。使用贝塞尔函数作为数学工具，以等腰三角形载波的周期作为基础可以推算出输出电压PWM 波形中傅里叶级数的表达式：
1ωωk n c ± （1）
式中n 和k 为谐波系数，n 为自然数，k=n-1。各谐波对应的幅值为：
（2）
式中，k J 为k 次的贝塞尔函数。
同时随着载波角频率c ω的升高，低次谐波的含量会明显减少[2]。所以为了减少输出电压PWM 波形中谐波的
含量，只需要提高载波角频率c ω，同时过滤掉高次谐波。对此，只需要在电路中加装L 形LC 低通滤波器即可达到要求。
三、 LC 滤波器的设计
（一）设计流程（如图1所示）
1.根据载波频率计算得出LC 滤波器截止频率的取值范围。
2.优先确定滤波电感的取值。
3.根据取值范围和电感的取值确定滤波电容的取值。
4.利用matlab/simulink 进行仿真验证。
图1 设计流程图
（二）设计原理
LC 滤波器是利用电容电感随电路激励源频率响应相反又互补的关系，在使输出端口需要的频率分量可以顺利通过的同时使不需要频率分量有效减少。L 形LC 低通滤波器单元为并联一个电感，串联一个电容的方式，利用电感通低频，阻高频和电容稳压的特性，来实现低通滤波的要求。其电路模型如2所示所示。
图2单相PWM 逆变器
一种基于LC 滤波器的PWM 逆变器设计
李正午 王 鹏 丁黎明
◆
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令o U 和i U 分别为低通滤波器的输出电压和输入电压，可得滤波器的传递函数为：
1211)(L
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++=s s s U s U L
i o ωξω）（ （3） （4）
（5）
在此公式中，L ω为低通滤波器的谐振角频率。ξ为阻尼系数。
相同电感条件下的传递函数为：
11
)()(+=
s R
L s U s U i o （6）
要使LC 滤波器能够达到滤波的作用，需要滤波器的截止频率远大于正弦波的频率，同时远小于载波的频率，即滤波器的截止频率需要满足以下要求[4]：
（7）
式中L f 为LC 滤波器的截止频率，c f 为逆变器的载
波频率。
四、仿真实验
基于matlab/simulink 进行仿真，在此实验中选取载波的频率为1200HZ，信号波的频率为50HZ，直流电压源电压为220V，电阻R 取220欧姆，稳流电感取0.25H，开关管选用IGBT。
由公式7可知LC 滤波器的截止频率的取值范围为：
240120<<L f （8）
故滤波器截止角频率的取值范围为：
1507.96753.98<<L ω （9）
根据计算得出LC 截止频率范围，取滤波电感为0.25H，滤波电容为4F µ，即，符合取值
范围要求。
仿真结果如下所示。
图3 输出电压波形图
图4 不含LC 滤波器输出谐波分布图
正弦波滤波器图5 含LC 滤波器输出谐波分布图
通过图3不含LC 滤波器和含LC 滤波器的输出电压波形图对比得知，不含LC 滤波器的逆变器输出电压波形虽然接近正弦波，但是含有谐波次数较多，不能直接并入电网或者供用电设备使用。而含LC 滤波器的逆变器的输出波形十分接近正弦波。验证了LC 滤波器可以使输出波形更加接近标准的正弦波形，即减少逆变器输出电压波形中的谐波含量。
通过图4的不含LC 滤波器输出谐波分布图和图5的含LC 滤波器谐波分布图进行对比得知，在不含LC 滤波器的逆变器中输出谐波含量高达14.82%，且主要集中在24次谐波附近。在含LC 滤
波器的逆变器中，输出谐波含量降到了1.92%，进一步验证了LC 滤波器可以减少逆变器输出电压波形中的谐波含量。
五、结语
本文就滤波器为分析对象，并以matlab/simulink 为基础工具，搭建了单相逆变电路仿真模型，并在此基础上设计了LC 低通滤波器，对实验结果进行了对比处理，验证了LC 滤波器可以明显减少输出电压波中的谐波含量，
对改善逆变器输出电压波的质量有明显的促进作用。
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（下转第96页）
96（上接第94页）
参考文献
[1]胡赛纯.SPWM 单相逆变电路的谐波分析[J].通信电源技术,2011,28(3):45-47.
[2]高萤，谢吉华，陈浩.SVPWM 的调制及谐波分析[J]. 微特电机,2006,33(7):10-12,25.
成加压装置、智能投球设备全部相关的正套设备等等。将获取到的每种生产信息利用智能管控运行系统在第一时间完成信息的获取、完善、解析和处理，最后实现远程控制单井的开关、智能调节加水的多少、锅炉的智能控制等等。
（六）场站配套系统。此体系主要是为单井、井组和站库配备各种相关的全套设备，包括光能发电装置、风力发电装置、其它配套装置等等。其中，油、水井一般都是用国家电网的工业用电；而气井则主要是利用耗能比较低的光能发电，还配有蓄电池，这样不管白天还是晚上都可以一直供电，保证各个装置都可以连续不间断的进行工作。
（一）建立数字化管理企业。作为油田企业，要让员工多多学习怎样进行管理数字化油田，一定要让他们意识到构建数字化油田是多么重要的一件事，引领着他们去拓展思想，让他们知道建设数字化油田的各种好处。要让全体工作人员真真正正的感受到数字化油田所存在的价值，特别是它在降低成本增加成效、节约资源减少消耗和确保生产等方面的好处，这样才可以有效地推进数字化油田的构建工作。除了这些，油田企业还需要制定合理、严格、完整的通讯网络安全制度，保证构建数字化油田的各个步骤都可以不出差错。
（二）完善基础设施建设。企业应该依据自己内部的通讯网络设备，设立科学有效的网络带宽，对于经济条件比较好的地区要加大光纤网络的普及力度，确保每个生产数据和监控影像的作用。为了确保每个数据的获取率和使用率，企业还需要建立规格相同的数据模型，及时优化生产设备，确保构建的数字化油田具有高效性。
（三）加强技术人员的管理。建立数字化油田一定要加强技术人员的培训，不但要熟练掌握基础的计算机操作，还要非常熟悉每个软件的使用说明。油田企业最好是时刻鼓励全体工作人员都主动参与到数字化油田的建设中去，让数字化油田建设过程中的每个环节都可以顺利完成。
（四）相关配套装置。加强数字化油田建设的相关配套设备，完成功能的统一。充分使用国内外新型技术，
将操作方法简单化，降低工作人员的工作强度，提高工作效率。
（五）加强行政管理。企业内部各部门的领导人员都应该做出榜样，将构建数字化油田的工作落到实处，每个部门之间要及时的沟通，让现有的资源都可以得到合理分配，并将责任落实到个人。
四、数字化油田建设中存在的不足之处
按照实际的状况来看，建设数字化油田期间还存在诸多的不足之处，特别是在自动化的管理上，数字化油田的构建在深度的开发上还有很多的缺点。这个系统是一个十分繁琐并且很庞大的网络体系，不但包括了每种数据信息的采集和传输，还涉及到了信息的分析等用途。就目前的状况来看，传输信息这项技术比较完善，在信息的采集和处理方面还比较弱。就目前我们国家油田行业的发展趋势来看，大多数的油田企业都将工作的重点放在了可视化信息采集和相关数据库的构建。要是想增加数据的使用率和自动管理能力，各个油田企业还需要通过一定的实践和运用，持续的提高油田的自动化程度。
五、结语
综上所述，以物联网为基础建设数字化油田，在数据的自动采集、远程控制、生产设备的远程监控上有着很也和前途。应用物联网技术，将监控影像系统、无线传感技术和自动处理技术相结合，构建物联网数字化油田。参考文献
[1]赵强, 刘刚, 行花妮. 物联网技术在油气田生产中的应用研究[J]. 石油化工应用,2016,35(1):84-85.
[2]李琬莹.浅谈物联网技术在油田中的应用[J].中国管理信息化,2016,19(1):66-67.
[3]檀朝东.油井在线监控计量分析系统技术研究及应用[J].工业计量,2008,18(5):1-4.
（作者单位：大庆油田信息技术公司喇区分公司）
[3]郭石磊，秦会斌. 一种新型单相全桥SPWM 逆变器设计方法[J]. 电气器件,2016,39(5):1261-1264.
[4]俞杨威，金天均，谢文涛，等. 基于PWM 逆变器的LC 滤波器[J]. 机电工程,2007,24(5):50-52.
（作者单位：怀化学院电气与信息工程学院）
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