麥道90機載變速恒頻發電系統的工作原理簡介及諧波分析

由圖1可知，MD90飛機機載VSCF交流發電系統的三相輸出電壓是一個400Hz24梯級等階寬階梯波，此階梯波是由兩個輸出接成“Y”形的三相半橋式400Hz逆變器1、2和兩個輸出接成“△”形的三相半橋式400Hz逆變器3、4，依次錯開π/12相位角，用它們輸出的四個400Hz方波電壓，通過多重疊加輸出變壓器在初級進行磁疊加合成，變壓器的次級接成“Y”形，從而在變壓器的次級就得到了三相400Hz24梯級等階寬階梯波電壓uA、uB、uC。其中每一相階梯波頂部的兩個梯級和底部的一個梯級，是由兩個輸出接成“Y”形的逆變器1和2輸出的兩個方波電壓疊加而成的;中間的兩個梯級是由兩個輸出接成“△”形的逆變器3和4輸出的兩個方波電壓疊加而成的。假定階梯波的階差相對值取a、1、1、a/2和a/2，其中a表示輸出接成“Y”形的兩個逆變器1和2的疊加方波電壓幅值，與輸出接成“△”形的兩個逆變器3和4的疊加方波電壓幅值之間的比例系數如圖1(b)所示。則由P.P.Biringer給出的用階梯波階差來計算基波與各次諧波幅值的公式[2]：

式中：i=1.2.3…m，m為階梯波階梯數

δi為階梯波階差

ti為階梯對應的時間

由此公式即可算出圖1(b)所示的24梯級等階寬階梯波的基波與各次諧波的幅值。

式中：n=1.3.5.7…，代表諧波次數。

既然式中a是兩種疊加方波電壓幅值之間的比例系數，因此通過對此比例系數a的數值選擇，就可以找到使階梯波中諧波含量為最少的最優階差相對值。

2.1a=1時的諧波分析(MD90用方案)

文獻[1]中介紹說，MD90機載VSCF是根據“經過數值擬合的工程近似，使階梯波接近正弦波，并使諧波含量為最小”選擇了比例系數a=1，即相對階差為1、1、1、1/2、1/2，其波形如圖2(a)所示，當a=1時，基波與各次諧波的幅值表達式由方程式(1)可得：

對于基波，n=1

式中：1-e-jπ=1-cosπ+jsinπ=1-cosπ

=1-(-1)=2

∴

當用諧波幅值與基波幅值之比UAm(n)/UAm(1)來表示階梯波中各次諧波的含量時，可以把n=1.3.5.7…代入方程式(2)，即可算出a=1時各次諧波的含量如表1中a=1一欄中的UAm(n)/UAm(1)的數值所示。由這些值可知：a=1時在階梯波中確實消除了所有零序諧波，并使正序與逆序諧波(特別是低次的5，7次諧波)也有顯著地減小，但還不能說是使諧波含量達到了最小值。

2.2a=1.1546936時的諧波分析(建議改進方案)

由圖1(b)可知，24梯級階梯波是由四個方波電壓疊加而成的，其中兩個是輸出接成“Y”形的逆變器輸出的方波電壓;兩個是輸出接成“△”形的逆變器輸出的方波電壓，而后者又是由兩個脈寬為180°的方波電壓疊加而成的如圖3(b)中電壓uAB=uAO-uBO所示，因此，24梯級階梯波實際上是由6個方波電壓疊加而成的，即疊加方波個數N=6。根據多重疊加法的分組特性可知，當N=6時疊加出來的階梯波應包括三組諧波，即2KN±1;2KN±3(零序諧波)和2KN±5，其中2KN±1是包括基波在內的一組諧波，這組諧波是不能消掉的，我們希望能消除2KN±3和2KN±5兩組諧波就可以使階梯波中的諧波含量達到最小，要消除2KN±3和2KN±5兩組諧波，只要消除3次和5次諧波就可以了，所以我們可以用消除3次和5次諧波來確定比例系數a的值[3]：

對于3次諧波，由方程式(1)可得：

要使UAm(3)=0，就必須使

即：

由此式可知，不管a取什么值總能使方程式等于零，說明不管a取什么值，都可以消除零序諧波。

對于5次諧波，由方程式(1)可得：

要使UAm(5)=0，就必須使

(b)波形圖

圖3三相半橋式逆變器的輸出電壓波形