CN111865113A - 使用直流侧混合谐波抑制方法的串联型48脉波整流器 - Google Patents

使用直流侧混合谐波抑制方法的串联型48脉波整流器 Download PDF

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Abstract

本发明实施例公开了一种使用直流侧混合谐波抑制方法的串联型48脉波整流器，包括输入电感、隔离变压器、第一三相全桥整流电路、第二三相全桥整流电路、控制电路、第一直流侧电容、第二直流侧电容、负载、谐波注入电路、钳位二极管，其中，第一和第二三相全桥整流电路串联连接且与负载并联；谐波注入电路由注入变压器、单相全波整流电路和开关管组成，控制电路的采样端与注入变压器的同名端相连，输出端与开关管的栅极相连。本发明将直流侧无源谐波抑制方法和有源谐波抑制方法结合起来，与不使用谐波注入电路的整流器相比，输入电压THD值由12%降低到2%以下，极大改善了整流器的电能质量。

Description

使用直流侧混合谐波抑制方法的串联型48脉波整流器
技术领域
本发明涉及电子电力领域，尤其涉及一种使用直流侧混合谐波抑制方法的串联型48脉波整流器。
背景技术
多脉波整流器是一种大功率电能变换装置，其结构简单，鲁棒性强，但整流器采用二极管整流，由于二极管的强非线性产生大量的谐波污染，降低了整流器的输入、输出电能质量。因此，寻找一种行之有效的方法来抑制多脉波整流器的输入电流、电压谐波，成为当下多脉波整流技术研究的关键。
提高多脉波整流器输入、输出电能质量的方法有三种，第一种方法是通过增加移相变压器的输出相数来增加整流桥个数，从而增加整流器的输入电压或电流阶梯数以及负载电压、电流脉波数，提高整流器的输入、输出电能质量，但是，当移相变压器的输出相数超过3时，变压器的结构复杂，设计困难且不对称问题严重；第二种方法是使用交流测滤波器，通过在整流器交流测注入与谐波有效值相等，相位相反的谐波信号来抵消整流器所产生的谐波，但这种方法难以兼顾直流侧电能质量；第三种是使用直流侧谐波抑制方法，包括直流侧无源谐波抑制方法、有源谐波抑制方法以及混合谐波抑制方法，通过向整流器直流侧注入电压或电流谐波来抵消整流器所产生的特定次数谐波，其中，直流侧无源谐波抑制方法不需要开关管和控制电路，电路可靠性高，但谐波抑制能力有限，直流侧有源谐波抑制方法谐波抑制效果显著，但其可靠性低，谐波注入电路损耗大，直流侧混合谐波抑制方法将上述两种方法结合起来，兼顾以上两种方法的优点，可靠性高且损耗较低，是目前多脉波整流技术中最常用的一种方法。
申请号为2018104096783，发明名称为“使用直流侧混合电压谐波注入法的串联型36脉波整流器”的发明专利中，虽然使用直流侧混合电压谐波注入法，但是其谐波抑制效果差，不能满足要求。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种使用直流侧混合谐波抑制方法的串联型48脉波整流器，以提升谐波抑制效果，改善整流器的电能质量。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提出了一种使用直流侧混合谐波抑制方法的串联型48脉波整流器，包括输入电感、隔离变压器、第一三相全桥整流电路、第二三相全桥整流电路、控制电路、第一直流侧电容、第二直流侧电容、负载，输入电感由三个相同大小的电感组成，三个电感的一端分别与三相电压源相连，另一端与隔离变压器的隔离变压器原边绕组相连；隔离变压器的原边绕组采用三角形连接，副边绕组组成星角连接；副边绕组产生两组大小相等，相位相差30°的三相电压；两组副边绕组分别与第一三相全桥整流电路、第二三相全桥整流电路相连；所述串联型48脉波整流器还包括谐波注入电路、钳位二极管，其中，第一三相全桥整流电路和第二三相全桥整流电路串联连接且串联后与负载并联；第一直流侧电容和第二直流侧电容串联连接且串联后与负载并联；谐波注入电路由注入变压器、单相全波整流电路和开关管组成，其中，注入变压器的原边绕组两端分别与两组三相全桥整流电路的中点以及两个直流侧电容的中点连接，副边绕组与单相全波整流电路相连；开关管的集电极与注入变压器的原边绕组连接，发射极与单相全波整流电路的二极管阳极以及钳位二极管的阴极连接；钳位二极管的阳极连接第一三相全桥整流电路与第一直流侧电容之间；控制电路的采样端与注入变压器的同名端相连，输出端与开关管的栅极相连。
进一步地，隔离变压器为移相变压器，隔离变压器的原边和副边电气隔离；隔离变压器由三个芯柱组成，每个芯柱上有3个绕组，包括1个原边绕组和2个副边绕组，各绕组相互独立，原边绕组组成三角形联结，副边绕组构成星角联结，产生两组大小相等且相位相差30°的三相电压。
进一步地，第一直流侧电容和第二直流侧电容容值相同。
进一步地，第一三相全桥整流电路、第二三相全桥整流电路均采用不控整流器件。
进一步地，注入变压器由一个芯柱组成，每个芯柱上有一个原边绕组和两个副边绕组。
进一步地，注入变压器为单相变压器，其匝比为0.02456。
本发明的有益效果为：本发明采用隔离变压器副边绕组为星角联结，有效地抑制整流器产生的三次谐波；本发明所采用的谐波注入电路由无源谐波注入电路和有源谐波注入电路组成，谐波注入电路有较好的适应性，即使开关管发生故障，无源谐波注入电路仍能工作，对谐波仍有一定的抑制作用；本发明所采用的整流桥为二极管整流桥，不需要复杂的控制，可靠性高，适用于大功率场合。
附图说明
图1是本发明实施例的使用直流侧混合谐波抑制方法的串联型48脉波整流器的电路图。
图2是本发明实施例的隔离变压器的绕组结构图。
图3是本发明实施例的注入变压器的绕组结构图。
图4是本发明实施例的谐波注入电路工作模态I的电路图。
图5是本发明实施例的谐波注入电路工作模态II的电路图。
图6是本发明实施例的谐波注入电路工作模态III的电路图。
图7是本发明实施例的谐波注入电路工作模态IV的电路图。
图8是本发明实施例的使用直流侧混合谐波抑制方法的串联型48脉波整流器的工作波形。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互结合，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明实施例中若有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中若涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
请参照图1，本发明实施例的使用直流侧混合谐波抑制方法的串联型48脉波整流器包括输入电感1、隔离变压器2、第一三相全桥整流电路3、第二三相全桥整流电路4、谐波注入电路5、钳位二极管6、控制电路7、第一直流侧电容8、第二直流侧电容9、负载10。
输入电感1由三个相同大小的电感组成，左端分别与三相电压源相连，右端与隔离变压器原边绕组相连，输入电源等效为三相平衡的电流源。
隔离变压器2作为移相变压器，原边绕组采用三角形连接，副边绕组组成星角连接，副边绕组产生两组大小相等，相位相差30°的三相电压，原边绕组与输入电感相连，两组副边绕组分别与第一三相全桥整流电路3、第二三相全桥整流电路4相连。
第一三相全桥整流电路的3和第二三相全桥整流电路4串联连接，第一直流侧电容8和第二直流侧电容9串联，第一三相全桥整流电路的3和第二三相全桥整流电路4、第一直流侧电容8和第二直流侧电容9以及负载10相并联连接，输出电压变为两倍。第一三相全桥整流电路、第二三相全桥整流电路均采用不控整流器件，可靠性高。
第一直流侧电容8和第二直流侧电容9大小相等，整流器输出电压经电容滤波后为直流。第一直流侧电容8上端与第一三相全桥整流电路3的输出端正极和负载10的正极相连，下端与第二直流侧电容9的上端连接。第二直流侧电容9的下端与第二三相全桥整流电路4的输出端负极和负载10的负极相连。
谐波注入电路5由一个注入变压器、一个单相全波整流电路和一个开关管组成，其中，单相变压器的原边绕组分别与单相全桥整流电路的中点以及两个直流侧电容的中点连接，副边绕组与单相全波整流电路相连，开关管的集电极与注入变压器的原边绕组连接，发射极与单相全波整流电路的二极管阳极连接。本发明的谐波注入电路5由无源谐波抑制电路和有源谐波抑制电路组成，当开关管发生故障时，整流器仍对谐波有较好的抑制作用，可靠性高。单相全波整流电路只由两个二极管组成，损耗小。
钳位二极管6的阳极连接第一三相全桥整流电路3与第一直流侧电容8之间，阴极连接单相全波整流电路的二极管阳极。本发明实施例通过改变开关管的位置来提升谐波抑制效果，开关管导通时，注入变压器原边绕组电压为±N4/(2N5)uo，增加了注入电压uFP的阶梯数，谐波抑制效果更加明显。
控制电路7的采样端与注入变压器的同名端相连，输出端与开关管的栅极相连。
作为一种实施方式，请参照图1、图8，本发明实施例的使用直流侧混合谐波抑制方法的串联型48脉波整流器，其抑制谐波的具体方法是：
控制电路7对电流ix进行采样，采样信号与采样电流同相位，采样信号通过过零比较生成方波信号ut，ut经积分电路生成斜坡信号ui，ui与各参考电压信号进行比较，得到图8所示的控制信号uc，控制信号uc通过控制开关管的导通和关断，生成图8中的注入电压uFP，对整流桥的输出电压进行调制，消除整流桥输入电压的谐波分量，进而抑制整流器输入电压谐波，使整流器输入电压波形趋于正弦。本发明实施例的整流器的谐波注入电路5容量仅为输入功率的2％，本发明实施例用更小的代价实现了更好的谐波抑制效果。
作为一种实施方式，请参照图1和图2，本发明实施例的隔离变压器2由3个相同的芯柱组成，每个芯柱上有3个绕组，包括1个原边绕组和2个副边绕组，3个绕组的匝比为N1:N2:N3＝1.73:1.73:1；绕组a1、a2、a3位于同一芯柱上，绕组b1、b2、b3位于同一芯柱上，绕组c1、c2、c3位于同一芯柱上；原边绕组a1、b1、c1构成三角形连接，其正端分别与A、B、C点相连；副边绕组a2、b2、c2构成三角形连接，并与第一单相全桥整流电路3相连；副边绕组a3、b3、c3构成星形连接，并与第二单相全桥整流电路4相连。
本发明实施例采用隔离式变压器，变压器原、副边存在电气隔离，使得变压器具有较高的安全性。
作为一种实施方式，请参照图1、图3，本发明实施例的注入变压器为单相变压器，变压器由1个芯柱构成，芯柱上有3个绕组，一个原边绕组和两个副边绕组，注入变压器的输入端左侧连接到整流桥的连接点F上，注入变压器的输入端右侧连接到两个直流侧电容的连接点P点，注入变压器的副边绕组带有中心抽头，连接到单相全波整流电路的输入端，注入变压器和单相全波整流电路共同构成谐波注入电路。
本实施方式所采用的注入变压器结构简单，对称性强，容量小，谐波抑制代价低。
作为一种实施方式，请参照图1、图4、图5、图6、图7，本发明实施例的谐波注入电路5的工作模态如下：
谐波注入电路5由注入变压器和单相全波整流电路组成，根据变压器的结构和整流桥的导通模态可知ix为6倍于电源频率的三角波；当ix>0，Q导通时，uFP＝N4/(2N5)uo，谐波注入电路5工作模态I如图4所示；当ix>0，Q关断时，uFP＝N4/N5uo，谐波注入电路5工作模态II如图5所示；当ix<0，Q关断时，uFP＝-N4/N5uo，波注入电路5工作模态III如图6所示；当ix<0，Q导通时，uFP＝-N4/(2N5)uo，谐波注入电路5工作模态IV如图7所示。
作为一种实施方式，请参照图1、图4、图5、图6、图7，本发明实施例的注入变压器为单相变压器，根据基尔霍夫电压定律可得到其输入电压有效值和基波幅值表达式：
Figure BDA0002619643690000061
Figure BDA0002619643690000062
根据上式以及THD值的定义可知，当其匝比(初级线圈匝数和次级匝数之比)为N4/N5＝0.02456时，整流器输入电流的THD值最小。注入变压器匝比为N4/N5＝0.02456时，整流器输入电压THD达到最小值3.83％，本发明实施例显著提高了整流器的谐波抑制效果。
本发明通过改变注入变压器的匝比、开关管的位置和控制方法，注入变压器原边绕组电压波形由6阶梯波改变为8阶梯波，整流器输入电压阶梯值由36增加至48，其THD理论值由5.093％降低至3.83％，谐波抑制效果显著提高；且流经开关管的电流有效值减半，谐波抑制电路损耗降低。
本发明将直流侧无源谐波抑制方法和有源谐波抑制方法结合起来，利用直流侧无源谐波抑制方法来抑制整流器产生的低次谐波，利用有源谐波抑制方法来抑制整流器产生的高次谐波；与不使用谐波注入电路的整流器相比，输入电压THD值由12％降低到2％以下，极大改善了整流器的电能质量。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同范围限定。

Claims (6)

1.一种使用直流侧混合谐波抑制方法的串联型48脉波整流器，包括输入电感、隔离变压器、第一三相全桥整流电路、第二三相全桥整流电路、控制电路、第一直流侧电容、第二直流侧电容、负载，输入电感由三个相同大小的电感组成，三个电感的一端分别与三相电压源相连，另一端与隔离变压器的隔离变压器原边绕组相连；隔离变压器的原边绕组采用三角形连接，副边绕组组成星角连接；副边绕组产生两组大小相等，相位相差30°的三相电压；两组副边绕组分别与第一三相全桥整流电路、第二三相全桥整流电路相连；其特征在于，所述串联型48脉波整流器还包括谐波注入电路、钳位二极管，其中，第一三相全桥整流电路和第二三相全桥整流电路串联连接且串联后与负载并联；第一直流侧电容和第二直流侧电容串联连接且串联后与负载并联；谐波注入电路由注入变压器、单相全波整流电路和开关管组成，其中，注入变压器的原边绕组两端分别与两组三相全桥整流电路的中点以及两个直流侧电容的中点连接，副边绕组与单相全波整流电路相连；开关管的集电极与注入变压器的原边绕组连接，发射极与单相全波整流电路的二极管阳极以及钳位二极管的阴极连接；钳位二极管的阳极连接第一三相全桥整流电路与第一直流侧电容之间；控制电路的采样端与注入变压器的同名端相连，输出端与开关管的栅极相连。
2.如权利要求1所述的使用直流侧混合谐波抑制方法的串联型48脉波整流器，其特征在于，隔离变压器为移相变压器，隔离变压器的原边和副边电气隔离；隔离变压器由三个芯柱组成，每个芯柱上有3个绕组，包括1个原边绕组和2个副边绕组，各绕组相互独立，原边绕组组成三角形联结，副边绕组构成星角联结，产生两组大小相等且相位相差30°的三相电压。
3.如权利要求1所述的使用直流侧混合谐波抑制方法的串联型48脉波整流器，其特征在于，第一直流侧电容和第二直流侧电容容值相同。
4.如权利要求1所述的使用直流侧混合谐波抑制方法的串联型48脉波整流器，其特征在于，第一三相全桥整流电路、第二三相全桥整流电路均采用不控整流器件。
5.如权利要求1所述的使用直流侧混合谐波抑制方法的串联型48脉波整流器，其特征在于，注入变压器由一个芯柱组成，每个芯柱上有一个原边绕组和两个副边绕组。
6.如权利要求1所述的使用直流侧混合谐波抑制方法的串联型48脉波整流器，其特征在于，注入变压器为单相变压器，其匝比为0.02456。
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