CN102857123A - 基于dcm变换器谐波注入的12脉冲整流器及控制方法 - Google Patents

基于dcm变换器谐波注入的12脉冲整流器及控制方法 Download PDF

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本发明提供一种基于DCM变换器谐波注入的12脉冲整流器及控制方法，它包括12脉冲整流电路和DCM谐波注入变换器。基于传统的12脉冲电路，在两个平衡电抗器上各附加一个绕组，将两个附加绕组的异名端相连，两同名端作为工作于DCM模式的AC-DC变换器的输入。AC-DC变换器的输出与12脉冲整流电路的输出端相连，将能量返回主电路。工作于DCM模式下的AC-DC变换器，其输入电流可自动跟踪输入电压，可自动模拟一个无损电阻进行谐波注入。AC-DC变换器可以是Buck型、Boost型、Buck/Boost型、丘克型、Zeta型、SEPIC型、正激型、反激型等多种类型。本发明提出的谐波注入变换器不需要复杂的电流控制来保证谐波电流波形，只需要检测负载电流来调节占空比、改变模拟电阻的大小从而实现最优化的谐波注入，减小网侧电流的THD。

Description

基于DCM变换器谐波注入的12脉冲整流器及控制方法
技术领域
本发明涉及一种减小网侧电流谐波的基于DCM变换器谐波注入的12脉冲整流器及其控制方法，属于电能变换领域。
背景技术
二极管桥式整流电路可以将交流电变换为直流电，当直流侧采用电容进行滤波时，其输入侧电流的谐波分量很大，对电网造成了严重的污染。传统的12脉冲整流器包含两组6脉冲整流电路，可以消除输入电流中的5次、7次谐波分量，其系统可靠性高，设备成本低，结构简单，效率高，广泛应用于航空、工业等场合。随着国内外新的谐波标准的诞生，如民航适航标准RTCA DO-160E和国军标GJB181A-2003均规定交流用电设备总畸变电流的均方根值不应超过基波电流有效值的10%，即THD应小于10%。，而传统的12脉冲整流器在大感性负载下输入电流THD约为15%，已不能满足要求。上世纪90年代中期，国外学者Sewan Choi, Prasad N. Enjeti, Hong-Hee Lee等人在“A New Active Interphase Reactor for 12-Pulse Rectifiers Provides Clean Power Utility Interface. IEEE Trans.Ind.Appl., 1996, vol. 32(No. 6):1304-1311.”中提出通过直流侧平衡电抗器注入三角谐波减小网侧电流THD的思路，通过平衡电抗器可得到与所需谐波电流同频同相的电压信号，并将这个电压作为半桥逆变器的输入，通过锁相环控制环路保证谐波电流与输入电压波形一致实现谐波注入。Bang Sup Lee, Jaehong Hahn, Prasad N. Enjeti后来在“A Robust Three-Phase Active Power-Factor-Correction and Harmonic Reduction Scheme for High Power.IEEE Trans. Ind. Appl.,1999,vol.46(No.3):483-493.”一文中将谐波电流产生电路改进成BOOST-PFC电路，而且BOOST变换器输出端直接和12脉冲整流器的输出端相连，可以将谐波电路产生的能量损耗回馈到负载；但这种方法同样需要控制环路进行谐波电流的波形控制。南京航空航天大学的张方华、王明后来在“12-Pulse Auto-transformer Rectifier with Current Harmonic Injection for Non-Grid-Connected Wind Power Applications”一文中提出在平衡电抗器附加绕组端口外接电阻和单周期控制的BOOST PFC变换器两种方案进行谐波注入，其中单周期控制的BOOST PFC变换器控制复杂，且对系统带宽要求较高，外接纯电阻进行谐波注入的方法不能适应负载变化，且损耗较大。
发明内容
本发明的目的是为了克服利用变换器进行谐波注入时电路控制复杂以及外接电阻进行谐波注入不能适应负载变化、损耗较大等不足，提出一种基于DCM（包括临界连续模式）变换器谐波注入的12脉冲整流器。
本发明的另一目的是提供一种基于DCM变换器谐波注入控制方法，该控制方法可实现最优化的谐波注入，减小网侧电流的THD。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
基于DCM变换器谐波注入的12脉冲整流器，它包括12脉冲整流器、变换器以及输出电路（10）和控制环路（11）；所述12脉冲整流器由三相交流电源（1）、12脉冲移相变压器（2）、三相整流桥（3）和（4）、平衡电抗器（5）和（6）；其特征在于：所述变换器采用DCM模式的AC-DC变换器，所述12脉冲电路的两个平衡电抗器（5）和（6）上各增加一个副边绕组作为附加绕组，两个附加绕组的异名端相连，两同名端作为作于DCM模式的AC-DC变换器的输入； DCM的AC-DC变换器的输出端与12脉冲整流器的输出端相连。
所述控制环路（11）包括电流采样电路、逻辑电路和驱动器。
所述DCM模式的AC-DC变换器包括LC滤波电路（7）、单相整流桥（8）和功率变换器（9）。
所述的12脉冲整流器中的12脉冲移相变压器（2）采用自耦型的或是隔离型的；绕组结构采用P型（Polygon）结构，D（Delta）型或DT型。
所述的DCM模式的AC-DC变换器中的功率变换器采用Buck、Boost、Buck/Boost、丘克、Zeta、SEPIC、正激或反激变换器。
一种基于DCM变换器谐波注入控制方法，其特征在于：12脉冲整流器的输出电流经电流采样电路采样后送至逻辑电路，得到脉冲序列通过驱动器放大后控制DCM模式的AC-DC变换器中开关管的导通与关断。该方法可实现不同负载情况下的最优谐波注入。
本发明与现有技术相比的主要技术特点：
现有技术采用单周期控制的BOOST PFC等变换器，控制环路复杂，其谐波注入的方法不能适应负载变化，且损耗较大。
本发明采用DCM变换器作为谐波电流注入电路，12脉冲整流器中两平衡电抗器各附加一个绕组，两绕组的异名端相连，两同名端作为DCM变换器的输入端，DCM变换器的输出端与12脉冲整流器的输出端相连。
由于工作在DCM模式下的AC-DC变换器的输入电流能够自动跟踪输入电压，因此所述变换器能够模拟一个有源无损电阻；同时，控制电路只需检测负载电流调节占空比，控制环路简单，能够实现各种负载条件下的最优谐波注入。
本发明基于传统的12脉冲电路，在两个平衡电抗器上各附加一个绕组，将两个附加绕组的异名端相连，两同名端作为工作于DCM模式的AC-DC变换器的输入。AC-DC变换器的输出与12脉冲整流电路的输出端相连，将能量返回主电路。工作于DCM模式下的AC-DC变换器，其输入电流可自动跟踪输入电压，可自动模拟一个无损电阻进行谐波注入。本发明提出的谐波注入变换器不需要复杂的电流控制来保证谐波电流波形，只需要检测负载电流来调节占空比、改变模拟电阻的大小从而实现最优化的谐波注入，减小网侧电流的THD。
附图26中虚线所示为未加入谐波注入电路时12脉冲整流器各点的电流波形，其网侧电流的THD较大。为减小输入电流的THD，两个平衡电抗器上各附加一个绕组，两个附加绕组的异名端相连，同名端接于一个电阻两端。电阻两端的电压近似为6倍频的三角波，当谐波注入电阻阻值合适时，谐波电流注入后12脉冲整流电路各点电流如图26中实线所示，此时输入电流的THD得到了很大的改善。但这种方法由于电阻阻值固定，不能满足不同负载情况下的最优谐波注入，同时电阻的引入将产生损耗，降低系统效率。
本发明通过采用工作于DCM模式的AC-DC变换器，其输入电流能够自动跟踪输入电压的变化，此电流经滤波后作为谐波注入到12脉冲整流器中，对于谐波电流而言，此变换器可等效为一个电阻；变换器的输出和12脉冲整流器的输出端相连，可以将谐波电路产生的能量回馈给负载；通过对变换器开关管占空比的变化可以调节电压电流之间的比例关系。因此DCM模式AC-DC变换器可以等效为一个可变的无损的电阻。
附图说明
附图1是本发明的采用DCM模式功率变换器进行谐波注入的12脉冲整流器及其控制电路结构示意图；
附图2是本发明的采用Buck变换器进行谐波注入的P型12脉冲自耦变压整流器的结构示意图；
附图3是本发明的采用Buck变换器进行谐波注入的P型12脉冲隔离变压整流器的结构示意图；
附图4是本发明的采用Buck变换器进行谐波注入的D型12脉冲自耦变压整流器的结构示意图；
附图5是本发明的采用Buck变换器进行谐波注入的D型12脉冲隔离变压整流器的结构示意图；
附图6是本发明的采用Buck变换器进行谐波注入的DT型12脉冲自耦变压整流器的结构示意图；
附图7是本发明的采用Buck变换器进行谐波注入的DT型12脉冲隔离变压整流器的结构示意图；
附图8是本发明的采用Boost变换器进行谐波注入的P型12脉冲自耦变压整流器的结构示意图；
附图9是本发明的采用Boost变换器进行谐波注入的P型12脉冲隔离变压整流器的结构示意图；
附图10是本发明的采用Boost变换器进行谐波注入的D型12脉冲自耦变压整流器的结构示意图；
附图11是本发明的采用Boost变换器进行谐波注入的D型12脉冲隔离变压整流器的结构示意图；
附图12是本发明的采用Boost变换器进行谐波注入的DT型12脉冲自耦变压整流器的结构示意图；
附图13是本发明的采用Boost变换器进行谐波注入的DT型12脉冲隔离变压整流器的结构示意图；
附图14是本发明的采用正激变换器进行谐波注入的P型12脉冲自耦变压整流器的结构示意图；
附图15是本发明的采用正激变换器进行谐波注入的P型12脉冲隔离变压整流器的结构示意图；
附图16是本发明的采用正激变换器进行谐波注入的D型12脉冲自耦变压整流器的结构示意图；
附图17是本发明的采用正激变换器进行谐波注入的D型12脉冲隔离变压整流器的结构示意图；
附图18是本发明的采用正激变换器进行谐波注入的DT型12脉冲自耦变压整流器的结构示意图；
附图19是本发明的采用正激变换器进行谐波注入的DT型12脉冲隔离变压整流器的结构示意图；
附图20是本发明的采用反激变换器进行谐波注入的P型12脉冲自耦变压整流器的结构示意图；
附图21是本发明的采用反激变换器进行谐波注入的P型12脉冲隔离变压整流器的结构示意图；
附图22是本发明的采用反激变换器进行谐波注入的D型12脉冲自耦变压整流器的结构示意图；
附图23是本发明的采用反激变换器进行谐波注入的D型12脉冲隔离变压整流器的结构示意图；
附图24是本发明的采用反激变换器进行谐波注入的DT型12脉冲自耦变压整流器的结构示意图；
附图25是本发明的采用反激变换器进行谐波注入的DT型12脉冲隔离变压整流器的结构示意图；
附图26是本发明的进行谐波注入后，12脉冲自耦变压整流器各点电流波形；
附图27是采用反激变换器进行谐波注入的P型12脉冲自耦变压整流器中平衡电抗器上电压与反激变换器输入电压波形；
附图28是采用反激变换器进行谐波注入的P型12脉冲自耦变压整流器，最优谐波注入时谐波电流波形与移相变压器一相的电流波形；
附图29是采用反激变换器进行谐波注入的P型12脉冲自耦变压整流器，反激变换器原边电流与注入谐波电流的实验波形；
附图30是采用反激变换器进行谐波注入的P型12脉冲自耦变压整流器，谐波注入后移相变压器输出一相的电流波形；
附图31是采用反激变换器进行谐波注入的P型12脉冲自耦变压整流器，谐波注入后12脉冲整流器三相输入电流的实验波形。
本发明的采用DCM模式反激变换器进行谐波注入后12脉冲自耦变压整流器中的实验波形。
上述附图中的主要符号名称：1—三相电压源；2—移相变压器；3~4—三相整流桥；5~6—谐波注入平衡电抗器；7—LC滤波电路；8—单相整流桥；9—功率变换器；10—输出电路；11—控制环路；L p1 ~L p2 —谐波注入平衡电抗器；N px —谐波注入平衡电抗器的原边绕组；N sx —谐波注入平衡电抗器的副边绕组；L f —LC滤波电路的电感；C f —LC滤波电路的电容； N p1 —变压器的原边绕组；N s1 —变压器的副边绕组；Q 1 —开关管；L 1 、L 2 —功率因数校正变换器中的滤波电感；D 1 、D 2 、D 3 —功率变换器中的二极管；LOAD—负载；V d —输出电压；C o —输出电容；Rs—反激变换器原边吸收电路中的电阻；Cs—反激变换器原边吸收电路中的电容；S i —电流采样电路；i a —a相输入电流；                                                
Figure 75737DEST_PATH_IMAGE001
～
Figure 932835DEST_PATH_IMAGE002
—
Figure 627121DEST_PATH_IMAGE003
、
Figure 717830DEST_PATH_IMAGE004
、
Figure 763147DEST_PATH_IMAGE005
相输入电流；
Figure 158356DEST_PATH_IMAGE006
～
Figure 644832DEST_PATH_IMAGE007
—
Figure 732874DEST_PATH_IMAGE008
相、
Figure 999907DEST_PATH_IMAGE009
相、相输入电流；N p —自耦变压器的长绕组；N s —自耦变压器的短绕组。
具体实施方式
实施例一：
附图1所示为采用DCM模式AC-DC变换器进行谐波注入的12脉冲整流器的结构示意图，包括12脉冲整流电路、DCM模式的AC-DC变换器。其中，12脉冲整流电路包括三相电压源1；移相变压器2；三相整流桥3、4；谐波注入平衡电抗器5、6和输出电路10。DCM模式的AC-DC变换器包括谐波注入电路包括LC滤波电路7、单相整流桥8、一个功率变换器9和控制环路11。谐波注入平衡电抗器5、6各附加一个绕组，将两个附加绕组的异名端相连，两同名端作为工作于DCM模式的AC-DC变换器的输入；DCM模式的AC-DC变换器的输出与12脉冲整流电路的输出滤波电容相连。其中移相变压器可以是自耦型或者隔离型的，绕组结构可以是P型、D型、DT型。功率变换器可以是Buck型、Boost型、Buck/Boost型、丘克型、Zeta型、SEPIC型、正激型、反激型。附图3~26给出了针对自耦以及隔离的P型、D型、DT型12脉冲整流器采用Buck、Boost、正激、反激变换器进行谐波注入的电路结构图。对于其他类型的谐波注入电路，只需将功率变换器9替换为相应的变换器即可。
实施例二：
以图20中基于DCM模式反激变换器进行谐波注入的P型12脉冲自耦变压整流器为例，叙述其工作原理。
Figure 539790DEST_PATH_IMAGE011
和
Figure 798733DEST_PATH_IMAGE012
分别为长绕组和短绕组的匝数。输入电流的波形如图26中虚线所示，由多个方波叠加成阶梯波。(a)-(g)中虚线分别为P型12脉冲自耦变压器输出a’、a”、b’、 c’、c”相的相电流波形，其a相输入电流的表达式为
Figure 490745DEST_PATH_IMAGE013
，(f)中虚线为a相的输入电流，其THD较大。本发明谐波注入的原理就是注入谐波使移相变压器输出侧的电流形成如图26中(a)-(g)实线所示三角形的波形，然后折合到交流侧形成正弦的输入电流如(f)中实线所示。
为注入谐波使移相变压器输出侧形成三角波电流波形，本发明在平衡电抗器上各附加一个绕组，将两附加绕组异名端相连，同名端作为DCM反激变换器的输入。假定图20中平衡电抗器原副边绕组匝比N px :N sx 为1:1，两平衡电抗器上的电压波形如图27中、
Figure 751142DEST_PATH_IMAGE015
所示，则DCM模式反激变换器的输入电压波形
Figure 617205DEST_PATH_IMAGE016
如图27所示，其峰值为，V s为三相输入电压的有效值。
DCM模式反激变换器可等效为一个无损电阻，当谐波电流的峰值与12脉冲自耦变压整流器输出电流的一半相等时如图28中
Figure 133954DEST_PATH_IMAGE018
所示，移相变压器输出侧电流成三角形波形，此时DCM模式反激变换器的等效无损电阻即为最优阻值，其阻值为，Id为12脉冲自耦变压整流器的输出电流。
DCM模式反激变换器等效无损电阻的阻值为，Lp为反激变换器原边电感，Ts为开关周期,，D为开关管占空比。令，则
Figure 858011DEST_PATH_IMAGE022
。因此可根据P型12脉冲自耦变压整流器的输出电流调节占空比如图20中控制环路11所示。通过Si采样电路（如电流互感器、电流霍尔、分流计等）采样P型12脉冲自耦变压整流器的输出电流，经过逻辑电路（逻辑由式
Figure 293671DEST_PATH_IMAGE022
确定）得到反激变换器的占空比，最后经过驱动器电路放大后驱动反激变换器中的开关管Q 1。
经上述的控制方法可使DCM模式反激变换器的无损等效电阻始终为最优电阻，实现不同负载情况下的最优谐波注入。
为验证本发明的可行性，以附图20所示的DCM模式的反激变换器进行谐波注入的P型12脉冲自耦变压整流器为例进行了实验验证，图29-31为实验结果。
实施例三：
附图29中i Lp为反激变换器的原边电流，其波形很好地跟踪了输入电压的变化，经Lf、Cf滤波后i x 为平衡电抗器副边绕组中的电流波形，即需要注入的三角形谐波电流。附图30中
Figure 799739DEST_PATH_IMAGE023
为经过谐波注入后移相变压器输出
Figure 15956DEST_PATH_IMAGE024
相中的电流波形，与附图26中理论分析的波形相近。附图31为此时P型12脉冲自耦变压整流器经DCM模式反激变换器进行谐波注入后的三相输入电流波形，此时输入电流THD约为8.9%，满足相关航空标准的要求。图2-19，图21-25等其他类型谐波注入的12脉冲整流器，其工作原理与图20类似。
由以上描述可知，本发明提出的采用DCM模式功率因数校正变换器进行谐波注入的12脉冲整流器具有以下优点：
①      能够有效的消除12脉冲整流器输入侧电流的谐波分量。
②      适合用于注入谐波功率较小的场合。
③      控制电路简单。

Claims (6)

1.基于DCM变换器谐波注入的12脉冲整流器，它包括12脉冲整流器、变换器以及输出电路（10）和控制环路（11）；所述12脉冲整流器由三相交流电源（1）、12脉冲移相变压器（2）、三相整流桥（3）和（4）、平衡电抗器（5）和（6）；其特征在于：所述变换器采用DCM模式的AC-DC变换器，所述12脉冲电路的两个平衡电抗器（5）和（6）上各增加一个副边绕组作为附加绕组，两个附加绕组的异名端相连，两同名端作为作于DCM模式的AC-DC变换器的输入；DCM的AC-DC变换器的输出端与12脉冲整流器的输出端相连。
2.如权利要求1所述的基于DCM变换器谐波注入的12脉冲整流器，其特征在于：所述控制环路（11）包括电流采样电路、逻辑电路和驱动器。
3.如权利要求1所述的基于DCM变换器谐波注入的12脉冲整流器，其特征在于：所述DCM模式的AC-DC变换器包括LC滤波电路（7）、单相整流桥（8）和功率变换器（9）。
4.如权利要求1所述的基于DCM变换器谐波注入的12脉冲整流器，其特征在于：所述的12脉冲整流器中的12脉冲移相变压器（2）采用自耦型的或是隔离型的；绕组结构采用P型（Polygon）结构，D（Delta）型或DT型。
5.如权利要求1所述的基于DCM变换器谐波注入的12脉冲整流器，其特征在于：所述的DCM模式的AC-DC变换器中的功率变换器采用Buck、Boost、Buck/Boost、丘克、Zeta、SEPIC、正激或反激变换器。
6.一种基于DCM变换器谐波注入控制方法，其特征在于：12脉冲整流器的输出电流经电流采样电路采样后送至逻辑电路，得到脉冲序列通过驱动器放大后控制DCM模式的AC-DC变换器中开关管的导通与关断。
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