CN103595231A - 基于交错并联Boost型APFC电路的12脉波整流系统的直流侧谐波抑制系统及方法 - Google Patents

Abstract

基于交错并联Boost型APFC电路的12脉波整流系统的直流侧谐波抑制系统及方法，属于电力电子技术领域。为了解决现有12脉波整流系统的直流侧谐波抑制系统及方法存在直流侧有源电路结构复杂、同步信号难以获取和抑制谐波效果差的问题。采用交错并联Boost型APFC电路作为系统直流侧有源电路，采样平衡电抗器副边绕组电压信号作为基准三角波信号，且该信号与负载回路电流信号相乘后作为电流参考信号，通过信号处理及控制电路控制平衡电抗器的副边绕组电流跟踪副边绕组电压，使得平衡电抗器副边绕组电流与副边绕组电压同频同相，平衡电抗器副边绕组电流幅值为负载回路电流值的0.5倍。本发明用于对12脉波整流系统谐波抑制领域。

Description

基于交错并联Boost型APFC电路的12脉波整流系统的直流侧谐波抑制系统及方法

技术领域

本发明属于电力电子技术领域。

背景技术

12脉波整流电路在电机调速、电化学加工和可再生能源变换等工业系统中得到了广泛应用，但其非线性和时变性特性给电网带来了大量的谐波，目前已经成为电网主要谐波污染源之一，给电网带来了严重的危害。

12脉波整流电路直流侧谐波抑制技术在直流侧进行电流调制，抑制输入电流谐波，目前可以分为直流侧无源谐波抑制技术和直流侧有源谐波抑制技术两类。其中直流侧有源谐波抑制方法基于开关变换技术，在整流桥输出侧进行DC/DC变换，或者采用有源平衡电抗器在直流侧进行补偿。直流侧有源谐波抑制技术能够同时抑制输入电流中的低次和高次谐波，谐波抑制效果好，且所需的有源电路容量小、体积小，同时能够做到谐波能量的吸收回馈。然而现有的直流侧谐波抑制技术同步信号取自输入电压，经多次变换处理后产生三角波同步信号，电路复杂，控制相对困难，降低了直流侧谐波抑制的灵活性。因此研究结构简单、容量小、负载适应性强的直流侧有源谐波抑制方法，有助于改善12脉波整流系统的谐波抑制性能，解决大功率整流电路的谐波污染问题。

发明内容

本发明是为了解决现有12脉波整流系统的直流侧谐波抑制系统及方法存在直流侧有源电路结构复杂、同步信号难以获取和抑制谐波效果差的问题，本发明提供了一种基于交错并联Boost型APFC电路的12脉波整流系统的直流侧谐波抑制系统及方法。

基于交错并联Boost型APFC电路的12脉波整流系统的直流侧谐波抑制系统，它包括第一三相整流桥、第二三相整流桥和移相变压器，它还包括平衡电抗器、交错并联Boost型APFC电路、信号处理及控制电路、驱动电路、1号电流传感器、2号电流传感器和电压传感器；

所述的移相变压器的三相输入端与电网连接，所述的移相变压器的第一三相输出端与第一三相整流桥的三相输入端连接，所述的移相变压器的第二三相输出端与第二三相整流桥的三相输入端连接，

所述的第一三相整流桥直流侧的负极输出端、第二三相整流桥的负极输出端和交错并联Boost型APFC电路的负极输出端同时连接后作为负载电源的负极输出端，所述的第一三相整流桥直流侧的正极输出端与平衡电抗器原边绕组的一端连接，所述的第二三相整流桥直流侧的正极输出端与平衡电抗器原边绕组的另一端连接，所述的平衡电抗器原边绕组的中间抽头和交错并联Boost型APFC电路的正极输出端连接后作为负载电源的正极输出端，

平衡电抗器副边绕组的一端与交错并联Boost型APFC电路的第一电流输入端连接，平衡电抗器副边绕组的另一端与交错并联Boost型APFC电路的第二电流输入端连接，

2号电流传感器用于检测负载供电回路电流；所述的2号电流传感器的电流输出端与信号处理及控制电路的负载回路电流输入端连接，

1号电流传感器用于检测平衡电抗器副边绕组所在回路的电流，所述的1号电流传感器的电流输出端与信号处理及控制电路的第一电流输入端连接，

电压传感器用于检测交错并联Boost型APFC电路的正极输出端的输出电压，电压传感器的电压输出端与信号处理及控制电路的电压输入端连接，

所述的信号处理及控制电路的控制信号输出端与驱动电路的控制信号输入端连接，所述的驱动电路的第一驱动信号输出端与交错并联Boost型APFC电路的第一驱动信号输入端连接，驱动电路的第二驱动信号输出端与交错并联Boost型APFC电路的第二驱动信号输入端连接。

采用基于交错并联Boost型APFC电路的12脉波整流系统的直流侧谐波抑制系统实现的基于交错并联Boost型APFC电路的12脉波整流系统的直流侧谐波抑制方法，它的具体过程为，

电压传感器将检测到的电压信号作为基准三角波信号发送至信号处理及控制电路，

2号电流传感器将检测到的负载回路电流信号发送至信号处理及控制电路，

1号电流传感器将检测到的副边绕组的电流信号发送至信号处理及控制电路，

信号处理及控制电路将接收到的基准三角波信号和负载回路电流信号相乘后，生成电流参考信号，该电流参考信号与信号处理及控制电路接收到的副边绕组的电流信号比较后，生成两路驱动信号，并将两路驱动信号发送给驱动电路，驱动电路将接收到的两路驱动信号进行功率放大，并将该功率放大后的信号发送给交错并联Boost型APFC电路，调节平衡电抗器副边绕组电流值，通过电流闭环控制使平衡电抗器的副边绕组电流峰值为负载回路电流值的0.5倍，并且使平衡电抗器的副边绕组电流相位与平衡电抗器副边绕组电压信号相位一致，完成对12脉波整流系统的交流侧输入电流谐波的抑制。

本发明简化了12脉波整流系统直流侧有源电路的结构，采用交错并联Boost型APFC电路作为系统直流侧有源电路，直接采样平衡电抗器副边绕组电压信号作为基准三角波信号，且该信号与负载回路电流信号相乘后作为电流参考信号，通过信号处理及控制电路控制平衡电抗器的副边绕组电流跟踪副边绕组电压，使得平衡电抗器副边绕组电流与副边绕组电压同频同相，且平衡电抗器副边绕组电流幅值为整流系统负载回路电流值的0.5倍；同时并联Boost APFC电路分时交错运行，进一步减小平衡电抗器的副边绕组电流纹波，改善电流跟踪效果。另外整个交错并联Boost型APFC电路的容量仅仅为整流系统总容量的2%，相对于现有12脉波整流系统，谐波抑制效果却得到明显改善，现有的12脉波整流系统输入电流的总谐波失真THD大于10%，本发明加入交错并联Boost型APFC电路后，系统交流侧输入电流的总谐波失真THD小于3%，输入电流谐波含量显著降低。以往的同步信号是通过采样电网电压信号，通过锁相倍频等处理之后变成三角波的信号的，本发明的同步信号是平衡电抗器副边绕组电压，所以同步信号容易获取。

附图说明

图1为具体实施方式一所述的基于交错并联Boost型APFC电路的12脉波整流系统的直流侧谐波抑制系统的原理示意图；

图2为具体实施方式二所述的交错并联Boost型APFC电路的电路连接示意图；

图3为实施方式四中平衡电抗器的副边绕组电流iX波形图；

图4为具体实施方式二所述的当第一开关管开通，第二开关管关断时，交错并联Boost型APFC电路的工作状态示意图；

图5为具体实施方式二所述的当第一开关管与第二开关管均关断时，交错并联Boost型APFC电路的工作状态示意图；

图6为具体实施方式二所述的当第一开关管关断，第二开关管开通时，交错并联Boost型APFC电路的工作状态示意图；

图7为具体实施方式二所述的当第一开关管与第二开关管均开通时，交错并联Boost型APFC电路的工作状态示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：参见图1说明本实施方式，本实施方式所述的基于交错并联Boost型APFC电路的12脉波整流系统的直流侧谐波抑制系统，它包括第一三相整流桥8-1、第二三相整流桥8-2和移相变压器9，它还包括平衡电抗器1、交错并联Boost型APFC电路2、信号处理及控制电路3、驱动电路4、1号电流传感器5、2号电流传感器6和电压传感器7；

所述的移相变压器9的三相输入端与电网连接，所述的移相变压器9的第一三相输出端与第一三相整流桥8-1的三相输入端连接，所述的移相变压器9的第二三相输出端与第二三相整流桥8-2的三相输入端连接，

所述的第一三相整流桥8-1直流侧的负极输出端、第二三相整流桥8-2直流侧的负极输出端和交错并联Boost型APFC电路2的负极输出端同时连接后作为负载电源的负极输出端P，

所述的第一三相整流桥8-1直流侧的正极输出端与平衡电抗器1原边绕组的一端连接，所述的第二三相整流桥8-2直流侧的正极输出端与平衡电抗器1原边绕组的另一端连接，所述的平衡电抗器1原边绕组的中间抽头和交错并联Boost型APFC电路2的正极输出端连接后作为负载电源的正极输出端Q，

平衡电抗器1副边绕组的一端与交错并联Boost型APFC电路2的第一电流输入端连接，平衡电抗器1副边绕组的另一端与交错并联Boost型APFC电路2的第二电流输入端连接，

2号电流传感器6用于检测负载供电回路的电流；所述的2号电流传感器6的电流输出端与信号处理及控制电路3的负载回路电流输入端连接，

1号电流传感器5用于检测平衡电抗器1副边绕组所在回路的电流，所述的1号电流传感器5的电流输出端与信号处理及控制电路3的第一电流输入端连接，

电压传感器7用于检测交错并联Boost型APFC电路2的正极输出端的输出电压，电压传感器7的电压输出端与信号处理及控制电路3的电压输入端连接，

所述的信号处理及控制电路3的控制信号输出端与驱动电路4的控制信号输入端连接，所述的驱动电路4的第一驱动信号输出端与交错并联Boost型APFC电路2的第一驱动信号输入端连接，驱动电路4的第二驱动信号输出端与交错并联Boost型APFC电路2的第二驱动信号输入端连接。

本实施方式中，在具体工作过程中，负载连接在负载电源的负极输出端P与负载电源的正极输出端Q之间，信号处理及控制电路3通过采集负载回路的电流、平衡电抗器1副边绕组电流和平衡电抗器的副边绕组电压来控制交错并联Boost型APFC电路2，平衡电抗器的副边绕组电压与交错并联Boost型APFC电路2的正极输出端的输出电压相同，平衡电抗器1吸收两个并联的三相整流桥的输出电压差，保证两个三相整流桥的正常工作。

具体实施方式二：参见图1和2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的基于交错并联Boost型APFC电路的12脉波整流系统的直流侧谐波抑制系统的区别在于，所述的交错并联Boost型APFC电路2包括单相整流桥2-1、第一电感L₁、第二电感L₂、第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₂₁、第四二极管D₂₂、第一电容C₂₁、第二电容C₂₂、第三电容C₂₃、第一电阻R₂₁、第二电阻R₂₂、第一开关管S₂₁和第二开关管S₂₂，

单相整流桥2-1的交流信号输入端与平衡电抗器1副边绕组并联连接，所述单相整流桥2-1的直流侧正极输出端同时与第一电感L₁的一端和第二电感L₂的一端连接，

第一电感L₁的另一端同时与第一二极管D₁的阳极、第三二极管D₂₁的阴极、第一开关管S₂₁输入端和第一电容C₂₁的一端连接，第一电容C₂₁的另一端与第一电阻R₂₁的一端连接，

所述的第一二极管D₁的阴极、第二二极管D₂的阴极和第三电容C₂₃的一端连接后作为交错并联Boost型APFC电路2的正极输出端，

第二电感L₂的另一端同时与第二二极管D₂的阳极、第四二极管D₂₂的阴极、第二开关管S₂₂输入端和第二电容C₂₂的一端连接，第二电容C₂₂的另一端与第二电阻R₂₂的一端连接，

所述的单相整流桥2-1的直流侧负极输出端同时与第一开关管S₂₁的输出端、第三二极管D₂₁的阳极、第一电阻R₂₁的另一端、第二开关管S₂₂输出端、第四二极管D₂₂的阳极、第二电阻R₂₂的另一端和第三电容C₂₃的另一端连接后作为交错并联Boost型APFC电路2的负极输出端，

所述的驱动电路4的第一驱动信号输出端与第一开关管S₂₁的控制端连接，驱动电路4的第二驱动信号输出端与第二开关管S₂₂的控制端连接。

本实施方式中，交错并联Boost型APFC电路2中的第一开关管S₂₁和第二开关管S₂₂分时交错开关，在占空比小于0.5和占空比大于0.5时有以下四种工作模式：

工作模式一：第一开关管S₂₁开通，第二开关管S₂₂关断时，交错并联Boost型APFC电路2的工作状态示意图参见图4，其中i_X表示平衡电抗器1副绕组的输出电流，平衡电抗器1副边绕组输出的电压u_X加在第一电感L₁的两端，电流由第一电感L₁的一端流向另一端，第一电感L₁内部的电流增加，第一电感L₁储存能量，平衡电抗器1的副边绕组的电压u_X与负载输出电压之差加在第二电感L₂的两端，第二电感L₂内部的电流由其一端流向另一端，第二电感L₂内部电流减小，第二电感L₂释放能量；

工作模式二：第一开关管S₂₁与第二开关管S₂₂均关断时，交错并联Boost型APFC电路2的工作状态示意图参见图5，平衡电抗器1的副边绕组电压u_X与负载输出电压之差加在第一电感L₁的两端和第二电感L₂的两端，第一电感L₁内部的电流和第二电感L₂内部的电流均减小，第一电感L₁、第二电感L₂释放能量，

工作模式三：第一开关管S₂₁关断，第二开关管S₂₂开通时，交错并联Boost型APFC电路2的工作状态示意图参见图6，平衡电抗器1的副边绕组电压u_X与负载输出电压之差加在第一电感L₁的两端，第一电感L₁内部的电流减小，第一电感L₁释放能量，平衡电抗器1的副边绕组电压u_X加在第二电感L₂的两端，第二电感L₂内部的电流增加，第二电感L₂储存能量，

工作模式四：第一开关管S₂₁与第二开关管S₂₂均开通时，交错并联Boost型APFC电路2的工作状态示意图参见图7，平衡电抗器1的副边绕组电压u_X加在第一电感L1的两端和第二电感L₂的两端，第一电感L₁内部的电流和感L₂内部的电流增加，第一电感L₁、第二电感L₂储存能量。

具体实施方式三：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的基于交错并联Boost型APFC电路的12脉波整流系统的直流侧谐波抑制系统的区别在于，所述的第一开关管S₂₁为MOSFET或IGBT，第二开关管S₂₂为MOSFET或IGBT。

具体实施方式四：参见图1和2说明本实施方式，本实施方式采用具体实施方式一、二或三所述的基于交错并联Boost型APFC电路的12脉波整流系统的直流侧谐波抑制系统实现基于交错并联Boost型APFC电路的12脉波整流系统的直流侧谐波抑制方法，它的具体过程为，

电压传感器7将检测到的电压信号作为基准三角波信号发送至信号处理及控制电路3，

2号电流传感器6将检测到的负载回路电流信号发送至信号处理及控制电路3，

1号电流传感器5将检测到的副边绕组的电流信号发送至信号处理及控制电路3，

信号处理及控制电路3将接收到的基准三角波信号和负载回路电流信号相乘后，生成电流参考信号，该电流参考信号与信号处理及控制电路3接收到的副边绕组的电流信号比较后，生成两路驱动信号，并将两路驱动信号发送给驱动电路4，驱动电路4将接收到的两路驱动信号进行功率放大，并将该功率放大后的信号发送给交错并联Boost型APFC电路2，调节平衡电抗器1副边绕组电流值，通过电流闭环控制使平衡电抗器1的副边绕组电流峰值为负载回路电流值的0.5倍，并且使平衡电抗器1的副边绕组电流相位与平衡电抗器1副边绕组电压信号相位一致，完成对12脉波整流系统的交流侧输入电流谐波的抑制。

本实施方式中，平衡电抗器1的副边绕组电流iX的波形图具体参见图3。

具体实施方式五：参见图1和2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式四所述的基于交错并联Boost型APFC电路的12脉波整流系统的直流侧谐波抑制方法的区别在于，所述的两路驱动信号为两路相位互差180°的PWM驱动信号。

具体实施方式六：参见图1和2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式四所述的基于交错并联Boost型APFC电路的12脉波整流系统的直流侧谐波抑制方法的区别在于，所述的基准三角波信号为频率是300Hz的三角波信号。

具体实施方式七：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的基于交错并联Boost型APFC电路的12脉波整流系统的直流侧谐波抑制系统的区别在于，所述的第一三相整流桥8-1和第二三相整流桥8-2均为三相不可控整流桥。

Claims (7)

1.基于交错并联Boost型APFC电路的12脉波整流系统的直流侧谐波抑制系统，它包括第一三相整流桥（8-1）、第二三相整流桥（8-2）和移相变压器（9），其特征在于，它还包括平衡电抗器（1）、交错并联Boost型APFC电路（2）、信号处理及控制电路(3)、驱动电路(4)、1号电流传感器（5）、2号电流传感器（6）和电压传感器（7）；

所述的移相变压器（9）的三相输入端与电网连接，所述的移相变压器（9）的第一三相输出端与第一三相整流桥（8-1）的三相输入端连接，所述的移相变压器（9）的第二三相输出端与第二三相整流桥（8-2）的三相输入端连接，

所述的第一三相整流桥（8-1）直流侧的负极输出端、第二三相整流桥（8-2）的负极输出端和交错并联Boost型APFC电路（2）的负极输出端同时连接后作为负载电源的负极输出端（P），

所述的第一三相整流桥（8-1）直流侧的正极输出端与平衡电抗器（1）原边绕组的一端连接，所述的第二三相整流桥（8-2）直流侧的正极输出端与平衡电抗器（1）原边绕组的另一端连接，所述的平衡电抗器（1）原边绕组的中间抽头和交错并联Boost型APFC电路（2）的正极输出端连接后作为负载电源的正极输出端（Q），

平衡电抗器（1）副边绕组的一端与交错并联Boost型APFC电路（2）的第一电流输入端连接，平衡电抗器（1）副边绕组的另一端与交错并联Boost型APFC电路（2）的第二电流输入端连接，

2号电流传感器（6）用于检测负载供电回路电流；所述的2号电流传感器（6）的电流输出端与信号处理及控制电路(3)的负载回路电流输入端连接，

1号电流传感器（5）用于检测平衡电抗器（1）副边绕组所在回路的电流，所述的1号电流传感器（5）的电流输出端与信号处理及控制电路(3)的第一电流输入端连接，

电压传感器（7）用于检测交错并联Boost型APFC电路（2）的正极输出端的输出电压，电压传感器（7）的电压输出端与信号处理及控制电路(3)的电压输入端连接，

所述的信号处理及控制电路(3)的控制信号输出端与驱动电路(4)的控制信号输入端连接，所述的驱动电路(4)的第一驱动信号输出端与交错并联Boost型APFC电路（2）的第一驱动信号输入端连接，驱动电路(4)的第二驱动信号输出端与交错并联Boost型APFC电路（2）的第二驱动信号输入端连接。

2.根据权利要求1所述的基于交错并联Boost型APFC电路的12脉波整流系统的直流侧谐波抑制系统，其特征在于，所述的交错并联Boost型APFC电路（2）包括单相整流桥（2-1）、第一电感（L₁）、第二电感（L₂）、第一二极管（D₁）、第二二极管（D₂）、第三二极管（D₂₁）、第四二极管（D₂₂）、第一电容（C₂₁）、第二电容（C₂₂）、第三电容（C₂₃）、第一电阻（R₂₁）、第二电阻（R₂₂）、第一开关管（S₂₁）和第二开关管（S₂₂），

单相整流桥（2-1）的交流信号输入端与平衡电抗器（1）副边绕组并联连接，所述单相整流桥（2-1）的直流侧正极输出端同时与第一电感（L₁）的一端和第二电感（L₂）的一端连接，

第一电感（L₁）的另一端同时与第一二极管（D₁）的阳极、第三二极管（D₂₁）的阴极、第一开关管（S₂₁）输入端和第一电容（C₂₁）的一端连接，第一电容（C₂₁）的另一端与第一电阻（R₂₁）的一端连接，

所述的第一二极管（D₁）的阴极、第二二极管（D₂）的阴极和第三电容（C₂₃）的一端连接后作为交错并联Boost型APFC电路（2）的正极输出端，

第二电感（L₂）的另一端同时与第二二极管（D₂）的阳极、第四二极管（D₂₂）的阴极、第二开关管（S₂₂）输入端和第二电容（C₂₂）的一端连接，第二电容（C₂₂）的另一端与第二电阻（R₂₂）的一端连接，

所述的单相整流桥（2-1）的直流侧负极输出端同时与第一开关管（S₂₁）的输出端、第三二极管（D₂₁）的阳极、第一电阻（R₂₁）的另一端、第二开关管（S₂₂）输出端、第四二极管（D₂₂）的阳极、第二电阻（R₂₂）的另一端和第三电容（C₂₃）的另一端连接后作为交错并联Boost型APFC电路（2）的负极输出端，

所述的驱动电路(4)的第一驱动信号输出端与第一开关管（S₂₁）的控制端连接，驱动电路(4)的第二驱动信号输出端与第二开关管（S₂₂）的控制端连接。

3.根据权利要求1所述的基于交错并联Boost型APFC电路的12脉波整流系统的直流侧谐波抑制系统，其特征在于，所述的第一开关管（S₂₁）为MOSFET或IGBT，第二开关管（S₂₂）为MOSFET或IGBT。

4.采用权利要求1、2或3所述的基于交错并联Boost型APFC电路的12脉波整流系统的直流侧谐波抑制系统实现的基于交错并联Boost型APFC电路的12脉波整流系统的直流侧谐波抑制方法，其特征在于，它的具体过程为，

电压传感器（7）将检测到的电压信号作为基准三角波信号发送至信号处理及控制电路(3)，

2号电流传感器（6）将检测到的负载回路电流信号发送至信号处理及控制电路(3)，

1号电流传感器（5）将检测到的副边绕组的电流信号发送至信号处理及控制电路(3)，

信号处理及控制电路(3)将接收到的基准三角波信号和负载回路电流信号相乘后，生成电流参考信号，该电流参考信号与信号处理及控制电路(3)接收到的副边绕组的电流信号比较后，生成两路驱动信号，并将两路驱动信号发送给驱动电路(4)，驱动电路(4)将接收到的两路驱动信号进行功率放大，并将该功率放大后的信号发送给交错并联Boost型APFC电路（2），调节平衡电抗器（1）副边绕组电流值，通过电流闭环控制使平衡电抗器（1）的副边绕组电流峰值为负载回路电流值的0.5倍，并且使平衡电抗器（1）的副边绕组电流相位与平衡电抗器（1）副边绕组电压信号相位一致，完成对12脉波整流系统的交流侧输入电流谐波的抑制。

5.根据权利要求4所述的基于交错并联Boost型APFC电路的12脉波整流系统的直流侧谐波抑制方法，其特征在于，所述的两路驱动信号为两路相位互差180°的PWM驱动信号。

6.根据权利要求4所述的基于交错并联Boost型APFC电路的12脉波整流系统的直流侧谐波抑制方法，其特征在于，所述的基准三角波信号为频率是300Hz的三角波信号。

7.根据权利要求1所述的基于交错并联Boost型APFC电路的12脉波整流系统的直流侧谐波抑制系统，其特征在于，所述的第一三相整流桥（8-1）和第二三相整流桥（8-2）均为三相不可控整流桥。

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