CN108306296A - 大功率陷波滤波器及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大功率陷波滤波器及设计方法，包括电感Ls和谐振支路，所述电感Ls串联在源端，所述谐振支路并联在负载端，每条所述谐振支路上并联一电感Lpn。通过本发明可有效减小谐波电流，在此基础上还避免了输出电压的升高或降低，从而保障了后级设备的安全运行。

Description

大功率陷波滤波器及设计方法

技术领域

本发明涉及大功率陷波滤波器技术领域，具体涉及一种大功率陷波滤波器及设计方法。

背景技术

随着工业技术的高速发展，电力电子装置与其他非线性负载的应用越来越广泛，由此在电力系统中引起的谐波问题也日趋严重。尤其是大功率设备，其功能复杂，后级接有大量的电子设备，其产生的高次谐波电流严重影响电力系统的电压和电流，使其波形发生严重畸变，从而威胁到电网和用电设备的安全运行。

单调陷波无源滤波器因其结构简单、价格低廉，是目前应用较为广泛的电力谐波抑制装置，其由电感L和电容C串联组成，主要是滤除某一次频率的谐波电流，针对多次谐波电流，也可并联使用，分别滤除。

目前常用的陷波滤波器方案，可以有效减小谐波电流对电网的污染，但是其会升高输出电压，对后级设备的正常运行造成威胁，取值不当更有可能损坏后级设备。

传统单调陷波电路等效图如图1所示。

由上图1可以得出输出电压与输入电压的关系如下式所示：

式中，ω＝2πf，f为基波频率；n为大于1的奇数；L_n、C_n分别为n次单调陷波电路的电感与电容，则有：

式中，ω_n＝n·2πf。

将式(2)代入式(1)，化简可得：

式中，n为大于1的奇数。

由式(3)可以得出，输出电压U_o会大于输入电压U_s，即源端串联电感将输入电压抬高，抬高的幅值与源端串联电感以及陷波支路谐振电感取值有关，且源端串联电感越大，输出电压升高幅值越大。较大的电压抬高会对后级设备造成损坏。

发明内容

本发明克服了现有技术的不足，提供一种大功率陷波滤波器及设计方法，用于在有效减小谐波电流的基础上，避免输出电压的升高，保障后级设备的安全运行。

考虑到现有技术的上述问题，根据本发明公开的一个方面，本发明采用以下技术方案：

一种大功率陷波滤波器，包括电感Ls和谐振支路，所述电感Ls串联在源端，所述谐振支路并联在负载端，每条所述谐振支路上并联一电感Lpn。

为了更好地实现本发明，进一步的技术方案是：

根据本发明的一个实施方案，一所述谐振支路包括电感Ln和电容Cn，所述电感Ln和所述电容Cn串联。

根据本发明的另一个实施方案，所述电感Lpn为两个及以上的情况下，两个及以上的所述电感Lpn能够合并为一个，合并后的电感Lpn的电感值为合并前各支路上的电感Lpn的并联值。

本发明还还可以是：

一种大功率陷波滤波器的设计方法，包括：

如以上所述大功率陷波滤波器输出电压与输入电压的关系：

式中，ω＝2πf，f为基波频率；n为大于1的奇数；L_n、C_n分别为n次单调陷波电路的电感与电容，L_pn为与n次单调陷波电路并联的电感；

以上式子简化得到：

为避免电感Ln将输入电压升高损坏后级设备或并联电感Lpn将输入电压拉低而影响后级设备正常工作，令则有

ω²L_nC_nL_S+ω²L_SC_nL_pn-L_S＝0

消去Ls，则有

将代入则有L_pn＝(n²-1)L_n

根据以上公式L_pn＝(n²-1)L_n，得出单调陷波支路与谐振支路的设计关系，从而使大功率陷波滤波器输出电压与输入电压相等。

根据本发明的另一个实施方案，若存在两个及以上的电感Lpn的情况下，将两个及以上的电感Lpn合并：L_p＝L_p3//L_p5//L_p7//…L_pn；其中，L_p表示合并后的支路的电感值，L_p3,L_p5,L_p7…L_pn表示合并前的支路的电感值。

与现有技术相比，本发明的有益效果之一是：

本发明的一种大功率陷波滤波器及设计方法，其不但可有效减小谐波电流，在此基础上还避免了输出电压的升高，从而保障了后级设备的安全运行。

附图说明

为了更清楚的说明本申请文件实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术的描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是对本申请文件中一些实施例的参考，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的情况下，还可以根据这些附图得到其它的附图。

图1为现有技术的结构示意图。

图2为本发明一实施例的大功率陷波滤波器的结构示意图。

图3为本发明一实施例的CE101测试结果示意图。

图4为本发明一实施例的仿真原理示意图。

图5为本发明一实施例的传统陷波电路前后其源端电流的波形对比示意图。

图6为本发明一实施例的传统陷波电路输出与输入电压的波形示意图。

图7为本发明另一实施例的仿真原理示意图。

图8为本发明一实施例的改进型陷波电路前后其源端电流的波形对比示意图。

图9为本发明一实施例的改进型陷波电路后输出与输入电压的波形示意图。

图10为本发明另一实施例的CE101测试结果示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

本发明的一种大功率陷波滤波器，使用源端串联电感Ls、LC串联谐振支路Ln、Cn以及支路并联电感Lpn等常规元件，通过公式计算选取合适电感电容值，即可解决传统陷波电路抬高输出电压的问题。

基于背景技术提到的单调陷波电路应用会将输入电压升高的缺陷，本实施例提出了一种新颖的改进型单调陷波滤波电路，即在陷波电路上并联一个电感Lpn，等效如图2所示。

具体地，包括电感Ls和谐振支路，所述电感Ls串联在源端，所述谐振支路并联在负载端。还包括电感Lpn，所述电感Lpn与所述谐振支路并联；其中，电感Lpn为n次单调陷波支路并联的电感。

优选地，谐振支路可包括电感Ln和电容Cn，所述电感Ln和所述电容Cn串联；其中，电感Ln和电容Cn分别为n次单调陷波电路的电感与电容。

由图2可以得出输出电压与输入电压的关系如下式所示：

式中，ω＝2πf，f为基波频率；n为大于1的奇数；L_n、C_n分别为n次单调陷波电路的电感与电容，L_pn为与n次单调陷波电路并联的电感。将式(1)化简可得：

为解决传统应用中电感Ln会将输入电压升高可能损坏后级设备的问题，并避免电感Lpn将输入电压拉低而影响后级设备正常工作，令则由式(2)可有：

ω²L_nC_nL_S+ω²L_SC_nL_pn-L_S＝0 (3)

消去Ls，则有：

将式代入式(4)，则有：

L_pn＝(n²-1)L_n (5)

而若存在若干个单调陷波支路，这些并联电感亦可并联合并为一个，即：

L_p＝L_p3//L_p5//L_p7//ΛL_pn (6)

由以上分析可以得出结论：

为避免输出电压升高而增加的并联电感Lp的取值与源端串联电感值无关；并联电感的值与各个陷波支路的串联谐振电感取值有关，可以由以上公式指导实际应用中各陷波支路串联电感与串联电容以及并联电感的取值。

为了验证本改进型陷波电路方案，本文选择了一台舰船设备进行测试。因该舰船设备功能复杂，后级接有大量电子设备，其三次、五次以及七次谐波电流较大。在未增加滤波装置时其CE101测试结果如下图3所示。

由上图3可以看出，其谐波电流值如下表所示。

	电流分贝值(dBμA)	折算电流值(A)
			电流基波(50Hz)	140	10.0
电流3次谐波(150Hz)	132	4.0
			电流5次谐波(250Hz)	127	2.239
电流7次谐波(350Hz)	119	0.891

使用奇数倍频的电流源模拟其基波电流与谐波电流，利用公式计算传统陷波电路的电感与电容值，进行传统应用电路仿真，仿真原理图如图4所示。

图5为经过传统陷波电路前后其源端电流的波形对比，可以看出，传统陷波电路可以有效滤除谐波电流。

图6为加入传统陷波电路后输出与输入电压的波形，可以看出传统陷波电路抬高了输入电压。

利用式L_pn＝(n²-1)L_n和L_p＝L_p3//L_p5//L_p7//ΛL_pn等计算改进型陷波电路的电感与电容值，进行改进型应用电路仿真，仿真原理图如图7所示。

图8为加入改进型陷波电路前后其源端电流的波形对比，可以看出，改进型陷波电路可以有效滤除谐波电流。图9为加入改进型陷波电路后输出与输入电压的波形，可以看出改进型陷波电路并没有抬高输入电压。

根据计算参数，对该舰船设备进行了实验验证，加入改进型陷波滤波器后进行CE101测试，测试结果如图10所示。

由图10可以看出，改进型陷波滤波器对降低谐波电流作用非常明显，且经过测试，其输出电压没有升高。

本说明书中各个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分相互参见即可。在本说明书中所谈到的“一个实施例”、“另一个实施例”、“实施例”等，指的是结合该实施例描述的具体特征、结构或者特点包括在本申请概括性描述的至少一个实施例中。在说明书中多个地方出现同种表述不是一定指的是同一个实施例。进一步来说，结合任一实施例描述一个具体特征、结构或者特点时，所要主张的是结合其他实施例来实现这种特征、结构或者特点也落在本发明的范围内。

尽管这里参照本发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开和权利要求的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变型和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。

Claims (5)

1.一种大功率陷波滤波器，包括电感Ls和谐振支路，所述电感Ls串联在源端，所述谐振支路并联在负载端，其特征在于每条所述谐振支路上并联一电感Lpn。

2.根据权利要求1所述的大功率陷波滤波器的设计方法，其特征在于一所述谐振支路包括电感Ln和电容Cn，所述电感Ln和所述电容Cn串联。

3.根据权利要求1或2所述的大功率陷波滤波器的设计方法，其特征在于所述电感Lpn为两个及以上的情况下，两个及以上的所述电感Lpn能够合并为一个，合并后的电感Lpn的电感值为合并前各支路上的电感Lpn的并联值。

4.一种大功率陷波滤波器的设计方法，其特征在于包括：

如权利要求1所述大功率陷波滤波器输出电压与输入电压的关系：

式中，ω＝2πf，f为基波频率；n为大于1的奇数；L_n、C_n分别为n次单调陷波电路的电感与电容，L_pn为与n次单调陷波电路并联的电感；

以上式子简化得到：

为避免电感Ln将输入电压升高损坏后级设备或并联电感Lpn将输入电压拉低而影响后级设备正常工作，令则有

ω²L_nC_nL_S+ω²L_SC_nL_pn-L_S＝0

消去Ls，则有

将代入则有L_pn＝(n²-1)L_n

根据以上公式L_pn＝(n²-1)L_n，得出单调陷波支路与谐振支路的设计关系，从而使大功率陷波滤波器输出电压与输入电压相等。

5.根据权利要求4所述的大功率陷波滤波器的设计方法，其特征在于若存在两个及以上的电感Lpn的情况下，将两个及以上的电感Lpn合并：L_p＝L_p3//L_p5//L_p7//…L_pn；其中，L_p表示合并后的支路的电感值，L_p3,L_p5,L_p7…L_pn表示合并前的支路的电感值。