CN108448916A - 使用有源谐波抑制电抗器的并联型多脉波整流器 - Google Patents

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孟凡刚
李泉慧
高蕾
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Abstract

本发明提供了使用有源谐波抑制电抗器的并联型多脉波整流器，属于电力电子技术领域。本发明整流器包括自耦变压器、三组有源谐波抑制电抗器、两组三相全桥整流电路、三组单相电压型逆变电路和控制电路。自耦变压器用于产生两组存在30°相位差的三相电压，控制电路生成PWM驱动信号，驱动单相电压型逆变电路生成电流，对两组三相全桥整流电路的输出电流进行调制，达到抑制整流器输入电流谐波的目的。本发明适用于大功率整流场合。

Description

使用有源谐波抑制电抗器的并联型多脉波整流器
技术领域
本发明涉及使用有源谐波抑制电抗器的并联型多脉波整流器，属于电力电子技术领域。
背景技术
多脉波整流器是大功率电力电子装置与交流电网的常用接口。在实际应用中，整流期间的强非线性使多脉波整流器成为电网的主要污染源；同时，器件的结构不对称和输入电压不平衡也是多脉波整流器在应用中必须面对的问题，二者会使整流器的输入电流中含有非特征次谐波，在某些极端情况下，甚至会放大特征次谐波，加剧谐波污染。
器件的结构不对称和输入电压不平衡均会导致移相变压器的输出电压不平衡。移相变压器是多脉波整流器的必需器件，其为整流桥提供存在一定相位差的多相电压，形成多脉波整流。器件结构的不对称主要是指移相变压器的不对称。由于磁轭的影响，变压器的磁路存在固有的不对称；另外，移相变压器绕组多，结构复杂，在设计和制造时不可避免的会产生不对称，这两种形式的不对称均会导致移相变压器输出电压不平衡。当输入电压不平衡时，即使变压器的结构对称，其输出电压也会不平衡。移相变压器的输出电压不平衡会导致整流器输入电流含有非特征次谐波、各整流器件电流不均流、负载电压纹波系数增大等一系列问题，严重时可能会烧毁整流器件。上述影响在多脉波整流器中更为明显，且使用各类滤波器难以兼顾谐波抑制和电压不平衡问题。
发明内容
本发明的目的是为了提高现有大功率整流器的谐波抑制能力，进而提供一种使用有源谐波抑制电抗器的并联型多脉波整流器，通过设定串联在整流桥输入端的有源谐波抑制电抗器九个原边绕组的排列方案来抑制输入电流中的非特征次谐波，通过控制副边绕组的电流，抑制输入电流中的特征次谐波。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
使用有源谐波抑制电抗器的并联型多脉波整流器，所述使用有源谐波抑制电抗器的并联型多脉波整流器包括自耦变压器、第一组有源谐波抑制电抗器、第二组有源谐波抑制电抗器、第三组有源谐波抑制电抗器、第一组三相全桥整流电路、第二组三相全桥整流电路、第一组单相电压型逆变电路、第二组单相电压型逆变电路、第三组单相电压型逆变电路和控制电路；自耦变压器作为移相变压器，自耦变压器原边绕组采用三角形联结，自耦变压器原边绕组与三相交流电压ua、ub、uc相连为系统供电，自耦变压器两组副边绕组分别通过第一组有源谐波抑制电抗器、第二组有源谐波抑制电抗器、第三组有源谐波抑制电抗器与第一组三相全桥整流电路、第二组三相全桥整流电路相连接；第一组三相全桥整流电路、第二组三相全桥整流电路采用并联方式相互连接，第一组三相全桥整流电路、第二组三相全桥整流电路的输出端阳极分别与负载的正极相连接，第一组三相全桥整流电路、第二组三相全桥整流电路的输出端阴极分别与负载的负极相连接；第一组有源谐波抑制电抗器、第二组有源谐波抑制电抗器、第三组有源谐波抑制电抗器的六个原边绕组分别连接在第一组三相全桥整流电路、第二组三相全桥整流电路的三相输入端，第一组有源谐波抑制电抗器、第二组有源谐波抑制电抗器、第三组有源谐波抑制电抗器的三个副边绕组分别接在第一组单相电压型逆变电路、第二组单相电压型逆变电路、第三组单相电压型逆变电路的输出端；第一组单相电压型逆变电路、第二组单相电压型逆变电路、第三组单相电压型逆变电路中IGBT的导通关断情况由控制电路控制。
本发明使用有源谐波抑制电抗器的并联型多脉波整流器，所述第一组有源谐波抑制电抗器、第二组有源谐波抑制电抗器、第三组有源谐波抑制电抗器分别由三个原边绕组与一个副边绕组构成，原边绕组中匝数比NP：NS满足第一组有源谐波抑制电抗器的三个副边绕组NP1、NS11、NS12分别连在第一组三相全桥整流电路、第二组三相全桥整流电路a1、a2、c2相，且NP1和NS12的同名端耦合NP1、NS11的非同名端耦合；第二组有源谐波抑制电抗器的三个副边绕组NP2、NS21、NS22分别连在第一组三相全桥整流电路、第二组三相全桥整流电路b1、a2、b2相，且NP2和NS21的同名端耦合NP2、NS22的非同名端耦合；第三组有源谐波抑制电抗器的三个副边绕组NP3、NS31、NS32分别连在第一组三相全桥整流电路、第二组三相全桥整流电路c1、b2、c2相，且NP3和NS31的同名端耦合NP3、NS32的非同名端耦合。
本发明使用有源谐波抑制电抗器的并联型多脉波整流器，所述自耦变压器由三个芯柱组成，每个芯柱上有一个原边绕组和两个副边绕组，每组芯柱的三个绕组相位相差120°；自耦变压器的三个原边绕组采用三角形联结方式，六个副边绕组输出两组相位相差30°的三相电压，且自耦变压器结构对称。
本发明使用有源谐波抑制电抗器的并联型多脉波整流器，所述控制电路采集整流器输入电压ua、ub、uc生成同步信号，采集负载电流与同步信号一同送入第一组单相电压型逆变电路、第二组单相电压型逆变电路、第三组单相电压型逆变电路，得到抑制整流器输入电流特征次谐波所需的期望电流；期望电流与实际电流进行比较，利用得到的差值生成PWM信号，对第一组单相电压型逆变电路、第二组单相电压型逆变电路、第三组单相电压型逆变电路进行闭环控制，将电流注入第一组有源谐波抑制电抗器、第二组有源谐波抑制电抗器、第三组有源谐波抑制电抗器的副边绕组，对第一组有源谐波抑制电抗器、第二组有源谐波抑制电抗器、第三组有源谐波抑制电抗器的输出电流进行调制，抑制整流器交流侧输入电流的特征次谐波。
本发明使用有源谐波抑制电抗器的并联型多脉波整流器，采用有源谐波抑制电抗器可以有效抑制整流器输入电流中的特征次谐波和非特征次谐波，并且单相电压型逆变电路的等效容量小，仅占电压型逆变电路电压源输出功率的很小一部分；采用的有源谐波抑制电抗器具有较好的适应性，不需要任何修改就能与整流系统相适应，即使有源谐波抑制电抗器的副边不工作，系统仍能消除非特征次谐波；采用的单相电压型逆变电路，其相关技术已相当成熟，便于实际生产应用；本发明所采用的方法，不仅能抑制谐波，改善交流测电能质量，而且可以消除由于三相电压不对称带来的负面影响。
附图说明
图1为本发明使用有源谐波抑制电抗器的并联型多脉波整流器的电路结构图。
图2为第一组有源谐波抑制电抗器绕组结构图。
图3为第二组有源谐波抑制电抗器绕组结构图。
图4为第三组有源谐波抑制电抗器绕组结构图。
图1、图2、图3、图4中ia、ib、ic为三相输入电流，ia1、ib1、ic1为第一组三相桥式整流电路输入电流，ia2、ib2、ic2为第二组三相桥式整流电路输入电流，is1、is2、is3为注入有源谐波抑制电抗器副边的电流，id1、id2为两组三相全桥整流电路输出电流，id为负载电流，vdc为单相电压型逆变电路中的电压源，a、b、c为自耦变压器原边绕组，a1、b1、c1、a2、b2、c2为自耦变压器副边绕组。
图中附图标记有，1为自耦变压器；2为第一组有源谐波抑制电抗器；3为第二组有源谐波抑制电抗器；4为第三组有源谐波抑制电抗器；5为第一组三相全桥整流电路；6为第二组三相全桥整流电路；7为第一组单相电压型逆变电路；8为第二组单相电压型逆变电路；9为第三组单相电压型逆变电路；10为控制电路。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述实施例。
实施例一：如图1所示，本实施例所涉及的一种使用有源谐波抑制电抗器的并联型多脉波整流器，包括自耦变压器、第一组有源谐波抑制电抗器、第二组有源谐波抑制电抗器、第三组有源谐波抑制电抗器、第一组三相全桥整流电路、第二组三相全桥整流电路、第一组单相电压型逆变电路、第二组单相电压型逆变电路、第三组单相电压型逆变电路和控制电路；自耦变压器作为移相变压器，自耦变压器原边绕组采用三角形联结，自耦变压器原边绕组与三相交流电压ua、ub、uc相连为系统供电，自耦变压器两组副边绕组分别通过第一组有源谐波抑制电抗器、第二组有源谐波抑制电抗器、第三组有源谐波抑制电抗器与第一组三相全桥整流电路、第二组三相全桥整流电路相连接；第一组三相全桥整流电路、第二组三相全桥整流电路采用并联方式相互连接，第一组三相全桥整流电路、第二组三相全桥整流电路的输出端阳极分别与负载的正极相连接，第一组三相全桥整流电路、第二组三相全桥整流电路的输出端阴极分别与负载的负极相连接；第一组有源谐波抑制电抗器、第二组有源谐波抑制电抗器、第三组有源谐波抑制电抗器的六个原边绕组分别连接在第一组三相全桥整流电路、第二组三相全桥整流电路的三相输入端，第一组有源谐波抑制电抗器、第二组有源谐波抑制电抗器、第三组有源谐波抑制电抗器的三个副边绕组分别接在第一组单相电压型逆变电路、第二组单相电压型逆变电路、第三组单相电压型逆变电路的输出端；第一组单相电压型逆变电路、第二组单相电压型逆变电路、第三组单相电压型逆变电路中IGBT的导通关断情况由控制电路控制。
第一组有源谐波抑制电抗器、第二组有源谐波抑制电抗器、第三组有源谐波抑制电抗器分别由三个原边绕组与一个副边绕组构成，通过原边绕组自身的绕组结构可以基本消除自耦变压器的原边输入电流中的非特征次谐波，原边绕组之所以采用这种绕组结构，是因为这种方案中第一组有源谐波抑制电抗器、第二组有源谐波抑制电抗器、第三组有源谐波抑制电抗器的压降相等，不会造成三相系统的不对称，但是只有原边绕组不能消除特征次谐波，通过控制副边绕组电流可以对第一组三相全桥整流电路、第二组三相全桥整流电路的输入电流进行调制，进而可以控制自耦变压器的原边输入电流，使其特征次谐波基本消除，通过计算自耦变压器的原边输入电流的THD值，并从THD值最小的角度出发，可以确定第一组有源谐波抑制电抗器、第二组有源谐波抑制电抗器、第三组有源谐波抑制电抗器的副边绕组电压。控制电路控制第一组单相电压型逆变电路、第二组单相电压型逆变电路、第三组单相电压型逆变电路中IGBT的导通和关断，向第一组有源谐波抑制电抗器、第二组有源谐波抑制电抗器、第三组有源谐波抑制电抗器的副边注入电流，以提高交流侧电能质量，使输入电流波形趋于正弦；负载的一端与两组三项全桥整流电路的输出端阳极相连，另一端与两组三相全桥整流电路的输出端阴极相连接。
在整流桥的交流侧使用谐波抑制电抗器代替其直流侧的平衡电抗器和零序电流抑制器，实现多脉波整流器输入电流的强制性均衡，并使整流器件均流；对谐波抑制电抗器进行改造，通过其辅助副边电路主动改变整流桥输入电流，达到抑制多脉波整流器输入电流谐波的目的。这对从整体上抑制非理想因素对大功率整流器的影响、提升并联型多脉波整流器的综合性能具有重要意义。
实施例二：如图1-4所示，本实施例所涉及的一种使用有源谐波抑制电抗器的并联型多脉波整流器，所述第一组有源谐波抑制电抗器、第二组有源谐波抑制电抗器、第三组有源谐波抑制电抗器分别由三个原边绕组与一个副边绕组构成，原边绕组中匝数比NP：NS满足第一组有源谐波抑制电抗器的三个副边绕组NP1、NS11、NS12分别连在第一组三相全桥整流电路、第二组三相全桥整流电路a1、a2、c2相，且NP1和NS12的同名端耦合NP1、NS11的非同名端耦合；第二组有源谐波抑制电抗器的三个副边绕组NP2、NS21、NS22分别连在第一组三相全桥整流电路、第二组三相全桥整流电路b1、a2、b2相，且NP2和NS21的同名端耦合NP2、NS22的非同名端耦合；第三组有源谐波抑制电抗器的三个副边绕组NP3、NS31、NS32分别连在第一组三相全桥整流电路、第二组三相全桥整流电路c1、b2、c2相，且NP3和NS31的同名端耦合NP3、NS32的非同名端耦合。
第一组有源谐波抑制电抗器、第二组有源谐波抑制电抗器、第三组有源谐波抑制电抗器的原边绕组中匝数比NP：NS满足在电路中的连接方式使基波、特征次谐波ΣNi为零，使非特征次谐波的ΣNi不为零，即对基波和特征次谐波无阻抗，而对非特征次谐波阻抗很大，从而可以最大限度地降低非特征次谐波的含量。
实施例三：如图1所示，本实施例所涉及的一种使用有源谐波抑制电抗器的并联型多脉波整流器，所述自耦变压器由三个芯柱组成，每个芯柱上有一个原边绕组和两个副边绕组，每组芯柱的三个绕组相位相差120°；自耦变压器的三个原边绕组采用三角形联结方式，六个副边绕组输出两组相位相差30°的三相电压，且自耦变压器结构对称。
自耦变压器原边绕组采用三角形连接，副边两组绕组相互独立，相位相差30°，每组绕组的三个绕组相位相差120°，绕组a、绕组b、绕组c为变压器的原边绕组，采用三角形连接，其正极性端分别与三相交流电压ua、ub、uc相连，绕组a1、绕组b1、绕组c1绕组a2、绕组b2、绕组c2为自耦变压器的六个副边绕组，绕组a和绕组a1绕组a2耦合，绕组b和绕组b1绕组b2耦合，绕组c和绕组c1绕组c2耦合。
实施例四：如图1所示，本实施例所涉及的一种使用有源谐波抑制电抗器的并联型多脉波整流器，所述控制电路采集整流器输入电压ua、ub、uc生成同步信号，采集负载电流与同步信号一同送入第一组单相电压型逆变电路、第二组单相电压型逆变电路、第三组单相电压型逆变电路，得到抑制整流器输入电流特征次谐波所需的期望电流；期望电流与实际电流进行比较，利用得到的差值生成PWM信号，对第一组单相电压型逆变电路、第二组单相电压型逆变电路、第三组单相电压型逆变电路进行闭环控制，将电流注入第一组有源谐波抑制电抗器、第二组有源谐波抑制电抗器、第三组有源谐波抑制电抗器的副边绕组，对第一组有源谐波抑制电抗器、第二组有源谐波抑制电抗器、第三组有源谐波抑制电抗器的输出电流进行调制，抑制整流器交流侧输入电流的特征次谐波。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种使用有源谐波抑制电抗器的并联型多脉波整流器，其特征在于，所述使用有源谐波抑制电抗器的并联型多脉波整流器包括自耦变压器(1)、第一组有源谐波抑制电抗器(2)、第二组有源谐波抑制电抗器(3)、第三组有源谐波抑制电抗器(4)、第一组三相全桥整流电路(5)、第二组三相全桥整流电路(6)、第一组单相电压型逆变电路(7)、第二组单相电压型逆变电路(8)、第三组单相电压型逆变电路(9)和控制电路(10)；自耦变压器(1)作为移相变压器，自耦变压器(1)原边绕组采用三角形联结，自耦变压器(1)原边绕组与三相交流电压ua、ub、uc相连为系统供电，自耦变压器(1)两组副边绕组分别通过第一组有源谐波抑制电抗器(2)、第二组有源谐波抑制电抗器(3)、第三组有源谐波抑制电抗器(4)与第一组三相全桥整流电路(5)、第二组三相全桥整流电路(6)相连接；第一组三相全桥整流电路(5)、第二组三相全桥整流电路(6)采用并联方式相互连接，第一组三相全桥整流电路(5)、第二组三相全桥整流电路(6)的输出端阳极分别与负载的正极相连接，第一组三相全桥整流电路(5)、第二组三相全桥整流电路(6)的输出端阴极分别与负载的负极相连接；第一组有源谐波抑制电抗器(2)、第二组有源谐波抑制电抗器(3)、第三组有源谐波抑制电抗器(4)的六个原边绕组分别连接在第一组三相全桥整流电路(5)、第二组三相全桥整流电路(6)的三相输入端，第一组有源谐波抑制电抗器(2)、第二组有源谐波抑制电抗器(3)、第三组有源谐波抑制电抗器(4)的三个副边绕组分别接在第一组单相电压型逆变电路(7)、第二组单相电压型逆变电路(8)、第三组单相电压型逆变电路(9)的输出端；第一组单相电压型逆变电路(7)、第二组单相电压型逆变电路(8)、第三组单相电压型逆变电路(9)中IGBT的导通关断情况由控制电路(10)控制。
2.根据权利要求1所述的使用有源谐波抑制电抗器的并联型多脉波整流器，其特征在于，所述第一组有源谐波抑制电抗器(2)、第二组有源谐波抑制电抗器(3)、第三组有源谐波抑制电抗器(4)分别由三个原边绕组与一个副边绕组构成，原边绕组中匝数比NP：NS满足第一组有源谐波抑制电抗器(2)的三个副边绕组NP1、NS11、NS12分别连在第一组三相全桥整流电路(5)、第二组三相全桥整流电路(6)a1、a2、c2相，且NP1和NS12的同名端耦合NP1、NS11的非同名端耦合；第二组有源谐波抑制电抗器(3)的三个副边绕组NP2、NS21、NS22分别连在第一组三相全桥整流电路(5)、第二组三相全桥整流电路(6)b1、a2、b2相，且NP2和NS21的同名端耦合NP2、NS22的非同名端耦合；第三组有源谐波抑制电抗器(4)的三个副边绕组NP3、NS31、NS32分别连在第一组三相全桥整流电路(5)、第二组三相全桥整流电路(6)c1、b2、c2相，且NP3和NS31的同名端耦合NP3、NS32的非同名端耦合。
3.根据权利要求1所述的使用有源谐波抑制电抗器的并联型多脉波整流器，其特征在于，所述自耦变压器(1)由三个芯柱组成，每个芯柱上有一个原边绕组和两个副边绕组，每组芯柱的三个绕组相位相差120°；自耦变压器(1)的三个原边绕组采用三角形联结方式，六个副边绕组输出两组相位相差30°的三相电压，且自耦变压器(1)结构对称。
4.根据权利要求1所述的使用有源谐波抑制电抗器的并联型多脉波整流器，其特征在于，所述控制电路(10)采集整流器输入电压ua、ub、uc生成同步信号，采集负载电流与同步信号一同送入第一组单相电压型逆变电路(7)、第二组单相电压型逆变电路(8)、第三组单相电压型逆变电路(9)，得到抑制整流器输入电流特征次谐波所需的期望电流；期望电流与实际电流进行比较，利用得到的差值生成PWM信号，对第一组单相电压型逆变电路(7)、第二组单相电压型逆变电路(8)、第三组单相电压型逆变电路(9)进行闭环控制，将电流注入第一组有源谐波抑制电抗器(2)、第二组有源谐波抑制电抗器(3)、第三组有源谐波抑制电抗器(4)的副边绕组，对第一组有源谐波抑制电抗器(2)、第二组有源谐波抑制电抗器(3)、第三组有源谐波抑制电抗器(4)的输出电流进行调制，抑制整流器交流侧输入电流的特征次谐波。
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