CN108551268A - 直流侧无源谐波抑制方法的24脉波整流器及设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了直流侧无源谐波抑制方法的24脉波整流器及设计方法，属于电力电子技术领域。本发明由带副边的平衡电抗器和单相全桥整流电路具体实现。根据单相全桥整流电路输入电压与负载电压的关系，单相全桥整流电路共有三种工作模态。每种模态下，计算整流器输入电流总谐波畸变率与带副边的平衡电抗器的原、副边绕组匝比之间的关系，得到整流器输入电流总谐波畸变率最小时的匝比，该匝比会使单相全桥整流电路中的每个二极管每周期导通15°，使负载电压为24脉波，整流器输入电流为24阶梯波，电流谐波得到显著抑制。本发明可显著提高整流器的谐波抑制能力，并降低电路结构的复杂性和谐波抑制系统的导通损耗，适用于大功率整流场合。

Description

直流侧无源谐波抑制方法的24脉波整流器及设计方法
技术领域
本发明涉及直流侧无源谐波抑制方法的24脉波整流器及设计方法，属于电力电子技术领域。
背景技术
多脉波整流技术是大功率整流系统抑制谐波的主要方法之一，其原理是将多个整流桥进行移相多重联结，使一个整流桥产生的谐波可以被其它整流桥抵消，从而达到抑制电流谐波、提高功率因数的目的。该技术具有谐波抑制效率高、电磁兼容性好以及可靠性高等优点，可以显著提高系统的电能质量。此外，与其它大功率整流技术相比，多脉波整流技术一般采用二极管整流桥作为整流器件，因而控制系统简单，实现难度低。
在众多多脉波整流器中，由于结构简单，12脉波整流器是应用最广泛的整流器。但是，在大电感负载下，12脉波整流器的输入电流总谐波畸变率约为15.2％，这不满足电网对所接入整流器的谐波要求。为了进一步抑制12脉波整流器的输入电流谐波，通常在整流器的直流侧使用有源或无源谐波抑制技术。相对于有源谐波抑制技术，无源谐波抑制技术具有实现简单、鲁棒性强等优点，应用更为广泛。使用两抽头变换器代替平衡电抗器是最为常见的无源谐波抑制技术，该方法利用两整流桥输出电压的瞬时差所产生的环流来抑制12脉波整流器输入电流谐波，最终可形成24脉波整流。该方法存在的显著问题是，负载电流流过两抽头变换器所接的两个二极管，当负载电流较大时，二极管的导通损耗较大，不适合于大电流场合。
发明内容
本发明的目的是为了提高12脉波整流器的谐波抑制能力，并降低电路结构的复杂性和谐波抑制系统的导通损耗的问题，进而提供直流侧无源谐波抑制方法的24脉波整流器及设计方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
直流侧无源谐波抑制方法的24脉波整流器，所述整流器包括角型联结自耦变压器、第一组三相整流桥、第二组三相整流桥、零序电流抑制器、带副边的平衡电抗器、单相全桥整流电路和负载，角型联结自耦变压器原边绕组输入端与三相交流电压ua、ub、uc相连，原边绕组采用角形联结，两组副边绕组耦合在相应的原边绕组上，且两组副边绕组的输出电压相位依次相差30°；第一组三相整流桥和第二组三相整流桥的输入端分别与角型联结自耦变压器的两组副边绕组输出端相连，第一组三相整流桥和第二组三相整流桥独立并联工作；零序电流抑制器的四个输入端m1、m2和m3、m4分别连接第一组三相整流桥的两个直流输出端和第二组三相整流桥的两个直流输出端，零序电流抑制器的输出端n2和n4连接于一个公共点上；带副边的平衡电抗器原边绕组P端与零序电流抑制器的输出端n1相连，原边绕组Q端与零序电流抑制器的输出端n3相连，原边绕组的中间抽头为输出端；单相全桥整流电路的输入端连接在带副边的平衡电抗器副边绕组的输出端，单相全桥整流电路的输出端连接在负载的两端；负载一端与平衡电抗器的输出端和单相全桥整流电路的输出阳极端相连，另一端与零序电流抑制器的输出端n2与n4的公共点和单相全桥整流电路的输出阴极端相连。
本发明直流侧无源谐波抑制方法的24脉波整流器，所述所述带副边的平衡电抗器的副边绕组与原边绕组的匝比为14.17。
本发明直流侧无源谐波抑制方法的24脉波整流器，所述带副边的平衡电抗器副边绕组连接的单相全桥整流电路由二极管构成。
本发明直流侧无源谐波抑制方法的24脉波整流器，能够替换所述角型联结自耦变压器的变压器有其他联结形式的自耦变压器或隔离变压器。
直流侧无源谐波抑制方法的24脉波整流器设计方法，其特征在于，所述设计方法为：
一、根据单相全桥整流电路的输入电压与系统负载电压的关系，得到单相全桥整流电路共有三种工作模态；
二、通过对这三种模态的分析，得到平衡电抗器输入电流和单相全桥整流电路输出电流与负载电流及平衡电抗器原、副边绕组匝比m的关系表达，再根据三相整流桥的整流原理、安匝平衡原理和基尔霍夫电流定律，计算出整流器输入电流的表达式；
三、根据该表达式，计算整流器输入电流总谐波畸变率与平衡电抗器原、副边绕组匝比m的关系；
四、计算得当m等于14.17时，总谐波畸变率最小，最小值为7.57％，此时单相全桥整流电路二极管导通角为15°，负载电压为24脉波，整流器输入电流为24阶梯波。
本发明直流侧无源谐波抑制方法的24脉波整流器及设计方法，带副边的平衡电抗器相当于一个升压变压器，这使得单相全桥整流电路的二极管通态电流平均值较小，进而使其导通损耗较小，确保了整流器具有较高的能量变换效率；本发明的24脉波整流的方法可以应用于其他的12脉波整流系统中，改进方法简单，适用性强，这种采用24脉波整流方法的整流电路，负载电压、电流纹波小，输入电流谐波得到更好的抑制。
附图说明
图1为本发明直流侧无源谐波抑制方法的24脉波整流器及设计方法的24脉波整流器的电路结构示意图。
图2为本发明直流侧无源谐波抑制方法的24脉波整流器及设计方法的绕组结构图。
图3为平衡电抗器副边辅助电路的工作模态I的示意图。
图4为平衡电抗器副边辅助电路的工作模态II的示意图。
图5为平衡电抗器副边辅助电路的工作模态III的示意图。
图1至图5中ia、ib、ic为三相输入电流，ia1、ib1、ic1和ia2、ib2、ic2为角形联结自耦变压器两组副边绕组的输出电流，也即第一组三相整流桥和第二组三相整流桥的输入电流，id1、id2为平衡电抗器的两组输入电流，is为单相整流桥输出电流，is1为单相整流桥工作在模态II时的输出电流，is2为单相整流桥工作在模态III时的输出电流，id为负载电流，ua、ub、uc为三相电源电压，up、us分别为平衡电抗器原边绕组和副边绕组的端电压，ud1、ud2分别为第一组三相整流桥和第二组三相整流桥的输出电压，ud为负载电压，VD1、VD2、VD3、VD4分别为单相整流桥的四个二极管。
图中附图标记，1为角型联结自耦变压器；2为第一组三相整流桥；3为第二组三相整流桥；4为零序电流抑制器；5为带副边的平衡电抗器；6为单相全桥整流电路；7为负载。
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，本实施例所涉及的直流侧无源谐波抑制方法的24脉波整流器，包括角型联结自耦变压器、第一组三相整流桥、第二组三相整流桥、零序电流抑制器、带副边的平衡电抗器、单相全桥整流电路和负载，角型联结自耦变压器原边绕组输入端与三相交流电压ua、ub、uc相连，原边绕组采用角形联结，两组副边绕组耦合在相应的原边绕组上，且两组副边绕组的输出电压相位依次相差30°；第一组三相整流桥和第二组三相整流桥的输入端分别与角型联结自耦变压器的两组副边绕组输出端相连，第一组三相整流桥和第二组三相整流桥独立并联工作；零序电流抑制器的四个输入端m1、m2和m3、m4分别连接第一组三相整流桥的两个直流输出端和第二组三相整流桥的两个直流输出端，零序电流抑制器的输出端n2和n4连接于一个公共点上；带副边的平衡电抗器原边绕组P端与零序电流抑制器的输出端n1相连，原边绕组Q端与零序电流抑制器的输出端n3相连，原边绕组的中间抽头为输出端；单相全桥整流电路的输入端连接在带副边的平衡电抗器副边绕组的输出端，单相全桥整流电路的输出端连接在负载的两端；负载一端与平衡电抗器的输出端和单相全桥整流电路的输出阳极端相连，另一端与零序电流抑制器的输出端n2与n4的公共点和单相全桥整流电路的输出阴极端相连。
实施例二：如图1和2所示，本实施例所涉及的直流侧无源谐波抑制方法的24脉波整流器，所述带副边的平衡电抗器的副边绕组与原边绕组的匝比为14.17。
实施例三：如图1所示，本实施例所涉及的直流侧无源谐波抑制方法的24脉波整流器，所述带副边的平衡电抗器副边绕组连接的单相全桥整流电路由二极管构成。
带副边的平衡电抗器的副边绕组连接的单相全桥整流电路由二极管构成，结构简单，可靠性高。
实施例四：如图2所示，本实施例所涉及的直流侧无源谐波抑制方法的24脉波整流器，能够替换所述角型联结自耦变压器的变压器有其他联结形式的自耦变压器或隔离变压器。
实施例五：如图1-5所示，本实施例所涉及的直流侧无源谐波抑制方法的24脉波设计方法，所述设计方法为：
一、根据单相全桥整流电路的输入电压与系统负载电压的关系，得到单相全桥整流电路共有三种工作模态；
二、通过对这三种模态的分析，得到平衡电抗器输入电流和单相全桥整流电路输出电流与负载电流及平衡电抗器原、副边绕组匝比m的关系表达，再根据三相整流桥的整流原理、安匝平衡原理和基尔霍夫电流定律，计算出整流器输入电流的表达式；
三、根据该表达式，计算整流器输入电流总谐波畸变率与平衡电抗器原、副边绕组匝比m的关系；
四、计算得当m等于14.17时，总谐波畸变率最小，最小值为7.57％，此时单相全桥整流电路二极管导通角为15°，负载电压为24脉波，整流器输入电流为24阶梯波。
实施例六：如图1、3、4和5所示，本实施例所涉及的直流侧无源谐波抑制方法的24脉波整流器及其设计方法，单相全桥整流电路的三种工作模态为：
工作模态I：结合图3进行说明，当平衡电抗器5的副边绕组端电压us小于负载电压ud时，单相全桥整流电路的四个二极管都不导通，辅助电路不工作，输出电流is为0，这时平衡电抗器的输入电流id1、id2都为Id/2，
工作模态II：结合图4进行说明，当平衡电抗器5的副边绕组端电压us大于负载电压ud时，单相全桥整流电路的二极管VD1和VD4导通，VD2和VD3不导通，这时辅助电路输入到负载的电流为is1，由于负载电压ud大于第二组整流桥输出电压ud2，所以id2等于0，负载电流id由平衡电抗器原边绕组上端输入电流id1和辅助电路输入电流is1组成，
工作模态III：结合图5进行说明，当平衡电抗器5的副边绕组端电压-us大于负载电压ud时，单相全桥整流电路的二极管VD2和VD3导通，VD1和VD4不导通，这时辅助电路输入到负载的电流为is2，由于负载电压ud大于第一组整流桥输出电压ud1，所以id1等于0，负载电流id由平衡电抗器原边绕组下端输入电流id2和辅助电路输入电流is2组成。
实施例七：如图1-5所示，本实施例所涉及的直流侧无源谐波抑制方法的24脉波整流器及设计方法，其设计方法为：
根据实施方式六中单相全桥整流电路三种工作模态的分析，可以得到平衡电抗器输入电流和单相全桥整流电路输出电流与负载电流及平衡电抗器原、副边绕组匝比m的关系表达，再根据三相整流桥的整流原理、安匝平衡原理和基尔霍夫电流定律，计算出整流器输入电流的表达式。根据该表达式，计算整流器输入电流总谐波畸变率与平衡电抗器匝比m的关系。计算得当m等于14.17时，总谐波畸变率最小，最小值为7.57％，此时单相全桥整流电路二极管导通角为15°，负载电压为24脉波，整流器输入电流为24阶梯波。
平衡电抗器的副边接单相全桥整流电路，当平衡电抗器的副边绕组与原边绕组的匝比设计为14.17时，可以保证单相全桥整流电路正常工作，且单相全桥整流电路中各个二极管每个周期导通15°，从而使平衡电抗器和单相整流桥叠加在负载上的输出电压为24脉波，有效减小负载电压和电流的脉动，抑制输入电流谐波。
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 (5)

1.直流侧无源谐波抑制方法的24脉波整流器，其特征在于，所述直流侧无源谐波抑制方法的24脉波整流器包括角型联结自耦变压器(1)、第一组三相整流桥(2)、第二组三相整流桥(3)、零序电流抑制器(4)、带副边的平衡电抗器(5)、单相全桥整流电路(6)和负载(7)，角型联结自耦变压器(1)原边绕组输入端与三相交流电压ua、ub、uc相连，原边绕组采用角形联结，两组副边绕组耦合在相应的原边绕组上，且两组副边绕组的输出电压相位依次相差30°；第一组三相整流桥(2)和第二组三相整流桥(3)的输入端分别与角型联结自耦变压器(1)的两组副边绕组输出端相连，第一组三相整流桥(2)和第二组三相整流桥(3)独立并联工作；零序电流抑制器(4)的四个输入端m1、m2和m3、m4分别连接第一组三相整流桥(2)的两个直流输出端和第二组三相整流桥(3)的两个直流输出端，零序电流抑制器(4)的输出端n2和n4连接于一个公共点上；带副边的平衡电抗器(5)原边绕组P端与零序电流抑制器(4)的输出端n1相连，原边绕组Q端与零序电流抑制器(4)的输出端n3相连，原边绕组的中间抽头为输出端；单相全桥整流电路(6)的输入端连接在带副边的平衡电抗器(5)副边绕组的输出端，单相全桥整流电路(6)的输出端连接在负载(7)的两端；负载(7)一端与平衡电抗器(5)的输出端和单相全桥整流电路(6)的输出阳极端相连，另一端与零序电流抑制器(4)的输出端n2与n4的公共点和单相全桥整流电路(6)的输出阴极端相连。
2.根据权利要求1所述的直流侧无源谐波抑制方法的24脉波整流器，其特征在于，所述带副边的平衡电抗器(5)的副边绕组与原边绕组的匝比为14.17。
3.根据权利要求1所述的直流侧无源谐波抑制方法的24脉波整流器，其特征在于，所述带副边的平衡电抗器(5)副边绕组连接的单相全桥整流电路(6)由二极管构成。
4.根据权利要求1所述的直流侧无源谐波抑制方法的24脉波整流器，其特征在于，能够替换所述角型联结自耦变压器(1)的变压器有其他联结形式的自耦变压器或隔离变压器。
5.直流侧无源谐波抑制方法的24脉波整流器设计方法，其特征在于，所述设计方法为：
一、根据单相全桥整流电路(6)的输入电压与系统负载电压的关系，得到单相全桥整流电路(6)共有三种工作模态；
二、通过对这三种模态的分析，得到平衡电抗器(5)输入电流和单相全桥整流电路(6)输出电流与负载电流及平衡电抗器(5)原、副边绕组匝比m的关系表达，再根据三相整流桥的整流原理、安匝平衡原理和基尔霍夫电流定律，计算出整流器输入电流的表达式；
三、根据该表达式，计算整流器输入电流总谐波畸变率与平衡电抗器(5)原、副边绕组匝比m的关系；
四、计算得当m等于14.17时，总谐波畸变率最小，最小值为7.57％，此时单相全桥整流电路(6)二极管导通角为15°，负载电压为24脉波，整流器输入电流为24阶梯波。
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