CN111786581B - 使用直流侧混合谐波抑制方法的串联型60脉波整流器 - Google Patents

使用直流侧混合谐波抑制方法的串联型60脉波整流器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种使用直流侧混合谐波抑制方法的串联型60脉波整流器，属于电力电子技术领域。本发明的隔离变压器采用Δ/Δ/Y型连接，可以有效抑制由于三相不平衡因素所产生的三次谐波；谐波注入电路由无源谐波注入电路和有源谐波注入电路组成，无源谐波注入电路包括单相注入变压器以及单相全波整流电路，有源谐波注入电路包括两个开关管和两组控制电路；无源谐波注入电路和有源谐波注入电路共同工作，产生6倍电源频率的阶梯波调制信号，对整流桥输出电压进行调制，达到抑制整流器输入电压、电流谐波的目的。本发明所采用的谐波注入电路体积小，注入变压器容量小，谐波抑制代价低，谐波抑制效果显著。本发明适用于大功率场合。

Description

使用直流侧混合谐波抑制方法的串联型60脉波整流器
技术领域
本发明涉及一种使用直流侧混合谐波抑制方法的串联型60脉波整流器，属于电力电子技术领域。
背景技术
多脉波整流器结构简单，鲁棒性强，在大功率电能变换与电能传输领域中得到了广泛的应用。但是，多脉波整流器大多采用二极管整流，由于二极管的强非线性产生大量谐波，另外，电源的三相不平衡因素也会产生大量非特征次谐波。为解决以上问题，急需一种行之有效的方法来抑制多脉波整流器的输入电流、电压谐波。
提高多脉波整流器输入、输出电能质量的关键在于提高整流器输出电压、电流的脉波数，整流器输出电压、电流脉波数越多，整流器输入、输出电能质量越高。提高多脉波整流器输出电压、电流脉波数的方法有多种，其中，最常用的方法有两种，一种是通过增加移相变压器的输出相数来增加串联或并联在一起的整流桥的个数，但是，当移相变压器的输出相数超过3时，变压器的结构复杂，设计困难且不对称问题严重；另一种是使用直流侧谐波抑制方法，包括直流侧无源谐波抑制方法、有源谐波抑制方法以及混合谐波抑制方法，通过向整流器直流侧注入电压或电流谐波来抵消整流器所产生的特定次数谐波，其中，直流侧无源谐波抑制方法不需要开关管和控制电路，电路可靠性高，但谐波抑制能力有限，直流侧有源谐波抑制方法谐波抑制效果显著，但其可靠性低，谐波注入电路损耗大，直流侧混合谐波抑制方法将上述两种方法结合起来，兼顾以上两种方法的优点，可靠性高且损耗较低，是目前多脉波整流技术中最常用的一种方法。综合上述提高多脉波整流器电能质量的方法，本发明提出了一种使用直流侧混合谐波抑制方法的串联型60脉波整流器，将直流侧无源谐波抑制方法和有源谐波抑制方法结合起来，利用直流侧无源谐波抑制方法来抑制整流器产生的低次谐波，利用有源谐波抑制方法来抑制整流器产生的高次谐波；与不使用谐波注入电路的整流器相比，输入电压THD值由12％降低到1％以下，极大改善了整流器的电能质量。
发明内容
为了提高多脉波整流器的谐波抑制能力，本发明提供一种使用直流侧混合谐波抑制方法的串联型60脉波整流器，通过设计谐波注入电路，向整流器直流侧注入电压谐波，对各整流桥输出电压进行补偿，达到抑制整流器输入电压谐波的目的。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种使用直流侧混合谐波抑制方法的串联型60脉波整流器，它包括：输入电感、隔离变压器、第一组三相全桥整流电路、第二组三相全桥整流电路、谐波注入电路、钳位二极管、第一组控制电路、第二组控制电路、第一个直流侧电容、第二个直流侧电容和负载；
输入电感左端分别与三相电压源相连，输入电感右端与隔离变压器的原边绕组相连；隔离变压器的两组副边绕组分别与第一组三相全桥整流电路和第二组三相全桥整流电路的输入端相连；第一组三相全桥整流电路的和第二组三相全桥整流电路串联连接，第一组三相全桥整流电路的和第二组三相全桥整流电路与第一个直流侧电容和第二个直流侧电容以及负载并联连接；整流器输出电压变为两倍；第一个直流侧电容的上端与第一组三相全桥整流电路的输出端正极和负载的正极相连，第一个直流侧电容的下端与第二个直流侧电容的上端连接，第二个直流侧电容的下端与第二组三相全桥整流电路的输出端负极和负载的负极相连；谐波注入电路由一个注入变压器、一个单相全波整流电路和两个开关管组成，其中，单相全波整流电路中注入变压器的原边绕组分别与两组三相全桥整流电路的连接点以及两个直流侧电容的中点连接，单相全波整流电路的输出端正极与开关管Q1和Q2的集电极以及钳位二极管的阳极相连，单相全波整流电路的输出端负极与开关管Q1的发射极、第二个直流侧电容的负极以及负载的负极相连；开关管Q2的发射极与两直流侧电容的连接点相连，开关管Q1和Q2的栅极分别与第一组控制电路和第二组控制电路的输出端相连；钳位二极管的阴极与负载的正极相连；第一组控制电路和第二组控制电路的采样端与注入变压器的同名端相连。
本发明使用直流侧混合谐波抑制方法的串联型60脉波整流器，输入电感由三个大小相同的大电感构成，由于大电感的滤波作用，输入电源等效为三相平衡的电流源。
本发明使用直流侧混合谐波抑制方法的串联型60脉波整流器，隔离变压器为移相变压器，变压器原、副边存在电气隔离，安全性高；隔离变压器由三个芯柱组成，每个芯柱上有3个绕组，包括1个原边绕组和2个副边绕组，各绕组匝比为N1:N2:N3＝1.73:1.73:1，各绕组相互独立，原边绕组组成三角形联结，有助于提高输出功率，副边绕组构成星形连接和角形连接，产生两组大小相等，相位相差30°的三相电压。
本发明使用直流侧混合谐波抑制方法的串联型48脉波整流器，第一组三相全桥整流电路、第二组三相全桥整流电路采用不控整流器件。
本发明使用直流侧混合谐波抑制方法的串联型48脉波整流器，第一个直流侧电容、第二个直流侧电容为两个大小相等的大电容。
本发明使用直流侧混合谐波抑制方法的串联型60脉波整流器，谐波注入电路由一个注入变压器、一个单相全波整流电路和两个开关管组成，注入变压器由一个芯柱组成，每个芯柱上有一个原边绕组和两个副边绕组，注入变压器体积小，容量低，谐波抑制代价小，单相全波整流电路只由两个二极管组成，损耗小，两个开关管都不在主电路中，流过开关管的电流小，开关损耗低。
本发明使用直流侧混合谐波抑制方法的串联型60脉波整流器，谐波注入电路由无源谐波抑制电路和有源谐波抑制电路组成。
本发明使用直流侧混合谐波抑制方法的串联型60脉波整流器，控制电路通过控制开关管的导通关断，控制两个开关管交替工作，向整流器直流侧注入电压谐波，对整流桥输出电压进行调制，从而有效抑制交流测谐波
本发明使用直流侧混合谐波抑制方法的串联型60脉波整流器，谐波注入电路中注入变压器匝比为N7/N8＝0.0285。
本发明一种使用直流侧混合谐波抑制方法的串联型60脉波整流器，相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1)本发明所采用的隔离变压器副边绕组为星角联结，有效地抑制整流器产生的3k次谐波。
2)本发明所采用的谐波注入电路由无源谐波注入电路和有源谐波注入电路组成，谐波注入电路有较好的适应性，即使开关管发生故障，无源谐波注入电路仍能工作，对谐波仍有一定的抑制作用。
3)本发明所采用的整流桥为二极管整流桥，不需要复杂的控制，可靠性高，适用于大功率场合。
4)本发明所采用的输入电感与输入电源和移相变压器相连，输入电源等效为电流源，并且由于电感的滤波作用，提高了整流器输入电流电能质量。
5)本发明所采用的两个整流桥串联连接，整流器输出电压加倍，适用于高压场合。
6)本发明所采用的输出电容为大电容，由于大电容的稳压作用，整流器输出电压维持恒定。
附图说明
图1为本发明的电路结构示意图；
图2为本发明所采用的隔离变压器绕组结构图；
图3为本发明所采用的注入变压器绕组结构图；
图4为本发明所采用的谐波注入电路工作模态I的电路图；
图5为本发明所采用的谐波注入电路工作模态II的电路图；
图6为本发明所采用的谐波注入电路工作模态III的电路图；
图7为本发明所采用的谐波注入电路工作模态IV的电路图；
图8为本发明所采用的谐波注入电路工作模态V的电路图；
图9为本发明所采用的谐波注入电路工作模态VI的电路图；
图10为本发明所采用的控制电路7和8的工作波形；
图11为本发明所采用的整流器的工作波形；
图12为本发明所采用的整流器输入电压THD值与注入变压器匝比之间的变化关系图；
图13为本发明所采用的整流器输入电压波形。
图1至图13中，usa、usb、usc为三相电压源，ia、ib、ic为三相输入电流，ia1、ib1、ic1为第一组三相全桥整流电路输入电流，ia2、ib2、ic2为第二组三相全桥整流电路输入电流，ix为注入变压器原边绕组电流，iRec1为第一组三相全桥整流电路输出电流，iRec2为第二组三相全桥整流电路输出电流，N1为隔离变压器原边绕组匝数，N2、N3为隔离变压器副边绕组匝数，N4为注入变压器原边绕组匝数，N5为注入变压器副边绕组匝数。
图中附图标记：1为输入电感；2为隔离变压器；3为第一组三相全桥整流电路；4为第二组三相全桥整流电路；5为谐波注入电路；6为钳位二极管；7为第一组控制电路；8为第二组控制电路；9为第一个直流侧电容；10为第二个直流侧电容；11为负载。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式所述的一种使用直流侧混合谐波抑制方法的串联型60脉波整流器，包括：输入电感、隔离变压器、第一组三相全桥整流电路、第二组三相全桥整流电路、谐波注入电路、钳位二极管、第一组控制电路、第二组控制电路、第一个直流侧电容、第二个直流侧电容和负载；
输入电感由三个相同的大电感组成，由于大电感的滤波作用，输入电源等效为电流源，输入电感左端分别与三相电压源相连，右端分别与隔离变压器三个原边绕组相连；隔离变压器作为移相变压器，原边绕组采用三角形连接，副边绕组组成一组星形连接和一组角形连接，副边绕组输出两组有效值相等，相位相差30°的三相电压，原边绕组与输入电感的右侧相连，两组副边绕组分别与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端相连；第一组三相全桥整流电路和第二组三相全桥整流电路串联连接，并与第一个直流侧电容和第二个直流侧电容，以及负载并联连接，整流器输出电压变为两倍；第一个直流侧电容和第二个直流侧电容完全相同，第一个直流侧电容上端与第一组三相全桥整流电路的输出端正极和负载的正极相连，第一个直流侧电容下端与第二个直流侧电容的上端连接；第二个直流侧电容的下端与第二组三相全桥整流电路的输出端负极和负载的负极相连；谐波注入电路由一个注入变压器、一个单相全波整流电路和两个开关管组成，其中，单相变压器的原边绕组分别与两组三相全桥整流电路的中点以及两个直流侧电容的中点连接，副边绕组与单相全波整流电路相连，开关管Q1和Q2的集电极与单相全波整流电路的二极管阴极连接，发射极分别与第二个直流侧电容的下端以及两个直流侧电容的中点连接，栅极分别与第一组控制电路和第二组控制电路的输出端相连；钳位二极管的阳极与谐波注入电路中二极管的阴极相连，阴极与负载的正极相连；第一组控制电路和第二组控制电路的采样端与注入变压器的同名端相连，输出端分别与两个开关管的栅极相连。
具体实施方式二：下面结合图1、图10、图11说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一的进一步限定，所述使用直流侧混合谐波抑制方法的串联型60脉波整流器，其抑制谐波的具体方法是：
第一组控制电路和第二组控制电路对电流ix进行采样，采样信号经过零比较器形成图10中的方波信号ut1和ut，ut1和ut经积分环节后得到图10中的ui1和ui，图中，ui1和ui的幅值为1，图1中的Uref1、Uref2、Uref3、Uref4、Uref5、Uref6分别与ui1和ui进行对比，生成图11中的10阶梯波电压uFP，控制信号uc1和uc2如图10所示。根据图1、图10和图11可知Uref1＝Uref3＝0.1，Uref2＝Uref4＝0.9，Uref5＝0.3，Uref6＝0.7。uc1和uc2分别控制开关管Q1和Q2的导通和关断，形成6倍电源电压频率的阶梯波调制信号，对两个整流桥的输出电压进行调制，消除整流器生成的特征次谐波分量。
具体实施方式三：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一的进一步限定，所述使用直流侧混合谐波抑制方法的串联型60脉波整流器，隔离变压器由3个相同的芯柱组成，每个芯柱上有3个绕组，包括1个原边绕组和2个副边绕组，3个绕组的匝比为N1:N2:N3＝1.73:1.73:1；绕组a1、a2、a3位于同一芯柱上，绕组b1、b2、b3位于同一芯柱上，绕组c1、c2、c3位于同一芯柱上；原边绕组a1、b1、c1构成三角形连接，其正端分别与A、B、C点相连；副边绕组a2、b2、c2构成三角形连接，并与第一组单相全桥整流电路3相连；副边绕组a3、b3、c3构成星形连接，并与第二组单相全桥整流电路相连。
本实施方式采用隔离式变压器，变压器原、副边存在电气隔离，使得变压器具有较高的安全性。
具体实施方式四：下面结合图1、图3说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一的进一步限定，所述使用直流侧混合谐波抑制方法的串联型60脉波整流器，注入变压器为单相变压器，变压器由1个芯柱构成，芯柱上有3个绕组，一个原边绕组和两个副边绕组，注入变压器的输入端左侧连接到整流桥的连接点F上，注入变压器的输入端右侧连接到两个直流侧电容的连接点P点，注入变压器的副边绕组带有中心抽头，连接到单相全波整流电路的输入端，单相全波整流电路和开关管共同构成谐波注入电路。
本实施方式所采用的注入变压器结构简单，对称性强，容量小，谐波抑制代价低。
具体实施方式五：下面结合图1、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一的进一步限定，一种使用直流侧混合谐波抑制方法的串联型60脉波整流器，谐波注入电路的工作模态如下：
谐波注入电路由单相全波整流电路和开关管组成，根据变压器的结构和整流桥的导通模态可知ix为6倍于电源频率的三角波；
当整流器工作于图11中的1、10、11、20、21、30、31、40、41、50、51、60时刻时，ix<0，根据图10中控制电路的工作波形可知控制信号uc1和uc2保持低电平，Q1关断，Q2关断，注入变压器原边绕组电压uFP＝-N4/N5uo，谐波注入电路工作模态如图9所示；
当整流器工作于图11中的2、9、12、19、22、29、32、39、42、49、52、59时刻时，ix<0，根据图10中控制电路的工作波形可知控制信号uc1保持低电平，uc2保持高电平，Q1关断，Q2导通，注入变压器原边绕组电压uFP＝-N4/(2N5)uo，谐波注入电路工作模态如图6所示；
当整流器工作于图11中的3、8、13、18、23、28、33、38、43、48、53、58时刻时，当ix<0时，根据图10中控制电路的工作波形可知控制信号uc1保持高电平，uc2保持低电平，Q1导通，Q2关断，注入变压器原边绕组电压uFP＝0，谐波注入电路工作模态如图8所示，当ix>0时，根据图10中控制电路的工作波形可知控制信号uc1保持高电平，uc2保持低电平，Q1导通，Q2关断，注入变压器原边绕组电压uFP＝0，谐波注入电路工作模态如图7所示；
当整流器工作于图11中的4、7、14、17、24、27、34、37、44、47、54、57时刻时，ix>0，根据图10中控制电路的工作波形可知控制信号uc1保持低电平，uc2保持高电平，Q1关断，Q2导通，注入变压器原边绕组电压uFP＝N4/(2N5)uo，谐波注入电路工作模态如图5所示；
当整流器工作于图11中的5、6、15、16、25、26、35、36、45、46、55、56时刻时，ix>0，根据图10中控制电路的工作波形可知控制信号uc1保持低电平，uc2保持低电平，Q1关断，Q2关断，注入变压器原边绕组电压uFP＝N4/N5uo，谐波注入电路工作模态如图4所示。
具体实施方式五：下面结合图1、图12、图13说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一的进一步限定，一种使用直流侧混合谐波抑制方法的串联型60脉波整流器，根据图1应用基尔霍夫电压定律可求解出整流器输入电压波形，如图12所示。图12中，各阶梯电平值如表1。
表1整流器输入电压各阶梯电平值
Figure BDA0002598753080000081
根据上表其输入电压有效值和输入电压基波幅值的表达式如下
Figure BDA0002598753080000082
Figure BDA0002598753080000083
根据上式和THD值的定义，可得到整流器输入电压与注入变压器匝比之间的关系，如图13所示。图13中，当注入变压器的匝比变化时，整流器输入电流THD值也随之变化，当注入变压器的匝比为N7/N8＝0.0285时，整流器输入电压THD达到最小值3.08％。
具体实施方式六：下面结合图1、图10、图11、图12、图13说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一的进一步限定，一种使用直流侧混合谐波抑制方法的串联型60脉波整流器，与CN2018104096783“使用直流侧混合电压谐波注入法的串联型36脉波整流器”中的谐波抑制电路相比，本发明所提出的谐波抑制电路改变了注入变压器的匝比、开关管的位置、数量和控制方法，注入变压器原边绕组电压波形由6阶梯波改变为10阶梯波，整流器输入电压阶梯值由36增加至60，其THD理论值由5.093％降低至3.08％，谐波抑制效果显著提高，谐波抑制代价降低；且谐波注入电路总容量不变，电路损耗不会发生变化。
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 (9)

1.一种使用直流侧混合谐波抑制方法的串联型60脉波整流器，其特征在于，它包括：输入电感(1)、隔离变压器(2)、第一组三相全桥整流电路(3)、第二组三相全桥整流电路(4)、谐波注入电路(5)、钳位二极管(6)、第一组控制电路(7)、第二组控制电路(8)、第一个直流侧电容(9)、第二个直流侧电容(10)和负载(11)；
输入电感(1)左端分别与三相电压源相连，输入电感(1)右端与隔离变压器(2)的原边绕组相连；隔离变压器(2)的两组副边绕组分别与第一组三相全桥整流电路(3)和第二组三相全桥整流电路(4)的输入端相连；第一组三相全桥整流电路的(3)和第二组三相全桥整流电路(4)串联连接，第一组三相全桥整流电路的(3)和第二组三相全桥整流电路(4)与第一个直流侧电容(9)和第二个直流侧电容(10)以及负载(11)并联连接；整流器输出电压变为两倍；第一个直流侧电容(9)的上端与第一组三相全桥整流电路(3)的输出端正极和负载(11)的正极相连，第一个直流侧电容(9)的下端与第二个直流侧电容(10)的上端连接，第二个直流侧电容(10)的下端与第二组三相全桥整流电路(4)的输出端负极和负载(11)的负极相连；谐波注入电路(5)由一个注入变压器、一个单相全波整流电路和两个开关管组成，其中，注入变压器的原边绕组分别与两组三相全桥整流电路的连接点以及两个直流侧电容的中点连接，单相全波整流电路的输出端正极与开关管Q1和Q2的集电极以及钳位二极管(6)的阳极相连，单相全波整流电路的输出端负极与开关管Q1的发射极、第二个直流侧电容(10)的负极以及负载(11)的负极相连；开关管Q2的发射极与两直流侧电容的连接点相连，开关管Q1和Q2的栅极分别与第一组控制电路(7)和第二组控制电路(8)的输出端相连；钳位二极管(6)的阴极与负载(11)的正极相连；第一组控制电路(7)和第二组控制电路(8)的采样端与注入变压器的同名端相连。
2.根据权利要求1所述使用直流侧混合谐波抑制方法的串联型60脉波整流器，其特征在于：输入电感(1)由三个大小相同的大电感构成，由于大电感的滤波作用，输入电源等效为三相平衡的电流源。
3.根据权利要求1所述使用直流侧混合谐波抑制方法的串联型60脉波整流器，其特征在于：隔离变压器(2)为移相变压器，变压器原、副边存在电气隔离，安全性高；隔离变压器(2)由三个芯柱组成，每个芯柱上有3个绕组，包括1个原边绕组和2个副边绕组，各绕组匝比为N1:N2:N3＝1.73:1.73:1，各绕组相互独立，原边绕组组成三角形联结，副边绕组构成星形连接和角形连接，产生两组大小相等，相位相差30°的三相电压。
4.根据权利要求1所述使用直流侧混合谐波抑制方法的串联型60脉波整流器，其特征在于：第一组三相全桥整流电路(3)、第二组三相全桥整流电路(4)采用不控整流器件。
5.根据权利要求1所述使用直流侧混合谐波抑制方法的串联型60脉波整流器，其特征在于：第一个直流侧电容(9)、第二个直流侧电容(10)为两个大小相等的大电容。
6.根据权利要求1所述使用直流侧混合谐波抑制方法的串联型60脉波整流器，其特征在于：谐波注入电路(5)由一个注入变压器、一个单相全波整流电路和两个开关管组成，注入变压器由一个芯柱组成，每个芯柱上有一个原边绕组和两个副边绕组，单相全波整流电路由两个二极管组成，两个开关管都不在主电路中。
7.根据权利要求1所述使用直流侧混合谐波抑制方法的串联型60脉波整流器，其特征在于：谐波注入电路(5)由无源谐波抑制电路和有源谐波抑制电路组成。
8.根据权利要求1所述使用直流侧混合谐波抑制方法的串联型60脉波整流器，其特征在于：控制电路通过控制开关管的导通关断，控制两个开关管交替工作，向整流器直流侧注入电压谐波，对整流桥输出电压进行调制，从而有效抑制交流测谐波。
9.根据权利要求1所述使用直流侧混合谐波抑制方法的串联型60脉波整流器，其特征在于：谐波注入电路(5)中注入变压器匝比为N7/N8＝0.0285。
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