CN111865112A - 使用直流侧无源谐波抑制方法的串联型多脉波整流器 - Google Patents

使用直流侧无源谐波抑制方法的串联型多脉波整流器 Download PDF

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Abstract

本发明实施例公开了一种使用直流侧无源谐波抑制方法的串联型多脉波整流器，包括输入电感、移相变压器、第一三相全桥整流电路、第二三相全桥整流电路、第一直流侧电容、第二直流侧电容、负载、谐波注入电路，谐波注入电路由一个单相变压器和一个单相全桥整流电路组成，单相变压器由一个原边绕组和一个副边绕组组成；单相全桥整流电路的输出端正极与第二三相全桥整流电路的负极相连，输出端负极与负载的负极相连。本发明使用直流侧无源谐波抑制方法来抑制整流器输入电压、电流中的谐波，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4%，整流器输入电压符合IEEE标准，极大改善了整流器的输入电能质量。

Description

使用直流侧无源谐波抑制方法的串联型多脉波整流器
技术领域
本发明涉及电气电力技术领域，尤其涉及一种使用直流侧无源谐波抑制方法的串联型多脉波整流器。
背景技术
多脉波整流器由于结构简单，鲁棒性强，常被用作大功率电力电子装置和交流电网的接口。但是，整流器采用二极管整流，在获得高可靠性的同时，也不可避免地带来大量的谐波污染，另外，变压器结构不对称也会产生大量谐波。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。
多脉波整流器输入电压或电流的阶梯数等于输出电压或电流的脉波数，其输入电压、电流阶梯数越多，波形就越接近正弦，电压、电流的谐波含量就越少；输出电压、电流脉波数越多，其波形就越接近直流，电能质量越高。
因此，提高多脉波整流器输入、输出电能质量的关键是增加多脉波整流器输出电压、电流脉波数。提高多脉波整流器输入、输出电压或电流脉波数的方法有两种，一种是通过增加移相变压器的输出端数量以及平衡电抗器的抽头数量，从而增加串联或并联在一起的整流桥的个数，但是，当整流桥数量过多时，移相变压器以及平衡电抗器设计困难，且不平衡现象严重；另一种方法是使用直流侧谐波抑制方法来消除整流器输入电压、电流中某些特定次数的谐波，与增加整流桥数量的方法相比，这种方法使用整流桥数量少，损耗低；直流侧谐波抑制方法包括直流侧无源谐波抑制方法和直流侧有源谐波抑制方法，与直流侧有源谐波抑制方法相比，直流侧无源谐波抑制方法依靠电路自身的特性来向整流器的直流侧注入特定频率、形状的电压或电流信号，其谐波抑制代价低，可靠性高。
申请号为2018104096783，发明名称为“使用直流侧混合电压谐波注入法的串联型36脉波整流器”的发明专利中，虽然使用直流侧混合电压谐波注入法，但是其谐波抑制效果差，电路可靠性低，不能满足要求。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种使用直流侧无源谐波抑制方法的串联型多脉波整流器，以提升谐波抑制效果，并提升鲁棒性。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提出了一种使用直流侧无源谐波抑制方法的串联型多脉波整流器，包括输入电感、移相变压器、第一三相全桥整流电路、第二三相全桥整流电路、第一直流侧电容、第二直流侧电容、负载，输入电感由三个大小相等的电感组成；移相变压器的原边绕组采用三角形连接，副边绕组采用星角连接，移相变压器原边绕组的三个抽头分别通过三个电感连接三相交流电源，移相变压器副边绕组分别与第一三相全桥整流电路、第二三相全桥整流电路的输入端相连；第一三相全桥整流电路和第二三相全桥整流电路串联连接，所述多脉波整流器还包括谐波注入电路，谐波注入电路由一个单相变压器和一个单相全桥整流电路组成，单相变压器由一个原边绕组和一个副边绕组组成；单相变压器原边绕组的一侧与两组三相全桥整流电路的中点相连，另一侧与第一直流侧电容和第二直流侧电容的中点连接，单相变压器副边绕组分别与单相全桥整流电路的输入端连接；单相全桥整流电路的输出端正极与第二三相全桥整流电路的负极相连，输出端负极与负载的负极相连；第一直流侧电容的正极与第一三相全桥整流电路的正极和负载的正极相连，负极与第二直流侧电容的正极以及两组三相全桥整流电路的中点相连；第二直流侧电容的负极与第二三相全桥整流电路的负极相连。
进一步地，移相变压器为隔离变压器，隔离变压器原、副边电气隔离；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，产生两组大小相等且相位相差30°的三相电压。
进一步地，第一三相全桥整流电路、第二三相全桥整流电路均采用不控整流器件。
进一步地，第一直流侧电容和第二直流侧电容为两个大小相等的电容。
进一步地，单相全桥整流电路由四个二极管组成。
进一步地，单相变压器的匝比为1.2:1。
本发明的有益效果为：本发明采用隔离变压器的副边绕组为星角联结，有效地抑制整流器产生的3k次谐波；本发明的谐波注入电路采用无源谐波抑制电路，与直流侧有源谐波抑制方法相比，直流侧无源谐波抑制方法依靠电路自身的特性来向整流器的直流侧注入特定频率、形状的电压或电流信号，其谐波抑制代价低，可靠性高；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；本发明所采用的输入电感由三个大小相等的毫亨级电感组成，由于电感对高次电流谐波具有高阻抗，整流器输入电流中的谐波分量可以忽略，输入电流等效为正弦波；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；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是本发明实施例的使用直流侧无源谐波抑制方法的串联型多脉波整流器的电路图。
图2是本发明实施例的隔离变压器绕组结构图。
图3是本发明实施例的单相变压器绕组结构图。
图4是本发明实施例的谐波注入电路工作模态I的电路图。
图5是本发明实施例的谐波注入电路工作模态II的电路图。
图6是本发明实施例的谐波注入电路工作模态III的电路图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互结合，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明实施例中若有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中若涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
请参照图1～图6，本发明实施例的使用直流侧无源谐波抑制方法的串联型多脉波整流器由输入电感1、移相变压器2、第一三相全桥整流电路3、第二三相全桥整流电路4、谐波注入电路5、第一直流侧电容6、第二直流侧电容7、负载8组成。
输入电感1由三个大小相等的毫亨级电感组成，由于电感对高次电流谐波具有高阻抗，整流器输入电流中的谐波分量可以忽略，输入电流等效为正弦波，三个输入电感左侧分别与三相交流电源连接，右侧分别与隔离变压器原边绕组的三个抽头相连。
移相变压器2原边绕组采用三角形连接，副边绕组采用星角连接，原边绕组的三个抽头分别与三个输入电感的右端相连，副边绕组分别与两组三相全桥整流电路的输入端相连。
第一三相全桥整流电路3和第二三相全桥整流电路4串联连接，与两个直流侧电容并联连接，整流器输出电压加倍。谐波注入电路5由一个单相变压器和一个单相全桥整流电路组成，单相变压器由一个原边绕组和一个副边绕组组成，原边绕组的左侧与两组三相全桥整流电路的中点相连，右侧与两个直流侧电容的中点连接，副边绕组分别与单相全桥整流电路的输入端连接，单相全桥整流电路的输出端正极与第二三相全桥整流电路4的负极相连，输出端负极与负载的负极相连。本发明采用两组三相全桥整流电路整流，减少了主电路中整流器件的使用量，降低了电路损耗。
第一个直流侧电容6、第二个直流侧电容7串联连接，电容6的正极与第一三相全桥整流电路3的正极和负载8的正极相连，负极与电容7的正极以及两组三相全桥整流电路的中点相连，电容7的负极与第二三相全桥整流电路4的负极相连。
本发明实施例的使用直流侧无源谐波抑制方法的串联型多脉波整流器抑制谐波的原理是：两组三相全桥整流电路电流的差值i x为6倍频三角波，i x流经单相变压器以后，单相变压器的原边绕组产生6倍频3阶梯波的注入电压，对三相全桥整流电路输出电压进行调制，从而消除整流器输入电压、电流中的谐波。
本发明采用两个三相二极管整流桥整流，减少了主电路中整流器件的使用量，降低了电路损耗；直流侧仅使用一组谐波注入电路就能达到相近的谐波抑制效果，有效降低了电路的体积和成本。
作为一种实施方式，请参照图1和图2，本发明的使用直流侧无源谐波抑制方法的串联型多脉波整流器，隔离变压器2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N 1:N 2:N 3=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，并与第二单相全桥整流电路相连。隔离变压器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。
作为一种实施方式，请参照图1、图3，本发明的使用直流侧无源谐波抑制方法的串联型多脉波整流器注入的变压器为单相变压器，单相变压器由1个芯柱构成，芯柱上有2个绕组，一个原边绕组和一个副边绕组，单相变压器的输入端左侧连接到整流桥的连接点F上（即两组三相全桥整流电路的中点），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，单相变压器的副边绕组连接到单相全桥整流电路的输入端，单相变压器和单相全桥整流电路共同构成谐波注入电路。
本实施方式所采用的单相变压器结构简单，容量小，谐波抑制代价低。
作为一种实施方式，请参照图1、图4、图5、图6，本发明的使用直流侧无源谐波抑制方法的串联型多脉波整流器的谐波注入电路5的工作模态如下：
谐波注入电路5由单相变压器和单相全桥整流电路组成，根据变压器的结构和整流桥的导通模态可知i x为6倍于电源频率的三角波；当i x>0时，二极管D1、D4导通，二极管D2、D3关断，u FP>0，谐波注入电路5工作模态I如图4所示；当i x<0时，二极管D2、D3导通，二极管D1、D4关断，u FP<0，谐波注入电路5工作模态II如图5所示；当i x接近于0时，二极管D1、D2、D3、D4全部导通，u FP=0，谐波注入电路5工作模态III如图6所示。
本发明的谐波注入电路5为电流型谐波注入电路，通过向整流器直流侧注入电流谐波来提高整流器的输入电能质量，谐波注入电路5谐波抑制效果好，并具有更强的鲁棒性。
本发明的谐波注入电路5的整流侧分别与负载8以及第二三相全桥整流电路4的负极相连，负载8电流为谐波注入电路5提供能量，本发明的谐波注入电路5鲁棒性更强。
本发明的谐波注入电路5的容量仅为整个整流器输入功率的2.8%，损耗低。
作为一种实施方式，请参照图1、图4、图5、图6，本发明的使用直流侧无源谐波抑制方法的串联型多脉波整流器的单相变压器的匝比为N 4/N 5=1.2:1。
作为一种实施方式，第一三相全桥整流电路3、第二三相全桥整流电路4均采用不控整流器件，可靠性高。
作为一种实施方式，第一直流侧电容6和第二直流侧电容7为两个大小相等的大电容，整流器输出电压经第一直流侧电容6和第二直流侧电容7滤波后为直流。
作为一种实施方式，单相全桥整流电路由四个二极管（即图1中的二极管D1、D2、D3、D4）组成，流过单相全桥整流电路的电流小，损耗小，可靠性高。
本发明使用直流侧无源谐波抑制方法来抑制整流器输入电压、电流中的谐波，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4%，整流器输入电压符合IEEE519-1992标准，极大改善了整流器的输入电能质量。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同范围限定。

Claims (6)

1.一种使用直流侧无源谐波抑制方法的串联型多脉波整流器，包括输入电感、移相变压器、第一三相全桥整流电路、第二三相全桥整流电路、第一直流侧电容、第二直流侧电容、负载，输入电感由三个大小相等的电感组成；移相变压器的原边绕组采用三角形连接，副边绕组采用星角连接，移相变压器原边绕组的三个抽头分别通过三个电感连接三相交流电源，移相变压器副边绕组分别与第一三相全桥整流电路、第二三相全桥整流电路的输入端相连；第一三相全桥整流电路和第二三相全桥整流电路串联连接，其特征在于，所述多脉波整流器还包括谐波注入电路，谐波注入电路由一个单相变压器和一个单相全桥整流电路组成，单相变压器由一个原边绕组和一个副边绕组组成；单相变压器原边绕组的一侧与两组三相全桥整流电路的中点相连，另一侧与第一直流侧电容和第二直流侧电容的中点连接，单相变压器副边绕组分别与单相全桥整流电路的输入端连接；单相全桥整流电路的输出端正极与第二三相全桥整流电路的负极相连，输出端负极与负载的负极相连；第一直流侧电容的正极与第一三相全桥整流电路的正极和负载的正极相连，负极与第二直流侧电容的正极以及两组三相全桥整流电路的中点相连；第二直流侧电容的负极与第二三相全桥整流电路的负极相连。
2.如权利要求1所述的使用直流侧无源谐波抑制方法的串联型多脉波整流器，其特征在于，移相变压器为隔离变压器，隔离变压器原、副边电气隔离；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，产生两组大小相等且相位相差30°的三相电压。
3.如权利要求1所述的使用直流侧无源谐波抑制方法的串联型多脉波整流器，其特征在于，第一三相全桥整流电路、第二三相全桥整流电路均采用不控整流器件。
4.如权利要求1所述的使用直流侧无源谐波抑制方法的串联型多脉波整流器，其特征在于，第一直流侧电容和第二直流侧电容为两个大小相等的电容。
5.如权利要求1所述的使用直流侧无源谐波抑制方法的串联型多脉波整流器，其特征在于，单相全桥整流电路由四个二极管组成。
6.如权利要求1所述的使用直流侧无源谐波抑制方法的串联型多脉波整流器，其特征在于，单相变压器的匝比为1.2:1。
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