CN1384579A - 40次以下低频对称谐波以及奇次谐波抑制器及其用途 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种40次以下低频对称谐波以及奇次谐波抑制器及其用途,它是由铁芯,初级绕组L₁,可以为一个或者n个的次级绕组L₂、L₃、…L_N,以及与L_N对应个数的谐振电容C₂、C₃、…C_N,所组成,谐振电容C₂、C₃、…C_N,的两端连接于次级绕组L₂、L₃、…L_N的两端,将电源导线连接本发明的初级绕组L₁的一端,将初级绕组L₁的另一端连接于负载,这就形成了磁耦合线性变压器二次谐振。本发明对家用电器,如洗衣机、空调器、电动跑步机等提供了一种低频对称谐波以及奇次谐波抑制器,使得负载>1Ω时的电器对低频段能够进行可靠滤波,而又不产生新的谐波源,影响电路。

Description

40次以下低频对称谐波以及奇次谐波抑制器及其用途

所属技术领域

本发明涉及一种谐波抑制器，具体说是一种低频谐波抑制器结构的改进及其用途。

背景技术

在家电、设备、电力电子负载电路中，一般采用标准滤波器，对一定频宽下的高次谐波进行带状滤波。但是这种装置，仅限于在低电流，高频段中使用。对于低频段，像100HZ，200HZ，300HZ等对称谐波以及150HZ，250HZ，350HZ等奇次谐波，则采用如图1所示的装置。图1给出对低频段谐波进行滤波的示意图，其中，X为负载，L，L’为电感，C，C’为电容。在负载的两导线各加一某一次的谐波的LC振荡电路，电容的一端接地，可以设置多次，使得在某次谐波下，LC阻抗为零，达到短路该次谐波电流的作用。

由于中国电网的工频为50HZ(有的国家为60HZ)，图1所示的装置，对于电网来讲是可行的，因为电网的电压为380/220V，电流很大，可以达到上千安培。若以2000安培为例：

电网的总负载为220V/1000A＝0.1Ω，

二次滤波：100HZ＝1/(2π√LC)，设定L＝12.67mH，C＝200μF，

在基波50HZ下，LC的阻抗等于

Z2＝|jωL+1/(jωC)|＝12Ω

即在二次振荡的LC在50HZ下的阻抗约为12Ω。当电流从电网进入用户时，从二次谐波电路分流的基波电流(50HZ)仅有1/120(假设负载为0.1Ω，虽然很大，但基本上不会影响电网的运行)。

但是，当负载不是很大时，例如负载为20Ω或10Ω时，二次滤波的阻抗与负载相当，那么，滤波器的消耗就太大了，就不具备使用价值了。例如，对于空调器，一般功率4000W，阻抗为24Ω左右，如使用上述二次LC滤波，电流损失非常大，空调器根本无法工作。

若既要做到二次谐振，又要使基波阻抗很大，就需要大电感，这样又不具备经济价值。因此，上述装置不适合小功率低频滤波。

图2给出一种Π型滤波电路，其中，X为负载，L，L’为电感，C，C’为电容。即在负载与电源的两导线之间各串联一电感，然后在两导线之间的电感的两端连接电容。图2’给出一种T型滤波电路，其中，X为负载，L，L’为电感，C，C’为电容。即在负载与电源的导线之间串联两个电感，然后在两电感之间与另一根导线之间连接一电容，在与负载的电感的一端与另一个导线之间连接导线，这两种电路也很难对某低于二次-40次的谐波起到很好的分离作用，可能解决了三次滤波，却增加了五次谐波，由于负载特性很复杂，无法对某一次低次谐波进行可靠的滤波，而且由于电容与电路直接连接，将会产生很大的脉冲电流，污染电路，该滤波器本身可能是谐波源，且滤波电路与负载直接电连接，无法实现多次低频选择。

由于低次谐波与基波频段十分接近，用以上的电路形式解决滤波问题时，基波有很大的分量通过滤波电路；而且，传统的滤波器通过电路连接，又产生新的谐波，因此，如何使得负载＞1Ω时的电器对低频段可靠滤波，而又不产生新的谐波源影响电路成为难点。

在本发明完成之前，尚未见到有与本发明相同的低频对称谐波以及奇次谐波抑制器在人们的日常生活中使用，而且应用于洗衣机、空调器或跑步机等家用电器，未见到有与本发明相同的低频对称谐波以及奇次谐波抑制器在市场上有销售，也未见到有与本发明相同的低频对称谐波以及奇次谐波抑制器在文献中有记载。

发明内容

本发明的目的在于对家用电器，如洗衣机、空调器、电动跑步机等提供一种低频对称谐波以及奇次谐波抑制器，使得负载＞1Ω时的电器对低频段能够进行可靠滤波，而又不产生新的谐波源，影响电路。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种40次以下低频对称谐波以及奇次谐波抑制器，其特征在于它是由铁芯，初级绕组L₁，可以为一个或者n个的次级绕组L₂、L₃、...L_N，以及与L_N对应个数的谐振电容C₂、C₃、...C_N，所组成，谐振电容C₂、C₃、...C_N，的两端连接于次级绕组L₂、L₃、...L_N的两端，

所说的初级绕组L₁的线径为0.5～3.5m/m C_U，还可以为0.6～4.0m/m Al，匝数为1～500匝，

所说的次级绕组L₂、L₃、...L_N的线径为0.1～3.0m/m C_U，还可以为0.6～4.0m/m Al，匝数为1～2000匝，

所说的谐振电容C₂、C₃、...C_N，额定电压为50V～1500V，定值为0.01PF～500μF且L_NC_N参数满足200≤1/√LnCn≤15000。

在上述技术方案中，在所说的次级绕组L₂、L₃、...L_N，以及与L_N对应个数的谐振电容C₂、C₃、...C_N之间还可以串联电阻R₂、R₃、...R_N，或开关K₂、K₃、...K_N。

在上述技术方案中，所说的铁芯为冷轧铁芯，也可以为热轧铁芯或由铁基微晶、纳米材料制成的铁芯。

在上述技术方案中，所说的铁芯带有缝隙，缝隙的宽度可以为0-10mm。

根据上述技术方案所制成的40次以下低频对称谐波以及奇次谐波抑制器，将其初级绕组L₁的一端连接电源导线，另一端连接于家用电器，如洗衣机，空调器或电动跑步机，用于对所说的家用电器，提供一种低频对称谐波以及奇次谐波抑制器，使得负载＞1Ω时的电器对低频段能够进行可靠滤波。

图3给出本发明的结构状态示意图；

图4给出本发明的结构(连接有电阻)以及工作原理示意图。

在图中，

X为负载，L为电感，L₂、L₃、...L_N为次级绕组，C₂、C₃、...C_N为谐振电容，P是本发明低频对称谐波以及奇次谐波抑制器，a，b是本发明接点。

将电源导线连接本发明的初级绕组L₁的一端，将初级绕组L₁的另一端连接于负载，这就形成了磁耦合线性变压器次级谐振。

当电流经过本发明40次以下低频对称谐波以及奇次谐波抑制器时，产生感应磁场，S侧为想要滤波的频率的谐振电路，比如二次滤波LC回路，L＝12.67mH，C＝200μF，L为次级线圈电感，即次级线圈与电容谐振。

当电流I经过回路时，

I＝I₁cos(ωt+α₁)+I₂cos(ωt+α₂)+...+I_ncos(ωt+α_n)

I₂＝I₂₁cos(ωt+α₁)+I₂₂cos(ωt+α₂)+...+I_2ncos(ωt+α_n)

U＝2πfL₁    L₁(原边电感)

I在铁芯中产生磁通

Φ＝Φ₁+Φ₂+Φ₃+…Φ_n

由于各次谐波对于各次磁通来讲势必产生激励，

以Φ₂为例，Φ流经二次回路时，

ε₂＝dΦ/dt除了Φ₂(二次磁通)外(假定L，C为理想状态下时)

Φ₂在L₂、C₂振荡下会产生大小相等方向相反的-Φ₂，由于谐振，二次回路将产生很大的谐振电流，该二次电流又会产生-Φ₂，-Φ₂又反作用于Φ，从而抑制了Φ由于二次分量受到的抑制。反映在电路中就是I中的分解I₂被抑制。

上述谐波抑制通过磁耦合实现，解决了低频滤波LC在基波下与负载阻抗可以比较而使得损耗很大的问题。

铁芯带缝隙，可以使电流经过时，B线性不饱和，保证原边I变化时，L₂，L₃，…L_n数据稳定，确保相应的电容在相应的频率下谐振。

根据负载实际谐波水平，依据以上分析，可以同时增加3次、4次甚至多次滤波。

下面分析电流在各次谐振电路中，基波在各次谐振中的电流情况(以下分析是在电感，电容皆在理想状态下的分析)：

V_n1＝n_n/n₁V₁      且    V₁＝L₁di₁/dt

I_n1＝n_n/n₁*L₁di₁/dt*jωC_n                         ③

且L₁/L_n＝n₁ ²/n_n ²     L₁＝n₁ ²/n_n ²L_n            ①

且假设L_n，C_n在n次谐振时

即√L_nC_n＝1/nω

   L_nC_n＝1/n²ω²                                     ②

将①，②代入③

I_n1＝n_n/n₁*di₁/dt*ωL_nC_n*n₁ ²/n_n ²

   ＝n₁/n_nω²I₁*1/n²ω²

   ＝1/n²*n₁/n_nI₁

其中，

ω＝2πf，f是基波频率，

I_mn：m次振荡回路中的n次电流，

I_n：负载流经的电流中n次分量，

Φ_n：磁场中的n次磁通分量，

n₁：原边匝数，

n₂：次边L匝数，

n_n：n次振荡的n匝数，

L₁：原边电感，

L_n：次边n次谐振电感，

振荡回路谐振次数越高，回路中的基波电流越小，且该电流与n₁/n_n成正比，如果想要提高功率，可以使n₁/n_n尽量的小。

由于2次以上谐波分量电流一般相对与基波较小，所以n次振荡中主要为I≈1/n*(n₁/n_n)I₁+(n次振荡电路)由此可以通过改变n₁/n_n的匝数以及相应的谐波次数来选择不同的LC参数。

由于此回路皆采用线形元件，且I_nn电流产生的反向磁场抑制了主电路中的n次分量，而且抑制是通过磁路抑制，并未影响电路特性，从而起到抑制低频谐波电流的效果，同时通过电磁耦合对n次谐波抑制之外，对n次频率附近的谐波也起到抑制作用。

对于三相电源，本发明同样适用。将本发明的原边绕组的两端分别接入三相电源的三根导线和负载之间。

图5给出本发明在三相电源电路中的连接状态示意图。

在有可能某次回路中出现大电流的情况下，视情况可以在L_n与C_n之间串联一个电阻R_n，以降低电流；有时也会因为控制需要，在L_n与C_n之间串联开关K_n。

本发明有下面一些作用和积极效果：

本发明对家用电器，如洗衣机、空调器、电热水器等提提供了一种低频对称谐波以及奇次谐波抑制器，该发明使得负载＞1Ω时的电器对低频段能够进行可靠谐波抑制，而又不产生新的谐波源，影响电路。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明的结构作进一步详细的说明：

图3给出本发明的结构状态示意图；

图4给出本发明的结构(连接有电阻)以及工作原理示意图。

具体实施方式

实施例1：

图3给出本发明的实施例1的结构状态示意图；

图4给出本发明(连接有电阻)的实施例1的结构以及工作原理示意图；

一种40次以下低频对称谐波以及奇次谐波抑制器，它是由铁芯，初级绕组L₁＝5.8mH，L₁Φ为1.8m/m C_U，45匝，次级绕组L₂＝11.8mH，L₂Φ为1.0m/m C_U，64匝，以及谐振电容C₂＝215μF组成，1/√L₂C₂≈2*3.14*100Hz，该负载为青岛海尔空调器有限公司生产的KF-50LW商用吊顶式定频空调，检验标准采用IEC1000-3-2/EN61000-3-2，检验仪器为Agilent6843谐波分析仪。

	未加谐波抑制器	加二次谐波抑制器	比较
				输入功率	1360.6W	1385.7W
输入电压	228.6V	228.6V
				功率因数	95％	96.5％	功率因数提高
Ithd	18.37％	11.13％	波形失真度下降
				RSMI	6.3A	6.3A
I1(基次)	5.6264A	5.8329A
				I2(二次)	0.7942A	0.0894A	二次电流降↓
I3(三次)	0.7862A	0.5644A
				I4(四次)	0.1328A	0.1353A
I5(五次)	0.1634A	0.1665A

由上面可知，针对二次谐波的抑制器效果非常明显。

Claims (5)

1.一种40次以下低频对称谐波以及奇次谐波抑制器，其特征在于它是由铁芯，初级绕组L₁，可以为一个或者n个的次级绕组L₂、L₃、...L_N，以及与L_N对应个数的谐振电容C₂、C₃、...C_N，所组成，谐振电容C₂、C₃、...C_N，的两端连接于次级绕组L₂、L₃、...L_N的两端，所说的初级绕组L₁的线径为0.5～3.5m/m C_U，还可以为0.6～4.0m/m Al，匝数为1～500匝，所说的次级绕组L₂、L₃、...L_N的线径为0.1～3.0m/m C_U，还可以为0.6～4.0m/m Al，匝数为1～2000匝，所说的谐振电容C₂、C₃、...C_N，额定电压为50V～1500V，定值为0.01PF～500μF，且L_N，C_N参数满足200≤1/√LnCn≤15000。

2.根据权利要求1所述的40次以下低频对称谐波以及奇次谐波抑制器，其特征在于在所说的次级绕组L₂、L₃、...L_N，以及与L_N对应个数的谐振电容C₂、C₃、...C_N之间还可以串联电阻R₂、R₃、...R_N，或开关K₂、K₃、...K_N。

3.根据权利要求1所述的40次以下低频对称谐波以及奇次谐波抑制器，其特征在于所说的铁芯为冷轧铁芯，也可以为热轧铁芯或由铁基微晶、纳米材料制成的铁芯。

4.根据权利要求1所述的40次以下低频对称谐波以及奇次谐波抑制器，其特征在于所说的铁芯带有缝隙，缝隙的宽度可以为0-10mm。

5.根据上述技术方案所制成的40次以下低频对称谐波以及奇次谐波抑制器，其特征在于所说的40次以下低频对称谐波以及奇次谐波抑制器主要用于洗衣机，空调器或电动跑步机。

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