CN201345545Y - 并联谐振基波检测的电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及并联谐振基波检测的电路，由一谐振电抗器、电阻和一个谐振电容器构成，谐振电抗器与电阻串联后与谐振电容器并联，且谐振电抗器的基波品质因数Q＝3～40，电感L＝0.020～0.400H。本实用新型采用并联LC谐振电路检测基波，元件均为无源元件且线性度好，因此这种电路简单可靠，具有很高的精度和较快的动态响应。

Description

并联谐振基波检测的电路

技术领域

本实用新型涉及电力谐波治理领域，具体的涉及到有源滤波器中的并联谐振基波检测的电路。

背景技术

在人们提出的各种有源电力滤波器中，基波或谐波检测是有源滤波器能否实用化的关键技术之一。目前研究最为广泛的基波或谐波检测方案是基于瞬时无功功率理论的检测方法，这种检测方案是基于三相系统而提出的，它假设系统电压是纯正弦波，该假设在有大负载谐波源的地方往往不容易满足，而且该方案要经过几次坐标变化的计算和一个低通滤波器的滤波，实现起来比较复杂。除此之外，还有采用傅立叶分析或FFT的方法，但是傅立叶分析先采样一个整周期，通过计算得到其中的基波信号，计算量大，必须采用计算机或DSP才能完成；而且必须与电网频率严格同步，一般适合于作离线的谐波分析。这些数字化的基波或谐波检测方法都存在实现起来复杂的缺点。

发明内容

本实用新型的目的为了解决这些数字化的基波或谐波检测方法都存在实现起来复杂的缺点，而提供一种并联谐振基波检测的电路，采用这种LC并联谐振电路检测基波，元件均为无源元件且线性度好，因此这种电路简单可靠，具有很高的精度和较快的动态响应。

具体的技术方案是：并联谐振基波检测的电路，由一谐振电抗器、电阻和一个谐振电容器构成，其特征在于：谐振电抗器与电阻串联后与谐振电容器并联，且谐振电抗器的基波品质因数Q＝3～40，电感L＝0.020～0.400H。

通过设计使并联谐振电路对所调谐的频率谐振，从而对50Hz呈现很高的阻抗，而对50Hz以外的所有低次和高次谐波均呈现很低的阻抗，当被检测电流信号经过该并联谐振电路时，则基波的幅值大大高于其他次谐波的幅值，从而将基波分离出来。根据图1，1为电抗器的电感量，r为电抗器中的电阻量，Q为电抗器的基波品质因数，其值Q＝ωl/r，c为谐振电容器电容量。设一含有谐波的电流信号经过Hall电流互感器的输出电流为i_s，则电流信号由基波和n次谐波电流组成，即i_s＝i₁ ⁽¹⁾+∑i₁ ⁽ⁿ⁾。则从MN端看进去，该网络的阻抗为：

$Z_{\mathrm{MN}}\left(\mathrm{j\ω}\right)=\frac{(\frac{\mathrm{\ωl}}{Q}+\mathrm{j\ωl})\frac{1}{\mathrm{j\ωc}}}{\frac{\mathrm{\ωl}}{Q}+\mathrm{j\ωl}+\frac{1}{\mathrm{j\ωc}}}=\frac{\mathrm{\ωl}(1+\mathrm{jQ})}{j{\mathrm{\ω}}^2\mathrm{lc}+Q(1-{\mathrm{\ω}}^2\mathrm{lc})}$

$=\mathrm{\ωl}\frac{Q+j[Q^2(1-{\mathrm{\ω}}^2\mathrm{lc})-{\mathrm{\ω}}^2\mathrm{lc}]}{{\mathrm{\ω}}^4{l}^2{c}^2+Q^2{(1-{\mathrm{\ω}}^2{l}_x{c}_x)}^2}$

谐振时有 $\frac{Q^2(1-{\mathrm{\ω}}^2\mathrm{lc})-{\mathrm{\ω}}^2\mathrm{lc}}{{\mathrm{\ω}}^4{l}^2{c}^2+Q^2{(1-{\mathrm{\ω}}^2{l}_x{c}_x)}^2}=0$ 即Q²(1-ω²lc)＝ω²lc

从此式可解得 ${\mathrm{\ω}}_0=\frac{1}{\sqrt{\mathrm{lc}}}\sqrt{\frac{Q^2}{1+Q^2}}$

并联谐振电路的谐振频率为： $f_0=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{\mathrm{lc}}}\sqrt{\frac{Q^2}{1+Q^2}}$

则谐振时的阻抗为： $Z_{\mathrm{MN}}\left({\mathrm{j\ω}}_0\right)=\frac{{\mathrm{\ω}}_0\mathrm{lQ}}{{\mathrm{\ω}}_0^4{l}^2{c}^2+({\mathrm{\ω}}_0^4{l}^2{c}^2/Q^2)}=\frac{Q}{{\mathrm{\ω}}_{0}c}=\frac{l}{\mathrm{rc}}$

从上面的分析可以看出，电路的谐振频率完全由电路的参数来决定。当选择谐振电路参数，使其在基波频率处谐振，即f₀＝50Hz，则该网络的基波阻抗即为式(5)所示，该阻抗系一个纯电阻。当此电路对基波谐振时，Q²(1-ω₀ ²lc)＝ω₀ ²lc，考虑到一般情况下Q²远大于1，则1≈ω₀ ²lc。在此情况下可以认为1＜＜n²ω₀ ²lc。而该并联谐振电路对n次谐波的阻抗的幅值为：

$\left|Z\left(\mathrm{jn}{\mathrm{\ω}}_0\right)\right|=\left|\frac{n{\mathrm{\ω}}_{0}l(1+\mathrm{jQ})}{{\mathrm{jn}}^2{{\mathrm{\ω}}_0}^2\mathrm{lc}+Q(1-n^2{{\mathrm{\ω}}_0}^2\mathrm{lc})}\right|\≈\mathrm{n\ωl}\left|\frac{\sqrt{1+Q^2}}{\sqrt{n^4{{\mathrm{\ω}}_0}^4{l}^2{c}^2+Q^2{n}^4{{\mathrm{\ω}}_0}^4{l}^2{c}^2}}\right|$

而分母1＜＜Q²

则有 $\left|Z\left(\mathrm{jn}{\mathrm{\ω}}_0\right)\right|\≈{\mathrm{n\ω}}_{0}l\frac{Q}{Q{n}^2{{\mathrm{\ω}}_0}^2\mathrm{lc}}=\frac{1}{n{\mathrm{\ω}}_{0}c}$

在此情况下，基波和谐波的阻抗比为： $\left|\frac{Z\left({\mathrm{jn\ω}}_0\right)}{Z\left({\mathrm{j\ω}}_0\right)}\right|\≈\frac{1}{{\mathrm{n\ω}}_{0}c}/\frac{Q}{{\mathrm{\ω}}_{0}c}=\frac{1}{\mathrm{nQ}}$

本电路设计的电路参数为：电抗器的电感实测值L＝0.02352H；电抗器上的电阻r＝1.504Ω；则电抗器的基波品质因数Q＝4.91，电容实测值c＝416.5μF。

本实用新型采用并联LC谐振电路检测基波，元件均为无源元件且线性度好，因此这种电路简单可靠，具有很高的精度和较快的动态响应。

附图说明

图1为本实用新型的电路连接示意图。

图2为触发角为54度被检测前和检测后电流波形图。

图3为触发角为72度被检测前和检测后电流波形图。

图4为触发角为108度被检测前和检测后电流波形图。

图5为突然加载时检测电路的动态响应图。

具体实施方式

结合附图对本实用新型作进一步的描述。

如图1所示，本实用新型由一谐振电抗器、电阻和一个谐振电容器构成，谐振电抗器与电阻串联后与谐振电容器并联，且谐振电抗器的电感、电阻、谐振电容器分别0.02352H、1.504Ω、416.5μF。

将上述电路用到一套单相全自动串联型有源电力滤波装置中，该实验装置选择了山东淄博临淄银河高技术有限公司的MJYD-ZL-100型晶闸管智能模块带电阻负载作为谐波源，这种谐波源主要用于电炉、电解和电镀领域。与一般的可控整流桥后面带阻感负载相比，这是一种谐波含量变化更大的谐波源，滤波更加困难。应用与上述仿真参数一致的谐振参数进行实验，在稳态工作时，该装置的滤波效果极好，流入系统的谐波畸变率小于1％。为了验证这种检测电路的效果，特选取未加任何滤波器时的信号作为被检测信号(该信号的谐波畸变率最大)，并记录了部分典型波形。如图2、图3、图4触发角分别为54、72和108度系统电流信号(被检测信号)和检测出来的基波信号(为了观察方便，特地将检测出的基波信号反相位)，三个图中被检测的信号均为c1，检测出来的基波信号均为c2。三种情况下的谐波分析结果如表1，从表中可以看出该谐振电路能很好地检测出基波信号。需要强调的是该检测电路是无源滤波器和有源滤波器未投入时检测出来的波形，实际应用时，加入无源滤波器后的系统电流信号谐波畸变率将有很大改善；当加入基于基波磁通补偿的有源电流滤波器，系统的电流(即被检测电流)会有更大改善，检测出来的电流基本只有基波信号，利用基波电流信号进行磁通补偿，则系统电流基本不含谐波，再检测系统电流，再进行磁通补偿，几个周期之后，系统的电流完全只有基波，检测出来的信号也只有基波成分。上面是本文特地选用的一种谐波含量很重的谐波源进行实验的结果，在实际应用中，只要谐波源电流变化不是特别快，对于一般的谐波源，应用本文的采用LC谐振的基波检测方法都可以方便有效地检测出基波信号。对谐波负载频繁变化，本文的检测方法的实时性稍差。为了验证该谐振电路的动态响应，本文特的观察了当负载变化时的被检测及检测出来的信号如图5从图中可以看出，当原始信号变化时，实时响应速度比较快。响应时间大约为60ms。

表1为触发角变化时检测前后的各次谐波百分数。

本实用新型采用并联LC谐振电路检测基波，元件均为无源元件且线性度好，因此这种电路简单可靠，具有很高的精度和较快的动态响应。

Claims (1)

1、并联谐振基波检测的电路，由一谐振电抗器、电阻和一个谐振电容器构成，其特征在于：谐振电抗器与电阻串联后与谐振电容器并联，且谐振电抗器的基波品质因数Q＝3～40，电感L＝0.020～0.400H。

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