CN201860110U - 基于绝缘栅双极晶体管的动态谐波滤波器 - Google Patents

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陈静
袁佑新
林海平
谭思云
肖义平
罗爱军
胡红明
常雨芳
刘铭洋
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Abstract

本实用新型是基于绝缘栅双极晶体管的动态谐波滤波器，其包括电流和电压传感器（3）、智能绝缘栅双极晶体管控制器（4）、绝缘栅双极晶体管与二极管反并联电路（5）、电容器组（8）和可变电抗器，其中：可变电抗器一次绕组的一端与电容器组串联；绝缘栅双极晶体管与二极管反并联电路的两接线端分别与可变电抗器控制绕组的两端相连接构成回路；当电容器组的容抗发生变化时，智能绝缘栅双极晶体管控制器根据电流和电压传感器采集到的电压和电流信号产生相应的PWM波信号来控制两个绝缘栅双极晶体管的开通与关断，动态地调整可变电抗器一次绕组的电感，在谐波频率下，构成吸收谐波的低阻抗回路。本实用新型可减少谐波对电气设备的危害。

Description

基于绝缘栅双极晶体管的动态谐波滤波器
技术领域
本实用新型涉及滤波器，特别是一种基于绝缘栅双极晶体管（IGBT）的动态谐波滤波器。
背景技术
随着工业技术的迅猛发展，诸多非线性负荷产生大量谐波，这对公用电网是一种污染，它使用电设备所处的环境恶化，引起无功补偿电容器谐振和谐波放大，导致电容器因过电流或过电压而损坏或无法投入运行。这些危害使我们认识到电力谐波进行治理刻不容缓。
目前，采用安装谐波滤波器方案来治理谐波的方案已经受到广泛的关注。例如：在中国专利CN200480021730.4中，是一种有源滤波器其价格高，容量小，当前常见的有源滤波容量不超过600kvar，其运行可靠性也不及无源滤波器。中国专利CN200620097951.6提出了一种谐波滤波器，它的电抗器的感抗和电容器的容抗都是经过计算后精确设定的，在滤波器投入运行过程中是固定不变的。可是当滤波器使用时间长了，电容容量会变小，谐振的频率产生漂移，实际的滤波频率和预先设定的不一致而影响滤波精度和滤波效果。
本申请者申请了专利“动态谐波滤波器（申请号：200910063641.0）”，是一种无源调谐滤波器，它采用的可变电抗器副边的电抗控制器主要由电力电子开关器件及微处理器组成，其中电子开关器件选用晶闸管。采用反并联晶闸管的可变电抗器相比前面提到的专利，可以动态的滤除谐波。能保持滤波频率始终不变，从而使滤波精度和滤波效果效果不受影响。然而不足的是，采用晶闸管反向并联组成的相控功率变换单元输入谐波严重，功率因数低。这是由相控的本质决定的，因为交流电源每半个周期中开关器件晶闸管仅导通一次，半控型开关特性决定了它一旦导通就不能自行关断的特性，要关断须设置强迫关断电路，即换流电路，因而交流电流中含有大量的低次谐波，这都是晶闸管移相控制所致。这种滤波器本身产生大量不易滤去的低次谐波，滤波效果不好。
因此，在满足“动态”滤除谐波的基础上，设计一种本身产生谐波少，滤波效果好的滤波器尤为重要。
发明内容
本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种基于绝缘栅双极晶体管的动态谐波滤波器，不仅解决传统在谐波频率下电容器容量发生变化，电抗器的感抗又固定不变，导致实际的滤波频率和预先设定的不一致而影响滤波精度和滤波效果的问题，同时解决将晶闸管半空器件作开关器件时产生大量谐波的问题。
本实用新型解决其技术问题采用的技术方案是：主要由电流和电压传感器、智能绝缘栅双极晶体管控制器、绝缘栅双极晶体管与二极管反并联电路、可变电抗器一次绕组、可变电抗器控制绕组和电容器组组成。其中：可变电抗器一次绕组的一端与电容器组串联；绝缘栅双极晶体管与二极管反并联电路的两接线端分别与可变电抗器控制绕组的两端相连接构成回路；当电容器组的容抗发生变化时，智能绝缘栅双极晶体管控制器根据电流和电压传感器采集到的电压和电流信号，分析计算后产生相应的PWM波信号来控制两个绝缘栅双极晶体管的开通与关断时间，动态地调整可变电抗器一次绕组的电感，在谐波频率下，构成吸收谐波的低阻抗回路。
所述的电容器组可由一组电容容量不同的电容器并联组成，每一个电容器支路上都串联一个快速熔断器和电容接触器。
本实用新型与现有技术相比具有以下优点：
1. 采用无源滤波电路，该无源滤波电路是一种由电抗器和电容串联组成谐振电路，其相对于有源滤波器不仅结构简单，而且价格低廉。
2. 采用的电抗和电容均可调，能够保证谐振频率始终不变，因此滤波效果和精度均能得到保证。
3. 功率变换单元采用IGBT和二极管反并联，IGBT是全控型器件，通过在门极加驱动信号，控制其开通与关断。如果给IGBT高频开关信号，则在一个周期内全控开关器件高频关断，产生的谐波频率很高，极易滤去，从而使谐波大大减少。而控制IGBT开通与关断的PWM波是由智能绝缘栅双极晶体管控制器产生，其占空比连续可调，整个过程高效、准确。
总之，本实用新型能够克服谐波危害，补偿无功功率，提高电能质量，特别是在滤波器使用时间长了电容器容量发生变化时，实现动态地调节可变电抗器的电感来稳定谐振频率，并且本身产生很少谐波。
附图说明
图1是本实用新型的基于IGBT的动态谐波滤波器的电路简图。
图中：1.隔离开关； 2.快速断路器； 3.电流和电压传感器； 4.智能绝缘栅双极晶体管控制器； 5.绝缘栅双极晶体管与二极管反并联电路； 6.可变电抗器一次绕组； 7.可变电抗器控制绕组； 8.电容器组； 9.快速熔断器； 10.电容接触器； 11.电容器。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步说明，但不限定本实用新型。
本实用新型提供的基于绝缘栅双极晶体管的动态谐波滤波器，其结构如图1所示，该动态谐波滤波器主要由电流和电压传感器3、智能绝缘栅双极晶体管控制器4、绝缘栅双极晶体管（IGBT）与二极管反并联电路5、可变电抗器一次绕组6、可变电抗器控制绕组7和电容器组8组成。其中：可变电抗器一次绕组6的一端与电容器组8串联；IGBT与二极管反并联电路5的两接线端分别与控制线圈的两端相连接构成回路；多组快速熔断器9、电容接触器10与电容器11的串联电路经过并联后形成电容器组8。当电容器组的容抗发生变化时，智能绝缘栅双极晶体管控制器4根据电流和电压传感器3采集到的电压和电流信号，分析计算后产生相应的PWM波信号来控制IGBT1和IGBT2，动态地调整可变电抗器一次绕组6的电感，在谐波频率f下，构成一低阻抗回路以吸收谐波。当PWM波频率很高时，IGBT产生的谐波很少。
所述电容器组8，可由一组电容容量不同的电容器11并联组成，每一个电容器支路上都串联一个快速熔断器9和电容接触器10，根据滤波需要将电容接触器10接通或者断开，来控制电容器组8的投入和切除，从而实现本动态谐波滤波器的电容容量的动态调节。
所述可变电抗器为一感抗可调的电抗器，由可变电抗器一次绕组6、可变电抗器控制绕组7、绝缘栅双极晶体管与二极管反并联电路5组成，耐压性好。当电容器组8的容抗XC发生变化时，智能绝缘栅双极晶体管控制器4产生PWM波信号来控制IGBT1和IGBT 2，改变流经可变电抗器控制绕组7的电流，从而改变可变电抗器一次绕组6与可变电抗器控制绕组7之间产生的互感量，使得可变电抗器一次绕组6的感抗XL可动态调整，保持滤波频率始终一致，从而使滤波效果不受影响。
本实用新型提供的图1所示的以上元器件市面上都可以购买到，如：快速断路器2（QF），可采取德力西公司的DZ20Y-225/3320，快速熔断器9（FS）可选用RS32，电容接触器10（KM）可选用LC1D-K系列，电容器11可选用AKMJ。IGBT1和IGBT2可采用西门子IGBT，并且IGBT作开关器件时产生的谐波频率很高，也极易滤去，从而大大减少谐波。
智能绝缘栅双极晶体管控制器4可以选用智能绝缘栅双极晶体管控制器（专利号：200920229072.8）。
所述智能绝缘栅双极晶体管控制器4的作用是：当电容器11的容抗XC发生变化时，根据电流和电压传感器3采集到的电压和电流信号，分析计算后产生相应的PWM波信号来控制两个绝缘栅双极晶体管与二极管反并联电路5的开通与关断时间，动态地调整可变电抗器一次绕组6的电感，在谐波频率下，构成吸收谐波的低阻抗回路。
本实用新型提供的基于IGBT的动态谐波滤波器，应用时经过隔离开关1和快速断路器2连接至电网中，可以动态的吸收谐波，具体是：当电容器容量发生变化时，能够动态地调节可变电抗器一次绕组6的电感来稳定谐振频率，同时降低谐波对电气设备的危害，并且提高电气设备在电网中运行的效率和使用寿命。所述电气设备是指变压器、电力电缆、电动机、控制系统或通信系统。
下面结合图1简述本实用新型基于IGBT的动态谐波滤波器的工作过程。
本实用新型可动态实时的投入和切除电容器11，实现本动态谐波滤波器的电容容量的动态调节；当电容器组8的容抗XC发生变化时，可变电抗器一次绕组6的感抗XL可动态调整，保持滤波频率始终一致，从而使滤波效果不受影响。在谐波频率f下，构成一低阻抗回路以吸收谐波。
当电容器组8的容量发生变化时，例如随温度变化和时间推移，电容器组8的容量变小，容抗XC变大，若电感L不变，则实际谐振频率f 0=1/(                                               
Figure 2010205904052100002DEST_PATH_IMAGE002
)将变大，滤波效果将受到较大的影响。但是本动态谐波滤波器将改善这种情况，当电容器组8的容抗XC发生变化时，智智能绝缘栅双极晶体管控制器4调整PWM占空比，产生相应的PWM信号，来控制IGBT的开通与关断时间，同时可变电抗器控制绕组7在IGBT与二极管反并联电路5的作用下开启，改变流经控制线圈7的电流，可变电抗器控制绕组7和可变电抗器一次绕组6产生的互感量发生变化，从而可动态调整可变电抗器一次绕组6的感抗XL，使得可变电抗器一次绕组6的感抗XL变大，那么可变电抗器一次绕组6的电感L变大，使得LC的乘积不变，这样就能保持滤波频率f 0始终不变，从而使滤波精度和滤波效果效果不受影响。

Claims (3)

1.一种基于绝缘栅双极晶体管的动态谐波滤波器，其特征在于该动态谐波滤波器主要由电流和电压传感器（3）、智能绝缘栅双极晶体管控制器（4）、绝缘栅双极晶体管与二极管反并联电路（5）、可变电抗器一次绕组（6）、可变电抗器控制绕组（7）和电容器组（8）组成，其中：可变电抗器一次绕组（6）的一端与电容器组（8）串联；绝缘栅双极晶体管与二极管反并联电路（5）的两接线端分别与可变电抗器控制绕组（7）的两端相连接构成回路；当电容器组的容抗发生变化时，智能绝缘栅双极晶体管控制器（4）根据电流和电压传感器（3）采集到的电压和电流信号，分析计算后产生相应的PWM波信号来控制两个绝缘栅双极晶体管的开通与关断时间，动态地调整可变电抗器一次绕组（6）的电感，在谐波频率下，构成吸收谐波的低阻抗回路。
2.根据权利要求1所述的基于绝缘栅双极晶体管的动态谐波滤波器，其特征在于所述的电容器组（8）由一组电容容量不同的电容器（11）并联组成。
3.根据权利要求2所述的基于绝缘栅双极晶体管的动态谐波滤波器，其特征在于所述的电容器组（8）中，每一个电容器支路上都串联一个快速熔断器（9）和电容接触器（10）。
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