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三相半桥并联整流系统网侧谐波的直流侧抑制技术研究

时间:2018-01-18 18:20来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是电力工程论文,本文分析环流参数对磁性器件容量的影响,给出抑制网侧谐波后整流单元的输出电压和电流,然后在此基础上,推导系统中变压器和平衡电抗器的等效容量。
第 1 章 绪论
 
1.1 课题研究的背景及意义
功率半导体开关器件和控制技术的进步,使得电力电子技术得到迅速发展。各种电力电子变流装置在国民经济各领域中取得了广泛的应用,在节约能源、提高生产效率和产品质量等方面起着重要作用[1]。随着大功率电力电子设备的普及应用,随之产生的各种电能质量问题引起国内外学者的高度重视,改善电能质量的新技术已成为电气工程学科的一个重要研究课题之一[2-3]。工频整流器具有结构简单,可靠性高和过载能力强等优点,常常作为大功率工业电子设备从电网中获取能量的接口,但整流器件的强非线性会使其产生严重的谐波污染,成为电网的主要谐波污染源。谐波不仅降低电能的产生、传输和利用效率,而且增加了设备的损耗和绝缘应力[4-6]。为了给抑制谐波提供指导,国际电工委员会(International Electrotechnical Commission, IEC)以及美国电子电气工程师协会(Institute of Electrical and Electronics Engineers,IEEE)等组织分别制定了相关标准并给出了指导意见[7-12]。在此基础上,国内外学者提出了各种谐波抑制方法。总体而言,解决工频整流器电流谐波污染问题的主要方法有两种:一种是被动谐波治理方法,通过配置谐波补偿装置来补偿整流器产生的电流谐波,例如装设各种有源、无源以及混合型电力滤波器来补偿电流谐波,这些方法属于补偿性方案,不会改变工频整流器的输入电流特性[13-23]。很多工业场合,为了补偿整流器产生的输入电流谐波,滤波器的功率等级与整流系统的功率等级相差不大,因此装设谐波补偿装置不仅会增加成本、加大系统损耗,还会增加元器件个数从而降低系统可靠性。另一种是主动谐波抑制方法,通过对整流器结构的改进使整流器不产生谐波,从谐波产生的根源处消除谐波,该方法又分为PWM 整流技术[24-27,103-105]和多脉波整流技术。PWM整流器具有良好的控制特性和高功率密度,已经在中、小功率系统中得到了大量应用,但其功率器件的开关损耗较大,而且过载能力也较差。相比之下,多脉波整流器具有低复杂度、高可靠性、高变换效率和过载能力强等优点,被广泛应用于大功率工业场合。但常规多脉波整流器只能抑制有限次数的低次电流谐波,而对因抑制了低次谐波而有所增加的高次谐波无能为力,而且随着整流器脉波数的增多,移相变压器变得复杂,增加了制造难度。为此,按照从谐波产生的源头进行谐波抑制的思路,在充分发挥常规多脉波整流技术原有优势的前提下有效抑制网侧输入电流谐波,多脉波整流系统的直流侧抑制网侧谐波技术被提出。该技术具有电路结构简单,控制方便和谐波抑制效果显著等优点,引起了国内外学者广泛关注。
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1.2 多脉波整流技术的发展概述
在需要大功率直流电源的工业应用中,多脉波整流技术是一种非常有效的谐波抑制方法,它通过细分整流桥输入电压相数并进行移相多重联结,来抵消网侧输入电流中的某些特征次谐波,达到抑制网侧电流谐波的目的[35-40]。考虑到系统的复杂程度、体积重量和成本,实际工业应用中多脉波整流电路的脉波数通常不大于 30,下面对一些典型的多脉波整流电路进行介绍。图 1-1 给出了四种典型的隔离型 12 脉波整流电路,它们主要用于交直流侧电压相差较大的场合,变压器一方面调节电压以满足工业要求,一方面用以隔离交直流侧电压。图 1-1 a)是一种常见的隔离型 12 脉波整流电路。变压器绕组采用 Δ / Δ Y联结,为整流桥提供两组相位差 30°的输入电压。平衡电抗器吸收两组整流桥输出电压的瞬时差,保证两组整流桥同时工作。该电路可以完全消除输入电流中的 5 次和 7 次谐波,获得 12 台阶波的输入电流和 12 脉波的输出电压,与常规三相桥式整流电路相比,输入电流谐波降低一倍,输出电压纹波减小为原来的四分之一,但对变压器绕组匝比的设计精度要求较高[41]。图 1-1 b)为一种对称性较好的隔离型 12 脉波整流电路,它的变压器原边绕组采用串并联结构的Δ联结,副边绕组采用多边形联结方式,通过这种联结不仅可以给整流桥提供两组相位差30o的输入电压,而且强迫流过整流桥的电流相同,因而可以省去平衡电抗器,减少整流电路中元件的数量,降低整流电路的复杂程度[42-43]。图 1-1 c)为一种适用于低压大电流场合的 12 脉波半桥整流电路,它由两组双反星形整流电路经平衡电抗器并联而成,其中一个双反星形变压器原边绕组接成Δ形,另一个双反星形变压器原边绕组接成Y形,通过这种联结实现了两组双反星形整流电路输入电压相位差30o。该 12 脉波半桥整流电路的电流回路仅有一个管压降,因而具有更低的导通损耗和更高的能量转换效率,但它需要两个变压器、4 组整流桥和 3 个平衡电抗器,电路元件多,结构较复杂[44]。为了减少图 1-1 c)所示 12 脉波半桥整流电路中磁性元件的数量,图 1-1 d)给出了一种变压器副边绕组具有 12 相输出的整流电路。该电路中变压器的副边绕组输出电压依次相差30o,经二极管整流后能够获得一种 12 脉波半桥整流器。与图 1-2 c)相比,系统的磁性元件减少了四个,但具有多边形副边绕组的变压器设计制造较为复杂,不易保持良好的对称性[45]。
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第 2 章 新型脉波倍增电路的谐波抑制机理
 
增加整流器的脉波数是一种减少输入电流谐波的有效方法。目前增加整流器脉波数的途径主要有两种:一种是通过增加移相变压器或移相绕组的个数,对整流电路进行移相多重联结,以实现对整流器脉波数的增倍,但该方法不仅增加了整流系统的复杂程度而且由于移相变压器或移相绕组个数的增加使得相间参数对称性难以保证,进而产生非特征次谐波;另一种是通过增加平衡电抗器的抽头个数,利用抽头上整流元件的换流作用,达到倍增整流器的脉波数的目的。但是,抽头上的整流元件串联在负载回路,额外多出一个二极管压降,加大了整流器系统的导通损耗。为了解决现有方法存在的问题,发明了一种由带副边绕组的平衡电抗器和单相全波整流器(Single-phase Full-wave Rectifier,SFR)构成的新型直流侧脉波倍增电路,称之为带副边绕组及全波整流器的平衡电抗器(Secondary-side Full-wave Rectification Inter-phase Reactor, SFRIR)。因SFRIR 中的 SFR 与负载并联,消除了二极管串联在负载回路中产生的损耗,所提出的直流侧新型脉波倍增方法更适用于低压大电流工业场合。为了明确直流侧新型脉波倍增方法的谐波抑制机理,本章首先讨论了SFRIR 工作的必要条件,然后详细分析了 SFRIR 的工作模态,建立了 SFRIR匝比与网侧输入电流之间的数学模型,随后分析了直流侧环流在交流侧的作用形式,明确了环流的脉波倍增谐波抑制的机理,给三相半桥并联整流系统的直流侧无源谐波抑制提供理论依据。
 
2.1 基于 SFRIR 的三相半桥整流电路
基于 SFRIR 的三相半桥并联整流电路如图 2-1 所示,它由移相变压器、整流单元和 SFRIR 组成,与常规三相半桥并联整流系统相比除了平衡电抗器被SFRIR 替代外,其他部分相同。SFRIR 由带副边绕组的平衡电抗器和 SFR 组成,SFRIR 在系统中主要起到两个作用:(1) 当 SFR 处于截止状态时,SFRIR 吸收两组整流单元输出电压的瞬时值之差,使它们的输出电压瞬时值相等,保证两组并联整流单元独立工作,平均分配负载电流,实现整流单元并联工作的目的;(2) 当 SFR 处于导通状态时,SFRIR 与其中一个整流单元共同为负载供电,并对该整流单元的输出电流和输出电压进行调节,增加它的输出模态,为实现整流电路的脉波倍增提供条件。考虑到系统的复杂程度、转换效率和成本,实际工业应用中,主要采用双反星形与四星这两种结构的三相半桥并联整流电路,因此本文主要对这两种整流电路进行研究,其他类型的三相半桥并联整流电路可以进行类似分析。当图2-1 中的整流单元由单个三相半波整流桥构成时,三相半桥并联整流电路为带SFRIR 的新型双反星形整流电路;当图 2-1 中的整流单元由两个三相半波整流桥与一个常规的平衡电抗器组合而成时,三相半桥并联整流电路为带 SFRIR的新型四星整流电路。由于四星整流电路较双反星形整流电路具有更低的输入电流谐波和输出电压纹波,其实际应用更为广泛,因而本文主要以四星整流电路为例进行各种分析。随后在上面分析的基础之上,给出三相半桥并联整流电路为双反星形整流电路时的对应结果。
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2.2 SFRIR 的工作模式分析
图 2-1 中 SFR 能够正常导通是实现脉波数倍增的前提条件,而 SFR 能否正常导通由其输入电压与整流电路输出电压的关系决定。为了确保 SFR 能够正常导通,SFR 输入电压的最大值应该不小于整流电路输出电压的最小值。SFR 的输入电压由带副边绕组的平衡电抗器匝比决定,为了保证 SFR 能正常导通,带副边绕组的平衡电抗器的匝比应该足够大。下面以四星整流电路为例,分析使 SFR 能够正常导通的 SFRIR 临界匝比。图 2-2 为直流侧带 SFRIR 的新型四星整流电路。根据 SFR 输入电压与整流系统输出电压的关系,SFRIR 具有三种工作模态。由于双反星形与四星整流电路具有非常高的一致性,系统中 SFRIR 具有相同的工作模态,因而本文以图 2-2 所示带 SFRIR 的四星整流电路为例详细分析 SFRIR 的工作模态。当 SFRIR 的匝比大于临界匝比时,SFR 根据其输入电压 us和系统输出电压 ud的相互关系具有 3 种工作模态:Z 模态,M 模态,N 模态。图 2-6 给出了Z 模态,M 模态和 N 模态下的电路示意图。
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第 3 章 直流侧有源谐波抑制方法研究......41
3.1 基于AIPR的三相半桥并联整流系统 .......... 41
3.2 抑制网侧谐波的直流侧环流分析 ....... 42
3.2.1 输入电流与直流侧环流的关系 ............ 42
3.2.2 直流侧环流的波形和特征参数 ............ 48
3.3 三角波环流抑制网侧电流谐波机理 ........... 50
3.4 三角波环流对系统换相的改善作用 ........... 53
3.5 直流侧有源谐波抑制的仿真验证 ....... 59
3.6 本章小结 ...... 63
第 4 章 具有谐波抑制的整流系统设计......64
4.1 环流参数与辅助电路容量之间的关系 ....... 64
4.2 谐波抑制后整流单元的输出特性 ....... 69
4.3 谐波抑制后平衡电抗器的容量分析 ........... 75
4.4 谐波抑制后的变压器容量分析 ........... 81
4.5 与常规三相半桥并联整流系统比较 ........... 84
4.6 本章小结 ...... 85
第 5 章 系统谐波抑制性能实验研究..........86
5.1 基于SFRIR的四星整流电路实验系统 ........ 86
5.2 基于SFRIR的四星整流电路实验结果分析 ........ 87
5.4 基于AIPR的四星整流系统实验结果分析 .......... 98
5.5 本章小结 ............ 104
 
第 5 章 系统谐波抑制性能实验研究
 
前面第二章和第三章分别对三相半桥并联整流电路的直流侧无源和有源谐波抑制机理进行了分析,分析结果表明,当从系统的直流侧提取特定电流后能够显著减少输入电流中的谐波含量,使得输入电流更加接近于正弦波。由于四星整流电路较双反星形整流电路具有更好的输入输出特性,且它们具有高度的相似性,因而本章以四星整流电路为主实验验证理论和仿真结果,仅在特定小节给出双反星形情况下的基本实验结果。本章通过搭建实验系统,测试了直流侧无源和有源谐波抑制方法的谐波抑制效果,验证了前述章节的理论分析结果,随后实验分析了输入电压和负载变化对系统的谐波抑制性能的影响,为直流侧抑制网侧谐波技术的实际应用提供参考。
 
5.1 基于 SFRIR 的四星整流电路实验系统
为了验证第二章的理论分析结果,研制了一台基于 SFRIR 的四星整流电路的实验样机,图 5-1 和表 5-1 分别给出了实验平台和实验样机的主要参数。考虑到电路杂散参数的影响,SFRIR 原副边绕组匝比选取的稍大一点。由于四星整流电路较双反星形整流电路具有更好的输入输出特性,且它们具有高度的相似性,因而本章以四星整流电路为主实验验证理论和仿真结果,仅在本节给出双反星形情况下的基本实验结果。由第二章的理论分析可知,SFRIR 是通过增加流过三相半波整流桥输出电路的电平数来达到倍增网侧输入电流台阶数的效果的,为了验证 SFRIR 对整流电路中电流调制作用,图 5-2 给出了负载电流为 30A 时,基于 SFRIR 的四星整流电路的主要电路波形。
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结 论
 
三相三相半桥并联整流电路具有结构简单、导通损耗低和可靠性高等优点,被广泛应用于低压大电流、大功率等工业场合。但整流电路的强非线性使其产生大量电流谐波,为了在保持原有整流电路优势的前提下,有效抑制输入电流的谐波,本文对三相半桥并联整流电路的直流侧无源和有源抑制网侧谐波方法进行了研究,通过理论分析、仿真和实验验证,得到的主要研究成果如下:
(1) 基于 SFRIR 的直流侧无源脉波倍增谐波抑制方法解决了现有抽头式脉波倍增方法中抽上的二极管串联在负载回路,导通损耗大,不宜应用于低压大电流工业场合的问题。根据 SFR 输入电压与负载电压之间的关系,分析了 SFRIR 的工作模态,建立了输入电流 THD 与 SFRIR 匝比之间的数学模型,由该模型可知,当 SFRIR 的匝比使得 SFR 的导通占空比恰好为 50%时,SFRIR 倍增整流器的脉波数。
(2) 根据交直流侧电流关系,建立了网侧输入电流与直流侧环流之间的关系表达式。由理论分析结果可知,当流过平衡电抗器原边绕组的环流幅值是输出电流的二分之一,其峰值点与系统输入相电压过零点相重合的特定频率三角波时,输入电流中的所有特征次谐波被有效抑制,输入电流 THD 降低一个数量级,其波形接近正弦波。
(3) 给出了 SFRIR 和 AIPR 所产生的直流侧环流在交流侧的对应形式,由理论分析结果可知,SFRIR 所产生的对应交流侧电流中所包含的某些特征次谐波恰好与原整流电路输入电流中对应的特征谐波的幅值相等、符号相反,完全抵消了这些特征次谐波;AIPR 所产生的对应交流侧电流中所包含的特征次谐波与原整流电路输入电流中对应的特征谐波的幅值相近、符号相反,大大降低了特征次谐波的含量,显著抑制了输入电流谐波。
(4) 明确了三角波环流对整流电路换相过程的改善作用。从整流电路的直流侧提取三角波环流后,不仅整流电路的换相重叠角被显著减小,而且变压器漏感所引起的换相压降被消除。
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参考文献(略)
(责任编辑:工程论文)
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