開關(guān)電源系統(tǒng)中諧波的抑制

張 罡 ，張小平 ，朱建渠 ，3

（1.重慶科技學(xué)院 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，重慶 401331；2.攀枝花學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院，四川 攀枝花 617000；3.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031）

0 前言

開關(guān)電源已廣泛應(yīng)用在各行各業(yè)中，而開關(guān)電源的核心技術(shù)是電力電子技術(shù)，開關(guān)器件在導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)會(huì)產(chǎn)生諧波成分和電磁干擾，影響系統(tǒng)的正常工作，降低電網(wǎng)電源功率因素，因此，電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，諧波的抑制已成為國(guó)內(nèi)外同行專家關(guān)注的重點(diǎn)。

傳統(tǒng)的供電系統(tǒng)被設(shè)計(jì)成按基波頻率的正弦波運(yùn)行。在各種電氣設(shè)備中，理論上其運(yùn)行的正弦波電壓就是基波電壓，實(shí)際上，在供電系統(tǒng)中存在電機(jī)、變壓器、電器設(shè)備以及強(qiáng)非線性的電力電子器件等各種非線性設(shè)備，必將產(chǎn)生非基波的正弦波電壓，即諧波成分。在此主要針對(duì)開關(guān)電源中的整流和逆變兩部分進(jìn)行分析其諧波產(chǎn)生的機(jī)理，提出抑制諧波的可行方案，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的新型濾波器的濾波效果。本研究的思想將改變傳統(tǒng)單諧振抑制諧波的方法，為開關(guān)電源系統(tǒng)可靠而穩(wěn)定的運(yùn)行提供參考。

1 諧波的理論分析

1.1 單相大功率整流電路的諧波分析

典型的單相不控整流電路如圖1所示，其工作原理不做詳細(xì)介紹，重點(diǎn)分析整流前端輸入電源的電壓與電流的相位關(guān)系，如果相位相同，其為高功率因素1，同時(shí)還關(guān)心的是經(jīng)過4個(gè)不控二極管開關(guān)后，為了得到紋波較小的直流電壓，加入LC濾波后能減小紋波和諧波成分。由圖1可知，如果要向負(fù)載中提供電流，當(dāng)電源端輸入端峰值電壓幅值大于濾波電容兩端的電壓副值時(shí)，iac的值才大于零，也就是電網(wǎng)才能向負(fù)載提供電流。輸入電源電流與電壓的相位關(guān)系如圖2所示，Uac為輸入電壓，iac為電源端的輸入電流。輸入電流iac呈尖脈沖形式，與電壓不同相位，對(duì)電流進(jìn)行傅立葉分解后會(huì)得到一系列的諧波，導(dǎo)致輸入電源為0.6～0.7的低功率因數(shù)。

圖1 單相大功率整流電路Fig.1 A single-phase large power rectified circuit

圖2 圖1中的輸入電壓、電流波形Fig.2 Waveforms of input voltage and current in

電網(wǎng)交流電壓的頻率為50 Hz，從理論上分析，圖1中要為負(fù)載提供紋波很小的直流電流，需在整流輸出端串一個(gè)大電感，這樣負(fù)載直流近似為直流Id。電感電流不能突變，同時(shí)開關(guān)管在導(dǎo)通或者關(guān)斷時(shí)都有上升和下降時(shí)間，其負(fù)載電流如圖3所示。

假設(shè)開關(guān)管上升和下降的時(shí)間角度為

對(duì)圖3進(jìn)行傅立葉分解，可得

圖3 單相整流負(fù)載電流Fig.3 Load current of single-phase rectified circuit

從式（2）可看出，單相整流負(fù)載電流含有奇次諧波。分析單相整流輸入電壓與電流的相位關(guān)系以及單相整流負(fù)載電流的諧波成分，單相整流輸入端和負(fù)載端都存在高次諧波。同理三相不控整流的輸入端和負(fù)載端也存在高次諧波。以上分析的是不控整流，而在整流電源中，通常采用可控整流，即通過控制晶閘管的導(dǎo)通角來控制輸出電壓的大小，無論是單相可控整流還是三相可控整流，其開關(guān)管的導(dǎo)通不是過零導(dǎo)通，如果采用閉環(huán)控制，其導(dǎo)通角隨時(shí)在變化，因此，在可控整流中，其輸入端和負(fù)載端存在的諧波成分比不控整流的諧波成分大。

1.2 單相逆變的諧波分析

典型的單相半橋逆變主電路如圖4所示，由兩個(gè)開關(guān)管組成，通過LC濾波后為負(fù)載提供交流正弦波電壓，設(shè)逆變器前端的直流電壓為E，假設(shè)開關(guān)管為零電壓開通、零電流關(guān)斷，開關(guān)管的開和關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間為零的理想開關(guān)。因此，開關(guān)管占空比為50%。

圖4 單相逆變電路Fig.4 A single-phase inverter circuit

在圖4中可得到以下表達(dá)式

將式（3）、式（4）進(jìn)行傅立葉變換可得

式（6）中，頻率與周期信號(hào)一致的分量稱為1次諧波，又稱基波，即sin ωt，頻率為周期信號(hào)3倍者稱為3次諧波，3次及以上的諧波稱為高次諧波，實(shí)際上還有偶次諧波和分?jǐn)?shù)諧波。本研究主要對(duì)奇次諧波進(jìn)行分析和抑制。圖5為式（6）所有正弦波的分量的疊加[7]。同理可得，三相逆變器也一定有諧波電流存在。從以上分析可知，開關(guān)電源中整流部分和逆變部分都會(huì)產(chǎn)生諧波電流。

圖5 各分量疊加成矩形波Fig.5 Rectangular wave superposed by its each of components

2 諧波抑制

開關(guān)電源諧波抑制可分為預(yù)防性和補(bǔ)救性兩種方法。預(yù)防性是在設(shè)計(jì)開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)，用一種可行的控制方法讓開關(guān)管工作時(shí)盡量產(chǎn)生低能量的少數(shù)次諧波，這種方法是從源頭抑制諧波的產(chǎn)生。采用何種可行的控制方法要根據(jù)電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和負(fù)載類型綜合分析，并且要通過反復(fù)的試驗(yàn)調(diào)整控制方法中的控制參數(shù)和主電路設(shè)計(jì)參數(shù)。補(bǔ)救性是指系統(tǒng)中已經(jīng)產(chǎn)生了諧波成分，通過外界因素來抑制諧波，也就是在電路中并聯(lián)一個(gè)濾波器，讓諧波流入該濾波器。該濾波器有無源濾波器和有源濾波器兩種，通常無源濾波器是對(duì)系統(tǒng)中的諧波成分針對(duì)性的抑制，當(dāng)然在對(duì)濾波器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要對(duì)系統(tǒng)的諧波源及諧波含量進(jìn)行測(cè)試分析。有源濾波器的工作原理是當(dāng)無源濾波器檢測(cè)到系統(tǒng)有諧波時(shí)，有源濾波器實(shí)時(shí)產(chǎn)生一個(gè)相反的諧波與之抵消，有源濾波器存在的問題是諧波檢測(cè)的實(shí)時(shí)性，還有就是有源濾波器自身也會(huì)產(chǎn)生諧波。因此，現(xiàn)在用得比較多的還是無源濾波器。無源濾波器設(shè)計(jì)的基本思想是用電抗器和電容器組合一定的電路結(jié)構(gòu)，為諧波提供低阻抗通道，其設(shè)計(jì)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)多。本研究通過仿真分析設(shè)計(jì)出一個(gè)抑制3次以上諧波的無源濾波器，如圖6、圖7所示。該電路能抑制3次、5次、7次以上諧波。仿真參數(shù)為L(zhǎng)1=0.70 mH、C=239 μF、L2=0.60 mH。

圖6 無源濾波器接入框圖Fig.6 B lock diagram of passive filter attachment

圖7 無源濾波器仿真Fig.7 Simulation of passive filter

3 試驗(yàn)

根據(jù)分析和仿真參數(shù)，對(duì)圖6進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)參數(shù)為 L1=0.75 mH、C=239 μF、L2=0.65 mH。并按照?qǐng)D8接線方式并聯(lián)接入在電路中，由于電感、電容的設(shè)計(jì)參數(shù)值會(huì)隨著其溫度的升高變化而變化，因此，該實(shí)驗(yàn)參數(shù)是經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)確定的。

圖8 濾波器設(shè)計(jì)電路及接線Fig.8 Circuit design and wiring diagram of passive filter

該濾波裝置對(duì)3 kW的整流逆變電源進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試，試驗(yàn)裝置如圖9所示。圖10為沒有安裝濾波器且阻性負(fù)載是逆變器輸出端的電流波形，其諧波含量達(dá)到17%；圖11為安裝了濾波器裝置后的電流波形，其諧波含量約4%，濾波效果非常好。

圖9 無源濾波器實(shí)驗(yàn)裝置Fig.9 Test apparatus of passive filter

圖10 沒有接入濾波器的電壓波形Fig.10 Voltage waveform without filter

圖11 接入濾波器電壓波形Fig.11 Voltage waveform with filter

4 結(jié)論

通過單相整流電路和單相逆變器的理論分析可知，整流和逆變會(huì)產(chǎn)生諧波成分，在變頻器或風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，既有整流部分又有逆變部分，在整流輸出端，即逆變前端會(huì)使諧波成分疊加，加大諧波成分的能量，因此，在直流電壓線路中并聯(lián)濾波器，將使在直流電壓中游動(dòng)的諧波流入到濾波器中。設(shè)計(jì)了一個(gè)新型的無源濾波器，通過仿真分析可知，可以抑制一定頻率帶寬的諧波，通過試驗(yàn)驗(yàn)證了在濾波器接入前后，濾波器接入后能達(dá)到很好的濾波效果。

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