某型無源諧波抑制裝置設(shè)計(jì)

陳瑜，許榮彧

（1. 海軍駐719所軍事代表室，武漢 430064；2.武漢第二船舶設(shè)計(jì)院，武漢430064 ）

0 引言

諧波是影響電能質(zhì)量的重要因素之一[1]，它通常是由電網(wǎng)中的非線性設(shè)備產(chǎn)生的。電力系統(tǒng)存在很多非線性設(shè)備，如各種電機(jī)、整流逆變裝置等，這些設(shè)備在工作時(shí)將會(huì)造成供電電壓或電流畸變，從而產(chǎn)生除基波分量外的各種電壓或電流諧波分量。近年來，各種電力電子裝置的廣泛應(yīng)用使軍用裝備獨(dú)立系統(tǒng)電網(wǎng)出現(xiàn)了大量的干擾源。特別是含有整流裝置、開關(guān)電源及其它以脈沖方式工作元器件的負(fù)載很可能給電網(wǎng)帶來諧波干擾。濾波，本質(zhì)上是從被噪聲畸變和污染了的信號(hào)中提取原始信號(hào)所攜帶的信號(hào)的過程[2]。

1 無源諧波濾波器模塊化設(shè)計(jì)

1.1 模塊化設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)

模塊化是指對(duì)一定范圍內(nèi)的不同產(chǎn)品進(jìn)行功能分析和分解的基礎(chǔ)上，劃分并設(shè)計(jì)、生產(chǎn)出一系列通用模塊或標(biāo)準(zhǔn)模塊單元，然后，從這些模塊單元中選取并補(bǔ)充新設(shè)計(jì)的專用模塊單元和零件（電路）一起進(jìn)行相應(yīng)的組合，以構(gòu)成滿足各種不同需要的產(chǎn)品的一種標(biāo)準(zhǔn)化形式[3]。

采用模塊化設(shè)計(jì)能夠帶來以下好處：

1）降低設(shè)計(jì)和生產(chǎn)成本

設(shè)計(jì)生產(chǎn)過程中模塊化工作可以規(guī)范生產(chǎn)和檢測(cè)，減少重復(fù)勞動(dòng)，降低生產(chǎn)成本。

2）降低使用和綜合保障成本

在設(shè)備的使用過程中， 模塊化結(jié)構(gòu)有利于迅速、可靠地在使用環(huán)境中進(jìn)行故障診斷和維修。當(dāng)設(shè)備中有一個(gè)模塊故障退出后，維修僅只需更換故障模塊，可靠性和可維護(hù)性高[4]。

基于以上好處，某型無源諧波濾波器設(shè)計(jì)為模塊化結(jié)構(gòu)形式。通過目標(biāo)電網(wǎng)在線測(cè)試和對(duì)相關(guān)設(shè)備諧波干擾特性的預(yù)測(cè)分析，獲得需濾除諧波的次數(shù)、幅度等配置需求，對(duì)應(yīng)于每個(gè)需要濾除的諧波頻點(diǎn)，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化的單次諧波濾波模塊單元，包括3次諧波濾波模塊、5次諧波濾波模塊、7次諧波濾波模塊、9次諧波濾波模塊、超隔離變壓?jiǎn)卧取８髂K均具備各自獨(dú)立功能，具有近于一致的幾何連接接口和電氣輸入輸出接口，便于模塊的組合和更換，滿足無源諧波濾波器構(gòu)建后針對(duì)不同濾波目標(biāo)的定制需求。

1.2 單次諧波濾波模塊設(shè)計(jì)

無源諧波濾波器的模塊化設(shè)計(jì)充分體現(xiàn)自上而下的模塊劃分原則[5]。首先確定無源諧波濾波器頂層技術(shù)指標(biāo)[6]。根據(jù)濾波電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及負(fù)載諧波干擾特征，結(jié)合該電網(wǎng)諧波電流傳導(dǎo)發(fā)射的在線測(cè)試數(shù)據(jù)，分析無源諧波濾波器的應(yīng)用需求，確定技術(shù)指標(biāo)（主要為插入損耗指標(biāo)），并分解至各主要單次諧波的插入損耗要求，確定各單次諧波濾波模塊的技術(shù)指標(biāo)。

單次諧波濾波模塊電路參數(shù)設(shè)計(jì)如下：

對(duì)于h次諧波頻點(diǎn)，電路阻抗為

為實(shí)現(xiàn)h次諧波濾除，則需要h次諧波諧振，形成低阻抗回路，即h次諧波濾波電路總電抗為零，變?yōu)榧冸娮栊浴?/p>

得到L和 C 的對(duì)應(yīng)關(guān)系:

在單次諧波濾波電路中起主要作用的是電感和電容，電阻是低值電阻，用于補(bǔ)償電路中的阻抗。根據(jù)所要濾除的諧波次數(shù)，可對(duì)R取一個(gè)較小的值，再利用L和C的對(duì)應(yīng)關(guān)系選擇合適的參數(shù)。

根據(jù)測(cè)量和分析出的主要單次諧波電流的大小，確定諧波濾波模塊中電容器C的容量，計(jì)算公式如下：

其中：QC為電容器容量；UP為相電壓有效值。

電容C：

其中：ω0為系統(tǒng)的基波角速度；UC為電容器的額定電壓。

根據(jù)上式（6）中L和C的關(guān)系，計(jì)算電感L：

無源諧波濾波器的超隔離變壓?jiǎn)卧遣扇×似帘卧O(shè)計(jì)的通用型變壓器，初次級(jí)電壓比為1:1，可以使電源側(cè)和負(fù)載側(cè)之間實(shí)現(xiàn)完全的電隔離，起到對(duì)瞬變電壓、脈沖尖峰等的衰減作用，對(duì)10 kHz以上的射頻信號(hào)也有幾十個(gè)dB的衰減。

設(shè)計(jì)完成單次諧波濾波模塊、超隔離變壓?jiǎn)卧葮?biāo)準(zhǔn)化模塊后，根據(jù)需要選取模塊組合成無源諧波濾波器，即插即用，易于優(yōu)化和擴(kuò)展。

2 試驗(yàn)方案

對(duì)于無源諧波濾波器主要指標(biāo)插入損耗的試驗(yàn)和測(cè)試，按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15288-94、GB7343-87等標(biāo)準(zhǔn)的要求，選用50 Ω測(cè)試系統(tǒng)和實(shí)際負(fù)載測(cè)試系統(tǒng)試驗(yàn)方案。由于無源諧波濾波器諧波阻抗很小，在50 Ω系統(tǒng)中的測(cè)試數(shù)據(jù)與實(shí)際應(yīng)用不能相互吻合，存在很大試驗(yàn)和設(shè)計(jì)誤差，故無源諧波濾波器關(guān)于插入損耗的試驗(yàn)方案選用實(shí)際負(fù)載測(cè)試系統(tǒng)。

試驗(yàn)系統(tǒng)按照GJB152A中CE101（25Hz～10kHz電源線傳導(dǎo)發(fā)射）測(cè)試方法搭建。并經(jīng)充分論證，選取諧波特性為某型開關(guān)電源作為試驗(yàn)中的諧波源負(fù)載。

插入損耗測(cè)量電路測(cè)試系統(tǒng)原理圖見下圖1、圖2。

圖1 校準(zhǔn)配置

圖2 測(cè)試配置

按圖1配置校準(zhǔn)電路，在3次～15次各頻點(diǎn)測(cè)量諧波電流值A(chǔ)1dB；

按圖2配置測(cè)試電路，在3次～15次各頻點(diǎn)測(cè)量諧波電流值A(chǔ)2dB。

無源諧波濾波器插入損耗值：

3 仿真和試驗(yàn)

按照?qǐng)D1的測(cè)試方法測(cè)得 某型開關(guān)電源的諧波電流，曲線如下圖3所示，得到各頻點(diǎn)諧波電流值見表1。

表1 某型開關(guān)電源的諧波電流

由上圖、表可知，負(fù)載的3次、5次、7次、9次、11次、13次諧波電流較大，甚至出現(xiàn)較大的超標(biāo)。針對(duì)超標(biāo)較大的諧波頻率，選取相應(yīng)諧波濾波模塊構(gòu)建無源諧波濾波器，建立模型仿真分析諧波濾除效果，并用實(shí)際電路試驗(yàn)來驗(yàn)證其它諧波頻點(diǎn)的插入損耗。

選取3次、5次、7次諧波濾波模塊構(gòu)建無源諧波濾波器

建立模型仿真分析諧波濾除效果，結(jié)果如下圖4，曲線表明3次、5次、7次頻率處的諧波衰減分別達(dá)到28 dB、20 dB、21dB。

選取3次、5次、7次諧波濾除模塊構(gòu)建無源諧波濾波器，并按圖2試驗(yàn)電路測(cè)試，測(cè)得諧波電流曲線及數(shù)據(jù)如圖5、表2。

由表1及表2中的數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，大部分諧波電流得到衰減；其中3次、5次諧波的插入損耗已經(jīng)滿足要求，分別為17 dB、22 dB；但7次～11次諧波頻點(diǎn)的插入損耗小于15 dB，不能滿足技術(shù)協(xié)議要求。

表2 諧波電流數(shù)據(jù)

選取3次、5次、7次、9次諧波濾波模塊構(gòu)建無源諧波濾波器

在上次試驗(yàn)基礎(chǔ)上，增加9次諧波濾波模塊構(gòu)建無源諧波濾波器，進(jìn)行調(diào)試和試驗(yàn)。電路仿真模型得到的仿真曲線如下圖6，曲線表明3次、5次、7次、9次頻率處的諧波電流得到很好的衰減，分別達(dá)到29 dB、20 dB、22dB、33dB，滿足技術(shù)協(xié)議要求。對(duì)于高次諧波，由于電路中已經(jīng)串入了一定量級(jí)的電感，在實(shí)際電路中會(huì)有一定量的衰減。

選取3次、5次、7次、9次諧波濾除模塊構(gòu)建無源諧波濾波器，并按圖2 試驗(yàn)電路測(cè)試，測(cè)得諧波電流曲線及數(shù)據(jù)如圖7、表3。

表3 諧波電流數(shù)據(jù)

由表2和表3的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，得到表4中無源諧波濾波器在各諧波頻點(diǎn)的插入損耗。

從表4中的數(shù)據(jù)可以看出，150 Hz、250 Hz、350 Hz、550 Hz、650 Hz、750 Hz頻率處諧波電流插入損耗均滿足插入損耗的技術(shù)要求。

表4 插入損耗

4 結(jié)論

本文分析了3次、5次、7次、9次諧波濾波模塊以及超隔離變壓?jiǎn)卧⒃诮Y(jié)構(gòu)上優(yōu)化改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)模塊化無源諧波濾波器的設(shè)計(jì)方案。通過仿真和試驗(yàn)，驗(yàn)證了該諧波抑制裝置能夠有效濾除3次—15次的諧波電流，插入損耗測(cè)量在15 —20 dB之間，濾波效果良好。

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