張文慶，劉 浩，潘戰(zhàn)武

（天水電氣傳動(dòng)研究所有限責(zé)任公司，甘肅 天水 741020）

1 引言

隨著現(xiàn)代科學(xué)的發(fā)展，大功率、高精度、低紋波的穩(wěn)定直流電源在工業(yè)和加速器上的應(yīng)用越來(lái)越多。晶閘管電源容易大功率化、高可靠性，在高精度電源市場(chǎng)上占有較大的份額。但晶閘管電源由于三相電網(wǎng)的不平衡、晶閘管觸發(fā)特性的不一致、整流變壓器制作時(shí)三相輸出不一致等諸多因素，造成直流側(cè)有低于特征紋波的低次紋波，也有高于特征紋波的高次紋波存在，同時(shí)也有較大的特征紋波存在。因此,晶閘管整流輸出紋波很大，且紋波頻率低，若采用無(wú)源濾波，濾波容量非常大，造成電源體積大、成本高，且有時(shí)仍無(wú)法滿足穩(wěn)定直流電源極低的紋波和動(dòng)態(tài)性能要求。于是穩(wěn)定直流電源系統(tǒng)中引入了有源濾波（APF）。

目前，應(yīng)用在穩(wěn)定直流電源系統(tǒng)中的APF大多屬于并聯(lián)型，但是并聯(lián)型APF的性能受系統(tǒng)負(fù)載阻抗的影響較大，有時(shí)其補(bǔ)償效果并不十分理想。

本文提出了一種變壓器直接耦合的串聯(lián)直流有源濾波器，詳細(xì)介紹了這種串聯(lián)直流有源電力濾波器的工作原理和控制方法，分析了耦合變壓器的工作特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上討論了其設(shè)計(jì)方法，最后對(duì)本文所提出的方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

2 系統(tǒng)構(gòu)成和工作原理

2.1 穩(wěn)流電源及有源濾波器主回路拓?fù)?/h3>

穩(wěn)流電源及有源濾波器主回路拓?fù)淙鐖D1所示。該有源濾波器直接檢測(cè)直流側(cè)電流紋波，這樣以直流側(cè)檢測(cè)出來(lái)的電流經(jīng)過(guò)低通濾波器將紋波電流從直流中分離出來(lái)，此紋波電流經(jīng)放大后做為給定信號(hào)，產(chǎn)生PWM信號(hào)，由IGBT逆變放大，通過(guò)耦合變壓器T6串聯(lián)于主回路中，產(chǎn)生與主回路電流紋波大小相等，而極性相反的紋波電流信號(hào)送回直流主回路，來(lái)抵消主回路中的電流紋波，這樣就達(dá)到抑制直流回路紋波的目的。圖1中平波電抗器L3用來(lái)抑制直流電流id的上升和下降率，保證電流連續(xù)。此外，它還起到濾除直流線路中大部分諧波電壓和電流的作用。剩余的特征諧波和那些含量極低的低次非特征諧波則用APF濾除。這樣既降低了有源濾波器的容量，又提高了系統(tǒng)性能。

圖1 穩(wěn)定直流電源及有源濾波器主回路拓?fù)鋱D

該有源濾波器采用PWM控制技術(shù)，IGBT（采用BSM75GB120DN2）的工作頻率高達(dá)20kHz，保證產(chǎn)生IGBT逆變波形是光滑的。設(shè)計(jì)中，紋波的檢測(cè)致關(guān)重要，若檢測(cè)不出來(lái)就無(wú)法抵消主回路紋波.其控制回路主要由時(shí)鐘發(fā)生器、濾波回路、紋波檢測(cè)、指令電流形成電路，PWM信號(hào)形成電路及IGBT的保護(hù)、驅(qū)動(dòng)、隔離等電路組成。其控制回路拓?fù)淙鐖D2所示。

圖2 控制回路拓?fù)鋱D

2.2 裝置平臺(tái)的構(gòu)成

2.2.1 整流回路

主回路整流采用6脈動(dòng)晶閘管整流技術(shù),主整流變壓器為移相式整流變壓器,L3C1R2C2組成無(wú)源濾波器,負(fù)載采用一個(gè)2Ω的電阻片。主回路中串有電流紋波檢測(cè)裝置（有源濾波器給定），耦合變壓器T6的原邊，見(jiàn)圖1。

（1）電流檢測(cè)裝置

采用型號(hào)為L(zhǎng)A 58-P的電流傳感器，它具有較好的精度（±0.5%＠IPN），良好的線性度（＜0.15%），低溫漂,跟隨精度（di/dt＞200A/us）。

（2）觸發(fā)系統(tǒng)

數(shù)字觸發(fā)板采用的晶閘管觸發(fā)板，它具有以下工作特點(diǎn)：①六脈動(dòng)強(qiáng)觸發(fā)功能（19.1 kHZ、2.02A 短路電流,15V開(kāi)路電壓,0.5A/0.5us電流上升率）；②警戒網(wǎng)式門(mén)脈沖波形；③等距數(shù)字門(mén)延信號(hào)；④相位遺失禁止保護(hù)；⑤軟起動(dòng)、慢停止功能；⑥急停功能；⑦抗相位旋轉(zhuǎn)，自動(dòng)糾正相位、相序；⑧抗電源電壓失真。

這種方案，充分利用了數(shù)字觸發(fā)器的脈沖對(duì)稱性好的特點(diǎn)，使整流電壓波形極其整齊，并且利用了模擬調(diào)節(jié)系統(tǒng)精度高和響應(yīng)快的特點(diǎn)。

2.2.2 有源濾波器

有源濾波器整流部分采用單相二極管整流技術(shù),逆變部分采用PWM控制技術(shù)，IGBT采用BSM75GB120DN2，PWM波形發(fā)生器采用UC3637芯片，其產(chǎn)生的脈沖頻率為20kHz，去驅(qū)動(dòng)IGBT模塊，從而保證產(chǎn)生IGBT逆變波形是光滑的。有源濾波器的電流紋波給定信號(hào)及電流紋波反饋信號(hào)都是通過(guò)型號(hào)為L(zhǎng)A 58-PR的電流傳感器所產(chǎn)生的。由IGBT逆變回路產(chǎn)生的電流紋波，經(jīng)過(guò)變壓器T6原副邊耦合后，產(chǎn)生與主回路電流紋波大小相等，而極性相反的紋波電流信號(hào)送回直流主回路，來(lái)抵消主回路中的電流紋波，從而達(dá)到抑制直流回路中電流紋波的目的。見(jiàn)圖1。

2.3 耦合變壓器

在穩(wěn)定直流電源中，串聯(lián)型APF的補(bǔ)償效果與耦合變壓器的性能密切相關(guān)。對(duì)這種耦合變壓器，有人也把它稱為電抗器-變壓器，因?yàn)樗绕痣娍蛊鞯淖饔茫滞瑫r(shí)兼起變壓器的作用。在本系統(tǒng)中，耦合變壓器起著傳輸能量的作用，同時(shí)，它也起著平衡主電路與PWM逆變器的電壓、電流的作用。這種耦合變壓器與應(yīng)用在交流系統(tǒng)中的一般變壓器的不同之處主要體現(xiàn)在以下三方面：

①聯(lián)結(jié)于主電路直流側(cè)的耦合變壓器繞組工作時(shí)會(huì)流過(guò)很大的直流電流，使耦合變壓器工作在嚴(yán)重的直流偏磁狀態(tài)，這樣很容易使變壓器的鐵心飽和，造成系統(tǒng)不能正常工作。

②耦合變壓器的勵(lì)磁電流相對(duì)一般變壓器比較大。這樣，無(wú)論APF是否投入工作，直流側(cè)主電路的電流都能順利地通過(guò)耦合變壓器(此時(shí)起電抗器的作用)。否則，在系統(tǒng)剛開(kāi)起時(shí)，主電路中電流的上升將十分困難。為此，耦合變壓器的鐵心需帶有氣隙。

③耦合變壓器的效率不可能很高。因?yàn)闉榱朔乐棺儔浩鞯蔫F心飽和，以及為了降低電抗器的電抗，都給鐵心增加了氣隙，但氣隙的增加使空載損耗加大，降低了耦合變壓器的傳輸效率。

針對(duì)以上幾點(diǎn)，只能在保證耦合變壓器的鐵心不飽和及電抗值適中的情況下，盡量減小氣隙尺寸以提高耦合變壓器傳輸效率。

3 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

術(shù)語(yǔ)約定：

APF有源濾波器

U0未加APF時(shí)負(fù)載兩端峰峰值電壓

U1加APF時(shí)負(fù)載兩端電壓峰峰值

A=U0/U1 紋波衰減倍數(shù)

3.1 主回路通電,有源濾波器不通電

合主回路，調(diào)節(jié)給定電位器，使得負(fù)載兩端電壓為20V，主回路電流為10A，記錄主回路負(fù)載兩端的電壓波形如圖3所示。

注：由于負(fù)載為電阻型負(fù)載，所以采集的電壓波形可以近似認(rèn)為是電流波形，以下類(lèi)同。

3.2 主回路通電,有源濾波器通電

調(diào)節(jié)低通濾波器，消除電流紋波給定信號(hào)中直流成分，得到一個(gè)干凈的交流紋波信號(hào)，通過(guò)比例放大器，送到PWM波形發(fā)生器（UC3637芯片）,從而得到驅(qū)動(dòng)IGBT模塊工作的脈沖信號(hào),其頻率為20kHz。

有源濾波器回路通電,各個(gè)IGBT模塊的驅(qū)動(dòng)脈沖正常,其產(chǎn)生的紋波電流信號(hào)通過(guò)變壓器T6原副邊耦合后,送回到主回路,記錄主回路負(fù)載兩端的電壓波形如圖4所示。

3.3 負(fù)載兩端電流紋波分析

通過(guò)波形比較可以發(fā)現(xiàn)，主回路直流電流紋波加上有源濾波器后電流紋波有了很明顯的改善，為了比較精確的計(jì)算出電流紋波的衰減倍數(shù)，通過(guò)示波器的交流檔觀察一下電流紋波的變化。

將圖3和圖4對(duì)比后計(jì)算：

3.4 負(fù)載兩端電流紋波傅立葉分析

通過(guò)比較圖5和圖6，各特征電流紋波有了顯著的變化，具體數(shù)據(jù)及電流紋波衰減倍數(shù)如表1所示。

通過(guò)對(duì)以上數(shù)據(jù)的分析和總結(jié)，可以得出，該類(lèi)型有源濾波器的投入能夠很好的消除主回路中的電流紋波,包括特征紋波,低于特征紋波的低次紋波及高于特征紋波的高次紋波。

圖3 APF斷開(kāi)

圖4 APF投入

圖5 APF斷開(kāi)

圖6 APF投入

4 結(jié)論

本文詳細(xì)介紹了耦合變壓器型串聯(lián)直流有源濾波器的工作原理和控制方法，分析了耦合變壓器的特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上給出了其簡(jiǎn)要的設(shè)計(jì)步驟。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，耦合變壓器型串聯(lián)直流有源濾波器對(duì)抑制穩(wěn)定直流電源的負(fù)載紋波電壓和電流有顯著的作用。該技術(shù)在大功率直流加速電源、醫(yī)用直流電源等場(chǎng)合具有比較廣闊的應(yīng)用前景。

表1 紋波衰減倍數(shù)