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        18脈波自耦型無源功率因數(shù)校正技術

        2015-07-25 09:42:10陳根余
        通信電源技術 2015年5期
        關鍵詞:脈波整流橋匝數(shù)

        陳根余,卓 沛,張 斐

        (中國電子科技集團公司第29研究所,四川 成都 610036)

        諧波電流抑制方法可分為濾波和新的低諧波整流兩類發(fā)展方向,而濾波可以分為無源和有源濾波。無源濾波方法采用L、C和其他無源元件組成濾波電路,簡單可靠,可消除特定諧波的影響[1]。有源濾波需要從補償對象中檢測諧波電流,補償無功及諧波電流,該方法需要DSP或者FPGA等高速邏輯器件,來實現(xiàn)諧波電流的檢測與快速計算。本文對幾種多脈波整流器方案進行了比較,在綜合考慮諧波電流、體積重量和工藝要求下選用P型18脈波自耦變壓整流方案。詳細分析了電路的工作原理,推導了電路的輸出電壓和輸入電流的特性,給出了P型自耦變壓器的設計依據(jù)。最后完成了9 kW18脈波自耦型無源功率因數(shù)校正模塊設計。

        1 多脈波整流器原理簡介及方案選取

        1.1 多脈波整流器原理簡介

        多脈波整流電路就是利用不同的匝比變換和繞組聯(lián)結(如三角形聯(lián)結和星形等)來構造得到相位不同的電壓矢量,使得網側電流由不同相位的電流矢量疊加而成,包含不同電壓矢量的信息,最終使得傳統(tǒng)三相橋式整流電路的方波電流變?yōu)榀B加而成的階梯波電流。

        1.2 18脈波變壓整流方案選取

        通過移相變壓器構造電壓矢量是最簡單有效的方法。當不要求電氣隔離時,可用自耦變壓器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的隔離變壓器。由于自耦變壓器不僅有磁路上的耦合而且還有電路上的連接,有利于減小變壓器的體積、重量,且提高系統(tǒng)的效率。因此,目前多采用18脈波自耦變壓整流器。

        18脈波自耦變壓器有多種繞組實現(xiàn)方式,如圖1所示。變壓器在相同條件下,輸入電流的THD相同,在結構繞組上P型簡單、便于加工設計。因此,本文以P型18脈波自耦變壓器進行設計。

        圖1 18脈波自耦變壓器

        2 P型18脈波自耦變壓整流器

        2.1 電路拓撲

        圖2給出了P型18脈沖自耦變壓器整流電路圖,其中與電網輸入電壓同相的主三相電壓(UA、UB、UC)直接供電給主整流橋,另外兩組輔助電壓(UA1、UB1、UC1)和(UA2、UB2、UC2)分別供電給兩組輔助整流橋,三個整流橋的輸出電壓并聯(lián)后向負載供電。

        圖2 18脈波自耦變壓器整流電路圖

        2.2 變壓器設計

        根據(jù)18脈波自耦變壓器繞組圖(圖3),每個鐵心柱有五個繞組,每個鐵芯柱對應為一個原邊繞組,在其基礎上自耦產生四個副邊繞組,從原邊繞組引出兩個抽頭用于連接相應的整流橋,由自耦變壓器產生另外兩組輔三相電壓,以A相為例,產生的輔助相電壓UA1和UA2。

        圖3 18脈波自耦變壓器繞組圖

        令原邊繞組總匝數(shù)為Np,其中短繞組匝數(shù)為Np1、長繞組匝數(shù)為Np2,副邊繞組總匝數(shù)為2Ns,其中每個副邊繞組的匝數(shù)為Ns。令電網輸入相電壓矢量長度為Us,其中主三相電壓(UA,UB,UC)可表示為:

        同理可以求得其余輔相電壓的大小,它們可以分別表示為:

        則由三組三相電壓矢量合成可以產生三組線電壓:

        (1)主線電壓(UAB,UBC,UCA)由主三相電壓直接得到:

        (2)輔助線電壓(UAB1,UBC1,UCA1)、(UAB2,UBC2,UCA2)由主三相電壓和輔三相電壓矢量合成得到:

        在三角形PBB1中,∠B1BP=120°-(180°-20°)/2=40°,∠BPB1=120°,∠BB1P=20°,應用正弦定理可得:

        因此可得短繞組和長繞組的電壓矢量長度為:

        則根據(jù)繞組電壓,可求得各繞組匝比為(其中NP=2NP1+NP2):

        綜上所述,18脈沖自耦變壓器各鐵芯柱有五個繞組,從原邊繞組引出兩個抽頭用于連接相應的整流橋,四個副邊繞組匝數(shù)為原邊繞組匝數(shù)的0.159,0.159,0.299,0.402,0.299倍。

        2.3 輸入電流分析

        將變壓器匝比與各節(jié)點的電流關系代入磁勢平衡等式可得A相電流的表達式為:

        根據(jù)18脈波自耦變壓器的工作原理,假設負載電流為恒定的Id,則可得(ia、ib、ic)、(ia1、ib1、ic1)與(ia2、ib2、ic2)的工作波形。

        2.4 輸出電壓與變壓器容量分析

        在一個交流周期內,自耦變壓器輸出電壓為18脈波,所以整流器輸出電壓為:

        則輸出直流電壓平均值Ud為:

        結合變壓器匝比關系可得變壓器原邊繞組電壓有效值為:

        變壓器副邊繞組電壓有效值為:

        則可計算得到P型18脈波自耦變壓器的容量Pdtr為:

        即P型18脈波自耦變壓器的等效容量僅為輸出功率的0.274倍。

        3 9 kW18脈波自耦變壓整流模塊

        3.1 參數(shù)計算

        輸入電壓為三相115 V交流輸入,Us=115 V,可得直流輸出電壓平均值為:

        對于Po=9 kW的負載功率,由于P型18脈波自耦變壓器的等效容量僅為輸出功率的0.274倍,則可得P型18脈波自耦變壓器的總容量為Pttr=0.274Po=2 466 W,Id=Po/Ud=32.1 A,則所有匝數(shù)為Ns和NP1的繞組有效值電流均為0.262Id=8.4 A,所有匝數(shù)為NP2的繞組有效值電流均為0.145Id=4.6 A。

        選取整流二極管時,應考慮到電壓應力,取輸入線電壓的最大值,即:

        二極管的電壓定額為:

        流過二極管的最大電流為負載電流Id,則主二極管有效電流為:

        主二極管的電流定額應為:

        輔助二極管有效電流為:

        輔助二極管的電流定額應為:

        3.2 仿真分析

        利 用 Mtalab/Simulink/SimPowerSystems 庫 可以搭建P型18脈波自耦變壓器整流電路,通過仿真選用三相115 V/400 Hz交流輸入濾波器參數(shù)為:L=300μH、C=2μF,選用直流輸出濾波器參數(shù)為:L=1 mH、C=17μF。

        穩(wěn)態(tài)仿真結果如圖4所示,由圖可知P型18脈波自耦變壓器整流電路的交流輸入電流在一個線頻周期內呈現(xiàn)出18個脈波,濾波后的輸入電流總諧波畸變率THD=2.86%,主整流橋輸出功率為負載功率的2/3,兩個輔助整流橋的輸出功率均為負載功率的1/6,仿真結果與上節(jié)的理論分析結果相一致。

        圖4 18脈波自耦變壓整流電路穩(wěn)態(tài)仿真波形

        3.3 實驗樣機

        根據(jù)理論分析與仿真結果,完成了9 kW18脈波自耦變壓整流模塊設計,由斷路器、接觸器、EMI濾波器、18脈波自耦變壓器、三相整流橋、輸出濾波電路、浪涌抑制及控制檢測電路和儲能電容組成。

        圖5 模塊實驗測試波形

        模塊的輸出電壓、三相輸入電流與三相輸入電壓測試波形如圖5所示,可見輸出電壓穩(wěn)定在280 V左右,輸入電流波形為由18個臺階構成的正弦波。滿載時測得模塊的功率因數(shù)為0.998、輸入電流的總諧波畸變率為6.9%、轉換效率為0.968,輸入電壓的畸變系數(shù)為0.0321,滿足 GJB181A-2003對用電設備的指標要求。

        4 結 論

        本文對P型18脈波自耦變壓整流器進行了詳細的原理分析,分析了輸入電流特性,并針對機載用電設備完成了9 kW18脈波自耦變壓整流模塊設計和硬件實驗。結果表明,滿載時該模塊的功率因數(shù)為0.998、輸入電流的總諧波畸變率為6.9%、轉換效率為0.968,滿足GJB181A-2003對用電設備的指標要求。

        [1] 張 浩,許龍虎.有源功率因數(shù)校正技術及控制方式分析[J].上海電力學院學報,2009,25(3):201-207.

        [2] 唐 欣,羅 安.基于重復控制的有源濾波器的三態(tài)滯環(huán)控制方法[J].電工技術學報,2009,24(9):134-139.

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