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正文內(nèi)容

畢業(yè)設(shè)計有源電力濾波器的設(shè)計(參考版)

2024-12-05 16:58本頁面
  

【正文】 鑒于有源電力濾波器工作時的頻率范圍,耦合變壓器的鐵芯材料 一般選擇薄硅鋼片或非晶體合金磁性材。而對于高頻變壓器,工作頻率在幾十千赫茲以上,所以通常選擇軟磁鐵氧體材料作為鐵芯。 正是由于有源電力濾波器的耦合變壓器有上述的特殊要求,因此設(shè)計選擇耦合變壓器時要注意如下問題。這就要求耦合變壓器的三相鐵芯與磁路是獨立的相互影響越小越好。 第四耦合變壓器的鐵芯結(jié)構(gòu)特殊。由于有源電力濾波器的逆變器結(jié)構(gòu)較多,因此通常對耦合變壓器繞組接法有特別的要求。而對于并聯(lián)變壓器要求有較 寬的漏抗范圍,可以根據(jù)有源電力濾波器的需要選擇合適的漏抗參數(shù)。 [5] 其次,耦合變壓器漏抗有較高的要求。這與通常的工頻變壓器,中頻變壓器與高頻變壓器不同。由于 有源電力濾波器主要用于濾波,而電力系統(tǒng)中諧波的頻率范圍較寬,如從次諧波到 50 次諧波,即頻率從幾赫茲到 2500 赫茲。 雖然變壓器帶來了很大的好處,但是在有源電力濾波器中采用耦合變壓器本身也存在一些缺點。變壓器的電氣與原副邊得絕上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文) 有源電力濾波器的設(shè)計 53 緣隔離可以防止出現(xiàn) 不必要的電氣連接,可以提高有源電力濾波器的可靠性,還可以防止電力系統(tǒng)的各種干擾直接進入到有源電力濾波器中。采用耦合變壓器接入電力系統(tǒng)的好處如下:第一是可以靈活地改 變逆變器的輸出電壓和電流,從而充分的利用了開關(guān)器件的電壓與電流的容量。但是對于 10kv 及以上的系統(tǒng),由于目前開關(guān)器件電壓與電流容量的限制,逆變器的電壓和電流還不能滿足直接直接接入電力系統(tǒng)的要求 [24]。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文) 有源電力濾波器的設(shè)計 52 表3 .2 GR 的推薦值 額定電流 額定電壓 柵極串聯(lián)電阻 600 300 51 50 25 25 100 50 15 150 75 12 200 100 8.2 300 150 5.1 400 200 3.3 600 300 2.2 從上面的介紹可知,對柵極驅(qū)動電路布線要求非常嚴 格,為了減小體積,降低噪音,改善驅(qū)動電路的性能,目前研制成功了多種 IGBT 驅(qū)動器集成電路。若使用說明書中沒有給出 GR 的數(shù)值可采用表 給出的推薦來選取,在根據(jù)驅(qū)動電路的市價狀態(tài)做適當調(diào)整。但 GR 又不能太小否則柵極電壓容易產(chǎn)生振蕩,同時 IGBT對 tu dd/ 的承受力也下降。因為驅(qū)動PCB不能直接連接到IGBT的控制端子上時,應(yīng)采用盡可能短的雙絞線或帶狀連接。 圖 IGBT 基極電阻 GR 與開關(guān)時間的關(guān)系曲線 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文) 有源電力濾波器的設(shè)計 51 圖 IGBT 柵極電阻 GR 與開關(guān)管功能的關(guān)系曲線 為了提高IGBT柵極的 抗干擾能力,可在柵極-發(fā)射極之間并聯(lián)阻值為10-20歐的電阻器,或者并聯(lián)雙向鉗位穩(wěn)壓二極管,或者兩者都并聯(lián)在柵極-發(fā)射極之間。圖 為 IGBT 柵極電阻 GR 與開關(guān)時間的關(guān)系曲線。其次, IGBT 的導(dǎo)通和關(guān)斷是通過柵極電容的充放電容的充放電過程來完成的。這個數(shù)值可保證 IGBT 飽和導(dǎo)通,并且導(dǎo)通功耗減至最小。 首先 IGBT 的柵極驅(qū)動電壓不允許超過,特性參數(shù)中給定的限制值,該限制值一般為 20 伏。 圖 直接式基極驅(qū)動電路 IGBT 的驅(qū)動電路 因為 IGBT 是 MOSFET 和 GTR 的復(fù)合器件,其輸入特性與 MOSFET 相似,前面講過的 MOSFET 柵極驅(qū)動電路基本上適用于驅(qū)動 IGBT。當 gU 為正時, 1V 關(guān)斷,CV? 直接加到 V 的基極上,使 V 快速關(guān)斷。圖中 V 是主開關(guān)管, 1V 是輔助開關(guān)管。隔離式是指驅(qū)動電路與 GTR上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文) 有源電力濾波器的設(shè)計 49 的基極通過隔離元件或隔離電路相連接。 GTR 的驅(qū)動電路 GTR 的驅(qū)動電路按驅(qū)動方式可分為兩大類:直接式和隔離式。它的輸出脈沖的幅值和波形與功率開關(guān)管的開關(guān)特性有很大的關(guān)系,進而會影響到整個逆變系統(tǒng)的效率和調(diào)節(jié)特性。若 c? 太小,系統(tǒng)的穩(wěn)定性差。該系統(tǒng)的幅頻特性中頻以 40db/dec 的斜率穿過橫坐標,不符合穩(wěn)定性的要求,如圖 ( a)所示,既使采用 PI 調(diào)節(jié)器也解決不了穩(wěn)定性的問題。有圖 可以得出該逆變控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù) )()( SHSG 為 : ofkLCs sGNkSHSG ??? 1)()()( 2 11???????????????????? ( ) 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文) 有源電力濾波器的設(shè)計 47 圖 電壓型單閉環(huán)控制的方框圖 圖 電壓型單閉環(huán)控制的傳遞函數(shù)結(jié)構(gòu)圖 該逆變控制系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為 : 1)( )()()(1 )()( )( 211 10 ????? LCsSGkNk sGNksHsG sGsU sU ofr???????????? ( ) 由式 和式 可以看出,若誤差放大器是一個比例環(huán)節(jié),那么,上面兩式都 是二階的即該系統(tǒng)為有條件穩(wěn)定的二階系統(tǒng)。電壓型單閉環(huán)控制的方框圖如圖 所示。按反饋環(huán)路的類型,逆變器的控制技術(shù)可分為電壓型和電流型兩大類,按實現(xiàn)控制的電路的類型,逆變器的控制技術(shù)又可分為模擬電路控制和數(shù)字電路控制兩大類。 有源電力濾波器的 PWM 控制器所涉及的主要是主電路的 PWM 控制技術(shù),前面已介紹過,主電路實際上是逆變電路。雖然傅里葉變換的檢測方法需要對誤差信號進行重構(gòu),運算較為復(fù)雜,存在一定延時,但其方法思路比較簡明,原理和工作過程十分清晰,對所補償?shù)闹C波可以進行有目的地選擇,使用與各種情況,這也是本文的濾波器設(shè)計采用這種方法的原因,在后面第五章仿真分析時,我們就上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文) 有源電力濾波器的設(shè)計 46 可以看到這種檢測方法的優(yōu)勢。所以,兩種諧波快速檢測方法得到的諧波表達式是相同的: ? ?? ? ? ?? ? ????????????????????1222211a r c t a ns i n CCtCCtftftftf n? 兩種方法的共同缺點是存在一定的延時,延遲時間大約在幾毫秒,對于50HZ 的電網(wǎng)頻率來說,幾毫秒的延時還是允許的。21121121s i ns i n2s i nc o ss i ns i ns i ns i nCCCctntntntccttgttfFFnnnn???????????????? ??????????????????????? 從上面的兩個式子中可以看出,兩個向量的點積中含有直流分量和諧波分量。1112112c o sc o s2s i ns i ns i nc o sc o s)(s i nCCCnctnntnttncttgttfFFnnn???????????????? ??????????????????????? 點積 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文) 有源電力濾波器的設(shè)計 45 ? ? ? ?? ?39。在圖 中, )(tg 超前 )(tf 四分之一周期,即: ??????????????????????????????????????112s in4s in4)(nnnnnntnTtncTtftg????? 向量 1F 和 2F 為: ? ?? ?ttF ttF ?? ?? sin,c o s c o s,sin21 ? ?? 點積 ? ?? ?39。為避免求導(dǎo),采用圖 所示的沒有求導(dǎo)單元的二維系的波快速檢測的原理方框圖。2111112s i ns i n)c o s (c o s)s i n (s i ns i n)(c o s)(CCCcttnnttnccttgttfFFnnnn????????????????????????? 從上面兩式可以看出,兩個向量的點積中都含有直流分量和諧波分量。1111111c o sc o s)c o s (s i n)s i n (c o sc o s)(s i n)(CCCcttnnttnccttgttfFnnnn????????????????????????? ? ?39。由于 ? 為常量,可以在二維空間中設(shè)定另外兩個向量 1F 和 2F : )co s,(sin1 ttF ??? ???????????????????????? ( ) ? ? )s i n,( c o s)c o s (),2/s i n (2 tttwtF ????? ????? ?????????? ( )向量的點積 1FF? 和 2FF? 分別為 : ? ?39。 nn n tnnctf ??? ?? ??????????????????????? ( ) 由于電網(wǎng)頻率的波動很小,可以認為 ? 近似為常量,式 可以寫成 : )()c os ()(139。所以本文僅對有源電力濾波器的諧波電流快速檢測法予以介紹。此時,電網(wǎng)僅輸出基波有功分量。雖然在補償無功分量同時,對諧波分量也有一定的補償作用,但在補償后的電網(wǎng)電流中仍然有一定的諧波分量。若有源電力濾波器產(chǎn)生的補償電流與 lni 同相位,并且大小與 lni 大小相等,則電網(wǎng)電流中的諧波分量得到完全的補償,只還有基波分量。補償對象在不同的電力系統(tǒng)中是不同的。由于磁場平衡式霍爾傳 感器優(yōu)點很多,所以在逆變電路中得到廣泛的應(yīng)用。磁場平衡的條件是副邊補償電流的安匝數(shù)必須與原邊電流的安匝數(shù)相等即: sspp ININ ? ?????????????????????????? ( ) PN — 原邊匝數(shù); sN — 副邊匝數(shù); pI — 原邊電流; sI — 副邊補償電流; 所以在 PN 和 sN 已知的情況下, pI 和 sI 有一一對應(yīng)的關(guān)系即測得 sI ,便可以式 中得知 pI 的大小。它是由原邊電路,聚磁環(huán),霍爾元件,副邊線圈和放大器等組成的。所以在逆變電路中很少使用。它具有耐高壓,成本低,性能穩(wěn)定等優(yōu)點?;魻栯娏鱾鞲衅鞣譃閮深悾阂皇侵苯訖z測式霍爾電流傳感器。在用于單端電路,特別是用于升壓電路時,由于電感電流就是被測的輸入電流,在連續(xù)工作時,電感電流總是大于零,電流不存在“過零”的現(xiàn)象,電流互感器因不能去磁復(fù)位而飽和,從而使電流互感器失效,不能達到準確檢測電流的目的。電流過零時,使磁芯去磁復(fù)位的時間相當短,這就要求在電流互感器上加一個很大的方向偏壓,所以整流二極管 V 應(yīng)具有較高的耐壓。如果電流互感器和磁芯不能復(fù)位,將會逐漸導(dǎo)致磁芯飽和,這樣便不能準確測量電流值,并導(dǎo)致電流波形失真。若該電壓信號不夠大,可以后接直流放大器進行放大。因檢測電流小,損耗便小,相對于電阻檢測法可以選用較大阻值 Rs,一般可選用 1020 歐 [1]。在要求電氣隔離時必須采 用電流互感器檢測法。理想的電流互感器應(yīng)該有確定的電流比,使用時副邊必須不斷路。所以在高功率,電流逆變電源很少用電阻檢測法。但在大電流的逆變電路中由于被檢測的電流很大,取樣的電阻的功耗很大。在利用圖 ( a)的方法檢測電流時,需要在取樣電阻 Rs 旁邊并聯(lián)一個小的 RC 濾波上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文) 有源電力濾波器的設(shè)計 38 器,用來濾掉功率開關(guān)管關(guān)斷時在取樣電阻上產(chǎn)生的瞬態(tài)尖峰電流,此尖峰電流的幅度和脈寬足以使 C/A 鎖定。由于電阻反饋網(wǎng)絡(luò)檢測電壓比較簡單,下面僅對用于檢測電流的電阻檢測法,電流互感器檢測法和檢測電流(電壓)的霍爾電流(電壓)傳感器檢測檢測法予以介紹。另外,還可以采用霍爾電壓傳感器來進行電壓檢測。 圖 有源電力濾波器的控制系統(tǒng)的方框圖 電壓(電流)檢測器 電壓(電流)的作用是精確,快速的檢測電壓(電流)。它是有源電力濾波器的核心部件,其設(shè)計的成功與否決定了整個濾波器的質(zhì)量,也是本文的重中之重的內(nèi)容。按 LC 電路的諧振特性不同,注入電路分為 LC 串聯(lián)注入電路和 LC 并聯(lián)注入電路。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文) 有源電力濾波器的設(shè)計 36 圖 平衡電抗器疊加主電路的框圖
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