一种带PWM电流源的12脉波整流器研究

第４４卷第ｌ２期　电力电子技术　Ｖｏ１．４４，Ｎｏ．１２　２０１０年１２月　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｄｅｃｅｍｂｅｒ　２０１０　一种带ＰＷＭ电流源的１２脉波整流器研究　董晋明，孟凡刚，朱　屹，杨世彦　（哈尔滨工业大学，电气工程及自动化学院，黑龙江哈尔滨１５０００１）　摘要：１２脉波整流电路的输入电流含有大量谐波，在大功率场合会产生严重的危害。为此研究了一种带有源ＰＷＭ　电流源的１２脉波整流器．通过增加一个小功率的半桥逆变电源．将其产生的特定三角波电流注入到整流器直　流侧，即可有效抑制电网三相电流的谐波，使电网输入电流接近正弦波。分析了该整流器的谐波抑制原理，给　出了有源ＰＷＭ电流源的硬件实现方案。实验结果表明该系统结构简单．谐波抑制效果好。有较高的实用价值。　关键词：１２脉波整流器；电流注入；谐波抑制　中图分类号：ＴＭ４６１　文献标识码：Ａ　文章编号：１０００一ｌＯＯＸ（２０１０）１２—０ｌｌ０一ｏ３　１２．Ｐｕｌｓｅ　Ｄｉｏｄｅ　Ｒｅｃｔｉｉｆｅｒｓ　ｗｉｔｈ　ａｎ　Ａｃｔｉｖｅ　ＰＷＭ　Ｃｕｒｒｅｎｔ　Ｓｏｕｒｃｅ　ＤＯＮＧ　Ｊｉｎ－ｕｒｉｎｇ，ＭＥＮＧ　Ｆａｎ—ｇａｎｇ，ＺＨＵ　Ｙｉ，ＹＡＮＧ　Ｓｈｉ—ｙａｎ　（Ｈａｒｂｉｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ　１５０００１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：１２－ｐｕｌｓｅ　ｄｉｏｄｅ　ｒｅｃｔｉｉｆｅｒｓ　ｓｔｉｌｌ　ｉｎｃｌｕｄｅ　ｌａｒｇｅ　ｈａｒｍｏｎｉｃ　ｃｏｎｔｅｎｔｓ　ｉｎ　ｔｈｒｅｅ—ｐｈａｓｅ　ｉｎｐｕｔ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ａｎｄ　ｍａｎｙ　ｓｅｒｉｏｕｓ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ａｒｅ　ｃａｕｓｅｄ　ｉｎ　ｌａｒｇｅ　ｐｏｗｅｒ　ｏｃｃａｓｉｏｎｓ　ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ　ａ　１２一ｐｕｌｓｅ　ｄｉｏｄｅ　ｒｅｃｔｉｉｆｅｒ　ｗｉｔｈ　ａｎ　ａｃ￣ｖｅ　ＰＷＭ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｓｏｕｒｃｅ．Ａ　ｌｏｗ　ｐｏｗｅｒ　ｈａｌｆ—ｂｒｉｄｇｅ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ　ｉｎｊｅｃｔｓ　ｔｈｅ　ｓｐｅｃｉｉｆｃ　ｔｉｒａｎｇｕｌａｒ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｉｎｔｏ　ＤＣ　ｌｉｎｋ　ａｎｄ　ｔｈｅｎ　ｌａｒｇｅ　ｈａｒｍｏｎｉｃ　ｃｏｎｔｅｎｔｓ　ｉｎ　ｔｈｒｅｅ—ｐｈａｓｅ　ｉｎｐｕｔ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ａｒｅ　ｒｅｓｔｒａｉｎｅｄ　ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ．Ａｔ　ｔｈｉｓ　ｔｉｍｅ，ｔｈｅ　ｗａｖｅｆｏｒｍ　ｏｆ　ｔｈｒｅｅ－ｐｈａｓｅ　ｌｉｎｅ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｉｓ　ｎｅａｒｌｙ　ｓｉｎｕｓｏｉｄａ１．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ａｎａｌｙｚｅｓ　ｉｔｓ　ｈａｒｍｏｎｉｃ　ｒｅｓｔｒａｉｎｔ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ａｎｄ　ｄｅｓｉｇｎｓ　ｔｈｅ　ｈａｒｄ—ｗａｒｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ．　Ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　２　ｋＷ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ　ｉｎｄｉｃａｔｅ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｔｈｉｓ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｓｉｍｐｌｅ　ａｎｄ　ｈａｒｍｏｎｉｃ　ｃｏｎｔｅｎｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｌｉｎｅ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｃａｎ　ｂｅ　ｓｕｐｐｒｅｓｓｅｄ　ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ．Ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｉｓ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｉｓ　ｈｉｇｈ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：１２一ｐｕｌｓｅ　ｒｅｃｔｉｉｆｅｒ；ｃｕｒｒｅｎｔ　ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ；ｈａｒｍｏｎｉｃ　ｒｅｓｔｒａｉｎｔ　１　引　言　扑。输入三相电压Ｕ　，‰，／Ｚ　经移相变压器分成两　在单相中小功率电力电子系统中．有源ＰＦＣ　组幅值相同、相位分别相差３０。的电压　，‰　，　在功率因数校正和谐波消除上已经得到了广泛应　和“也，　比，Ｕ以。两个三相二极管整流桥通过零序阻　用…。中大功率整流系统多采用多脉波整流进行　塞变压器（ＺＳＢＴ）以及ＡＩＰＴ的初级并联，分别由　谐波抑制。该方法通过提高整流脉波数。使网侧电　“ａｌ，Ｍｂ１，　。１和Ｍａ２，ｕｂ２，Ｍｃ２供电。三角波电流通过　流波形接近正弦波。提高整流脉波数的方法主要　ＡＩＰＴ的次级注入到整流器直流侧。　分为增加整流桥个数和用抽头变换器代替平衡电　抗器两类ｆ２】，但各自都有缺点。针对以上问题，探　讨了一种带ＰＷＭ电流源的１２脉波整流器　在有　源平衡电抗器（ＡＩＰＴ）的次级接一个有源ＰＷＭ电　流源．通过在整流器直流侧注入特定的三角波电　流来抑制网侧电流谐波，其主要优点是不仅能抑　制低次谐波，对高次谐波也有很好的抑制能力　２　带ＰＷＭ电流源的１２脉波整流器　２．１整流器概述　图１示出带ＰＷＭ电流源的１２脉波整流器拓　图１带ＰＷＭ电流源的１２脉波整流器　定稿日期：２０１Ｏ一０４—２９　当此电流源不工作时．整流器工作于１２脉波　作者简介：董晋明（１９８５一），男，河北秦皇岛人，硕士，研究　整流状态；当电流源正常工作时，输出的三角波电　方向为电力电子变换技术。　流满足：①频率为电网电压频率的６倍；②峰值　ｌ１０　一种带ＰＷＭ电流源的１２脉波整流器研究　为±０．５　（，ｄ为负载电流，是恒值）；③在相位上，三　角波的波峰对应Ｕ　，ｕ　，Ｕ　：的两两交点，波谷对应　ｕ　，Ｕ　，Ｕ。　的两两交点。将满足以上条件的三角波　电流通过ＡＩＰＴ次级注入到整流器直流侧，即可有　效抑制电网电流谐波。　２．２整流器谐波抑制原理　考虑电网ａ，ｂ．ｃ三相完全对称的情况，在此仅　对ａ相进行分析，其余两相与其相同。设ＡＩＰＴ初　级匝数为２Ⅳｍ，次级匝数为Ⅳｘ，注入到次级的电流　为ｉ　，两组整流桥输入电流分别为ｉ　，ｉ　州ｉ和ｉ　，　ｉ　，　，输出电流分别为　ｉ　。根据文献［３—４】得：　７．　ｉａ＝／，　１＋　＋——　二（　ｃ２一ｉｈ２＋　ｂ１一ｉ　１）　（１）　、／３　Ｎｍ（　ｄ】一ｉｄ２）＝Ｎｘｉ　，　Ｉｄ＝ｉｄ１＋　以　（２）　［　］　＝［　Ｓ　ＳｅｎｉＴｉ＋，　＝１，２　（３）　式中：　，　，　为整流桥开关函数；ｋｌ＝ｔａｎｌ５。。　根据上式．注入ｉ　后电网ａ相电流为：　：：　２　ｌ　ｌ　ｓ　１＋５８２＋——、／３　　兰　（５ｂｌ—ｓ　１＋ｓｃ２—５ｂ２）Ｉｊ　＋　盟．　．　２ＮＩ　Ｓａｌ－－Ｓ８２＋——　１　（５ｂ１—５　１＋　ｂ２一ｓｃ２）ｌ，　（４）　ｍ【　、／３　ｊ　设ｉ　谐波完全消除，而且相位与输入电压相　同，即　：、／　Ｌｓｉｎｗｔ，，ａ为ａ相输入电流有效值。　忽略系统损耗．即让输入功率等于输出功率，可得　Ｌ＝Ｏ．８０７Ｉｄ，则注入电流ｉ　为：　：　±　三２　二　！±　二　２］（５）　【＾　（２Ｊ７、　）】［Ｓ　１－Ｓ　十（Ｊｃｃｔ／、／３）（Ｓ　１－Ｓ。　＋Ｓｈ２一Ｓｃ２）】　式中：　＝１．１４１１￣ｓｉｎｗｔ。　取Ⅳｘ：２Ⅳｍ：１，用Ｍａｔｌａｂ画出ｉ　在［０，２订】内的　瞬时波形，如图２ａ所示。其中，ｉ　波形断续是由于　在相应区间式（５）分母为零所致，ｉ　，ｉ　，ｉ　分别为注　入ｉ　后，根据式（４）所得电网三相电流波形。　可见，注入图２ａ所示ｉ　到１２脉波整流器直　流侧，可以完全消除ｉ　谐波，但ｉ　，ｉ　的谐波抑制效　果不好。观察ｉ　的波形，发现其近似为一个频率为　６倍电网电压频率、峰值为±０．５　的三角波。同时，　ｉ　，ｉ　的交点与ｉ　上升沿过零点同相位。因为电网　电压与电流同相位，所以Ｈ　，ｕ。的交点与ｉ　上升沿　过零点同相位。另外，Ｕ　，Ｕ　分别滞后‰，Ｕ。３０。，ｉ　的波峰滞后其上升沿过零点３Ｏ。，因此在相位上，　三角波的波峰对应　，Ｍ　，ｕ　的两两交点。同理，　波谷对应　，　，Ⅱ　的两两交点。　满足上述要求的电流ｉ　波形如图２ｂ所示。其　中，　，ｉ　，ｉ　为注入ｉ　后得到的电网三相电流波　形．它们形状相同，只是相位相差１２０。，且波形已　很接近理想正弦波。整流桥ａ相输入电流波形如　图２ｃ所示。将　进行傅里叶级数展开可得：　＝ｎ，荟　ｉ＝１　ｎｎ　、　…　）　（６）　（ｔ）ｆ　“）ｌ　（ｂ）注入　ｘｒ时电网输入电流　（ｃ）ｉ：ｉ　入ｉ　ｒ后整流桥ａ丰ＩＩ输入电流　图２电流波形　同理可得：　ｆｉ　：∑　ｓｉ　Ｉ　∞　‰：　Ｎ．Ｉ　１　ｓｉｎｎ（ｂ一２＂ｒｒ／３），ｉｂ２＝　Ｎ．、　ｓｉｎｎ（ａ一２￣ｒ／３）（７）　ｌ　三．　三　：∑　ｓｉ　凡（６＋２１Ｔ／３），　以：∑　ｉｎ凡（叶２耵／３）　Ｌ　＝１　ｎ　１　式中：ａ＝ｏ）ｔ—Ｉｖ￣１２；ｂ＝ｗｔ＋￣ｒ／１２。　＝　等（２ｃ０ｓ詈一ｓ孚一　）】（８）　由式（１）及式（６）～（８）可得ｉ　为：　＝　Ａ　ｓｉｎｒｕａｔ　（９）　式中：Ａ　一一５　９．５Ｌ１２【　Ｉｓｉｎ等【２ｃ０ｓ詈一孚一　ｓ嚣＋　鲁ｓｉｎ孕ｓｉｎ器。　用Ｍａｔｌａｂ分析ｉ　的各次谐波值，发现不仅有　效抑制了５次、７次谐波，１２ｋ＋１（　＝１，２，３…）次谐　波也几乎消除。可见，在１２脉波整流器直流侧注　入要求的三角波电流后，电网三相电流的谐波得　到了有效抑制。　２．３　ＰＷＭ电流源电路实现　图３示出ＰＷＭ电流源结构。主电路采用单相　电压型半桥结构，只有两个开关管，只需两路驱动　信号，可简化电路的设计，降低成本。主电路由１２脉　波整流器输出电压　供电，输出端接ＡＩＰＴ的次　级．中间加入ＬＣ低通滤波器，滤除输出电流信号　中的高频成分，得到满足要求的三角波电流。　１　１　１　第４４卷第１２期　２０１０年１２月　电力电子技术　Ｐｏｗｅｅ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｖｏ１．４４，Ｎｏ．１２　Ｄｅｃｅ／ｌｑｂｅｒ　２０１０　＋－Ｃ　Ｒ．０一～＿ｖｓ＿ｄ　午Ｉ　ｌ　ｚ９　‘　－＝｝ｌ　磊　：：：　３　实验结果　实验参数：ｌ２脉波整流器输出功率为２　ｋＷ．　额定负载为２０　Ｑ．平波电抗器为１０　ｍＨ。ＰＷＭ电　流源滤波电感为４４０　Ｈ，滤波电容４．７　Ｆ。有源　图３　ＰＷＭ电流源的总体结构　ＰＷＭ电流源不工作时．电网电流波形为１２脉波　电流检测包括负载电流，ｄ和输出电流ｉ　检　测。负载电流采用电流霍尔传感器检测．其输出决　定同步参考信号的峰值。有源ＰＷＭ电流源输出　电流采用电流互感器检测．其输出信号经ＲＣ低　电流，如图６ａ所示。有源ＰＷＭ电流源工作时，输　出三角波电流如图６ｂ所示。此时，电网电流波形　如图６ｃ所示。对比图６ａ，１２可见，在整流器直流侧　注入满足要求的电流时，网侧电流谐波大大减少。　通滤波后作为反馈信号，实现电流闭环控制　参考信号生成电路输出同步三角波参考信　号，它作为ＰＷＭ电流源输出电流的基准．要保证　相位与移相变压器输出电压的严格对应　移相变　压器输出的两组电压经过△．Ｙ同步采样变压器、　ＲＣ低通滤波器后输出两组电压“　ｕ　“　和　／Ｚａ２．￣，Ｍ　，“　，经过电压比较器、数字逻辑电路处　理。输出同步方波信号，再由模拟积分器转换为同　步三角波信号，其峰值为±１　Ｖ。负载电流检测电路　的输出信号　与其相乘，得到同步参考信号。设　计的同步方波信号生成电路如图４所示　图４同步方波信号生成电路　图５示出ＰＷＭ信号生成电路。同步参考信号　与输出电流反馈信号一起送入ＰＩ调节器．再经　ＰＷＭ电路得到两路带死区的ＰＷＭ互补信号。其　中，设计的ＰＷＭ生成电路采用三角波作为载波．　输出电流所含谐波少，有利于输出滤波器的设计　ｌ　５　Ｖ　＋１　５　Ｖ　图５　ＰＷＭ信号生成电路　ｌ１２　：　、　Ｉ／［　５　ｍｓ／格１　（ａ）ＰＷＭ电流源不工作时电网电流　ＶＶ“　¨Ｖ４　　Ｖ　《Ｖ｛枷　　Ｖ　Ｖ　曩　＾　／＾＼　．　／八＼　／＾＼　＼＼ｊ　ｉ　１　．　．ｔ／（５　ｍ　ｓ　恪）ｔ／（５　ｍｓ／格）　（ｈ）ＰｗＭ电流游输出电流　（ｃ）ＰＷＭ电流源工作时电嘲电流　图６实验波形　４　结　论　研究了一种带ＰＷＭ电流源的１２脉波整流　器，分析了其有效抑制电网输入电流谐波的原理，　并给出了电流源的电路实现方案。实验表明，在　１２脉波整流器直流侧注入满足要求的三角波电　流，不仅可以抑制５次、７次谐波，还可有效抑制　１２ｋ＿＋１（ｋ＝ｌ，２，３…）次谐波，使电网输入电流波形　接近正弦波，从而保证了电网的电能质量。　参考文献　ｆｌ】佘旭，邹云屏，吴振兴，等．基于移相全桥技术的大　功率整流装置的研究［Ｊ】．电力电子技术，２００８，４２（９）：　５８—６０．　［２１　Ｂ　Ｓｉｎｇｈ，Ｇ　Ｂｈｕｖａｎｅｓｗａｈ，Ｖ　Ｇａｒｇｅ．Ｐｕｌｓｅ　Ｍｕｈｉｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｉｎ　ＡＣ／ＤＣ　Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ　ｆｏｒ　Ｈａｒｍｏｎｉｃ　Ｍｉｔｉｇａｔｉｏｎ　ｉｎ　Ｖｅｃｔｏｒ－　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ　Ｍｏｔｏｒ　Ｄｒｉｖｅｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｔｍｎｓ．Ｅｎｅｒ－　ｇＹ　Ｃｏｎｙ．，２００６，２１（２）：３４２－３５２．　【３］Ｃｈｏｉ　Ｓ，Ｅｎｊｅｔｉ　Ｐ　Ｎ，Ｌｅｅ　Ｈ　Ｈ，ｅｔ　ａ１．Ａ　Ｎｅｗ　Ａｃｔｉｖｅ　Ｉｎｔｅｒ—　ｐｈａｓｅ　Ｒｅａｃｔｏｒ　ｆｏｒ　１２一Ｐｕｌｓｅ　Ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ　Ｐｒｏｖｉｄｅｓ　Ｃｌｅａｎ　Ｐｏｗｅｒ　Ｕｔｉｌｉｔｙ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ．ｏｎ　Ｉｎｄ．Ａｐｐｈｃａ—　ｔｉｏｎｓ，１９９６，３２（６）：１３０４—１３１１．　［４】Ｂａｎｇ　Ｓｕｐ　Ｌｅｅ，Ｊａｅｈｏｎｇ　Ｈａｈｎ，Ｐｒａｓａｄ　Ｎ　Ｅｎｊｅｆｉ，ｅｔ　ａ１．Ａ　Ｒｏｂｕｓｔ　Ｔｈｒｅｅ—ｐｈａｓｅ　Ａｃｔｉｖｅ　Ｐｏｗｅｒ　Ｆａｃｔｏｒ　Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｈａｒｍｏｎｉｃ　Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ　Ｓｃｈｅｍｅ　ｆｏｒ　Ｈｉｇｈ　Ｐｏｗｅｒ【Ｊ】．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ．ｏｎ　Ｉｎｄ．Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．，１９９９，４６（３）：４８３－４９４．