探討進(jìn)線電抗器與串聯(lián)電抗器抑制諧波的機(jī)理

      探討進(jìn)線電抗器與串聯(lián)電抗器抑制諧波的機(jī)理
      摘 要：大容量的變流器供電系統(tǒng)減少向電網(wǎng)注入諧波的主要方法是采用多相整流電路和變流器的多重化技術(shù)，一般需要采用多繞組移相變壓器進(jìn)行電路移相。該文提出了一種用進(jìn)線電抗器與串聯(lián)電抗器取代移相變壓器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可大大降低移相電路的成本。

      本文分析了進(jìn)線電抗器與串聯(lián)電抗器的諧波抑制機(jī)理，介紹了進(jìn)線電抗器與串聯(lián)電抗器的結(jié)構(gòu)、最佳移相角的選取、移相繞組連接方式及移相繞組匝數(shù)的確定等。對(duì)具有進(jìn)線電抗器與串聯(lián)電抗器的六相整流系統(tǒng)進(jìn)行了基于SIMULINK的數(shù)字仿真和實(shí)驗(yàn)研究，并與未采用移相方式的三相全波整流電路進(jìn)行了對(duì)比分析。仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的電流頻譜分析表明，采用進(jìn)線電抗器與串聯(lián)電抗器的六相整流電路對(duì)于電源側(cè)的5、7、11和13次電流諧波有較好的抑制效果。

      關(guān)鍵詞：進(jìn)線電抗器；串聯(lián)電抗器； 多相整流電路； 抑制諧波； 移相電抗器； 

      一、引  言
　　由于變流裝置中用作換流元件的電力半導(dǎo)體器件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，變流器產(chǎn)生的電壓和電流多為非正弦波形，包含了大量的諧波。近年來(lái)，隨著電力電子裝置的廣泛應(yīng)用，使得電力電子變流裝置成為電力系統(tǒng)最大的諧波源。電壓和電流諧波對(duì)用電和通信設(shè)備產(chǎn)生一系列不利影響，因而諧波抑制成為變流器供電系統(tǒng)亟待解決的問(wèn)題。
　　
　　在各種電力電子裝置中，整流裝置所占的比例最大，也是最大的諧波來(lái)源。大容量的變流器供電系統(tǒng)減少向電網(wǎng)注入諧波的主要方法是采用多相整流電路和變流器的多重化技術(shù)，一般需要采用多繞組移相變壓器進(jìn)行電路移相。本文所介紹的是用進(jìn)線電抗器與串聯(lián)電抗器取代移相變壓器的一種新型電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由于進(jìn)線電抗器與串聯(lián)電抗器是串聯(lián)在主電路中，需要的移相線圈匝數(shù)很少，與移相變壓器相比，體積和重量要小得多，從而可大大降低移相電路的成本。

　　本文論述了進(jìn)線電抗器與串聯(lián)電抗器諧波抑制的工作原理與設(shè)計(jì)方法，包括最佳移相角的選取、進(jìn)線電抗器與串聯(lián)電抗器結(jié)構(gòu)、移相繞組匝數(shù)與連接方式的確定等。對(duì)具有進(jìn)線電抗器與串聯(lián)電抗器的六相整流系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)字仿真和實(shí)驗(yàn)研究，并與未采用移相方式的三相全波整流電路進(jìn)行對(duì)比分析，證明采用進(jìn)線電抗器與串聯(lián)電抗器的多相整流電路對(duì)電源側(cè)的電流諧波確有較好的抑制效果。

      二、進(jìn)線電抗器與串聯(lián)電抗器的理論分析
　　1、進(jìn)線電抗器與串聯(lián)電抗器的工作原理
　　進(jìn)線電抗器與串聯(lián)電抗器的作用是用來(lái)削弱或消除電力半導(dǎo)體變流裝置和非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流和電壓對(duì)供電系統(tǒng)的影響�？紤]到三相對(duì)稱供電系統(tǒng)中一般以5、7、11和13次諧波含量較大且對(duì)系統(tǒng)影響較為嚴(yán)重，故進(jìn)線電抗器與串聯(lián)電抗器可主要針對(duì)綜合削弱這幾次諧波來(lái)設(shè)計(jì)。其工作原理可由圖1所示電路接線圖及相量圖說(shuō)明。

      如圖1(a) 所示，將一相電流I分為2個(gè)支路電流I1和I2。通過(guò)適當(dāng)選取移相繞組的匝數(shù)和接線方式可使支路電流的基波和I1相對(duì)于相電流基波I1 分別移相a 角和－a 角，則基波相電流與支路電流的相量關(guān)系如圖1(b)所示。由于a 角較小，總的相電流基波即采用移相后對(duì)基波電流的影響不大。然而，采用移相接法對(duì)諧波分量的影響卻較大。以5次諧波電流為例，2支路的5次諧波電流相對(duì)于相電流基波I1 分別被移相5a 和－5a 角，如圖1(c)所示，由于接近于大小相等和方向相反，使來(lái)自負(fù)載端由于半導(dǎo)體變流器或非線性負(fù)載產(chǎn)生的5次電流諧波接近互相抵消，從而減輕或削弱了負(fù)載諧波電流對(duì)供電系統(tǒng)的影響。

　　2、最佳移相角的確定
　　由上面分析可知，通過(guò)選取某個(gè)特定的移相角可消除某次諧波電流的影響，如取a =18度，則可消除5次諧波。想通過(guò)選定某個(gè)特定的移相角來(lái)同時(shí)消除多次諧波帶來(lái)的影響是不可能的。要想通過(guò)選定某個(gè)特定的移相角同時(shí)對(duì)幾次諧波都有較好的削弱作用，必須綜合考慮移相角對(duì)各次諧波的影響。不同移相角對(duì)基波和5、7、11和13等主要次諧波的衰減作用如圖2示�？紤]到5次和7次諧波分量通常比11和13次諧波含量大且對(duì)供電系統(tǒng)的影響更為嚴(yán)重，可選取移相角a≈11度。

　　3、進(jìn)線電抗器與串聯(lián)電抗器的結(jié)構(gòu)和移相繞組聯(lián)結(jié)方式
　　三相進(jìn)線電抗器與串聯(lián)電抗器的繞組接線原理如圖3所示。圖中X、U1和U2端，Y、V1和V2端及Z、W1和W2端所在的三組線圈分別繞在同一鐵心柱上，各移相繞組的電壓相量和同一鐵心繞組間的同名端也被表示出來(lái)。通過(guò)繞組匝數(shù)的調(diào)整和相間換接，可獲得所需移相角。三相進(jìn)線電抗器與串聯(lián)電抗器的鐵心一般可采用兩種結(jié)構(gòu)型式，即如圖4所示的由3個(gè)獨(dú)立鐵心構(gòu)成的三相進(jìn)線電抗器與串聯(lián)電抗器和采用單一五柱式鐵心的三相進(jìn)線電抗器與串聯(lián)電抗器。

　　具有3個(gè)獨(dú)立鐵心的三相進(jìn)線電抗器與串聯(lián)電抗器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和易于制造，與圖4(b)所示五柱式鐵心結(jié)構(gòu)相比，缺點(diǎn)是用鐵量大。五柱式鐵心相當(dāng)于圖4(a)所示3個(gè)獨(dú)立的單相電抗器，不采用傳統(tǒng)的三柱式鐵心而增加兩個(gè)小截面的心柱是為諧波磁通（主要是由3的倍數(shù)次諧波電流產(chǎn)生的零序磁通）提供通路，以減小諧波磁場(chǎng)的影響和改善電磁兼容性。與基波磁通相比，零序磁通相對(duì)較小，故可采用小截面。顯然，采用五柱式鐵心可以節(jié)省鐵心材料。

　　4、移相繞組電壓與匝數(shù)的確定
　　圖3所示的三相進(jìn)線電抗器與串聯(lián)電抗器繞組電壓的相量關(guān)系如圖5所示。設(shè)電氣中性點(diǎn)為O，UX為A相輸入相電壓，而UV1和UV2分別輸出移相電壓。因三相進(jìn)線電抗器與串聯(lián)電抗器的三組繞組呈對(duì)稱連接，故其它兩組線圈移相規(guī)律與A相相同并互差120度。顯然，對(duì)于不同的供電電源電壓及不同的移相角，移相繞組上的電壓UAX、UBY和UCY是不同的。設(shè)移相繞組上電壓的有效值為由式(4)可確定移相繞組的電壓和匝數(shù)。

      三、具有進(jìn)線電抗器與串聯(lián)電抗器的六相整流系統(tǒng)
　　1、系統(tǒng)仿真研究
　　具有進(jìn)線電抗器與串聯(lián)電抗器的六相整流系統(tǒng)原理接線圖如圖6所示。所用進(jìn)線電抗器與串聯(lián)電抗器由如圖4(a)所示的3個(gè)獨(dú)立鐵心組成，系統(tǒng)由線電壓380 V、頻率50 Hz的正弦波電源供電。根據(jù)式(4)求得移相繞組電壓的有效值UA、UB和UC分別為5.06 V、40.7 V和45.54V，相應(yīng)的移相繞組匝數(shù)分別為7、54和61。

　　使用MATLAB的動(dòng)態(tài)仿真工具Simulink對(duì)該六相整流系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，系統(tǒng)仿真模型如圖7所示。圖7(a)為總模型，其中包括進(jìn)線電抗器與串聯(lián)電抗器和二極管2個(gè)子模塊。圖7(b)為進(jìn)線電抗器與串聯(lián)電抗器模塊，每個(gè)互感線圈子模塊中需輸入每個(gè)線圈的電阻、自感和線圈間互感等參數(shù)。外加線電壓380 V、頻率50 Hz的三相對(duì)稱電源。負(fù)載電阻R=25W，電感L=0.01H，濾波電容C=10UF。

　　進(jìn)線電抗器與串聯(lián)電抗器的輸入端電流ia的仿真波形如圖8(a)所示。為了將移相與不移相的諧波抑制效果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)帶相同負(fù)載未移相的三相全波整流電路也進(jìn)行了仿真，其電源側(cè)電流仿真波形如圖8(b)所示。對(duì)兩種情況下的電流進(jìn)行了頻譜分析，諧波含量對(duì)比如圖9所示（I1和In分別代表基波和第n次諧波電流的有效值）�？梢�(jiàn)，移相后的電源側(cè)電流中5、7、11和13等主要次諧波分量皆有下降。

　　2、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
　　實(shí)驗(yàn)所用三相進(jìn)線電抗器與串聯(lián)電抗器和仿真所用模型相同，三種移相繞組的匝數(shù)分別取為7、54和61匝。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。由圖10(a)可見(jiàn)，移相繞組電壓UV1和UV2分別超前和滯后于輸入端相電壓UX 約11度。當(dāng)整流輸出帶25W電阻和0.01 H電感串聯(lián)組成的感性負(fù)載時(shí)，測(cè)得的電源側(cè)電流如圖10(b)所示。帶相同負(fù)載而未經(jīng)移相的三相全波整流電路的電源側(cè)電流如圖10(c)所示。兩種情況下電源側(cè)電流頻譜分析對(duì)比如圖10(d)所示。由圖10(b)和10(c)對(duì)比可知，進(jìn)線電抗器與串聯(lián)電抗器電源側(cè)的電流更接近于正弦波，圖10(d)的電流頻譜對(duì)比則更加清晰的說(shuō)明了采用進(jìn)線電抗器與串聯(lián)電抗器能綜合削弱變流器產(chǎn)生的諧波電流。

      四、結(jié)  論
　　1、進(jìn)線電抗器與串聯(lián)電抗器對(duì)變流器供電系統(tǒng)的諧波抑制機(jī)理與移相變壓器相似，但其體積小而成本低。
　　2、通過(guò)采用合理的相間繞組連接方式和選取合適的移相繞組匝數(shù)，可獲得所需要的移相電壓，從而削弱向電網(wǎng)注入的某些諧波。
      3、具有進(jìn)線電抗器與串聯(lián)電抗器的六相整流系統(tǒng)的仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，進(jìn)線電抗器與串聯(lián)電抗器確有較好的諧波抑制效果，具有良好的應(yīng)用前景。

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