耦合變壓器型串聯(lián)直流有源濾波器的研究

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直流側(cè)電流紋波，這樣以直流側(cè)檢測出來的電流經(jīng)過低通濾波器將紋波電流從直流中分離出來，此紋波電流經(jīng)放大后做為給定信號，產(chǎn)生PWM信號，由IGBT逆變放大，通過耦合變壓器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送回直流主回路，來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，紋波的檢測致關(guān)重要，若檢測不出來就無法抵消主回路紋波.其控制回路主要由時(shí)鐘發(fā)生器、濾波回路、紋波檢測、指令電流形成電路，PWM信號形成電路及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裝置（有源濾波器給定），耦合變壓器T6的原邊，見圖1。

（1）電流檢測裝置

采用型號為LA 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開路電壓,0.5A/0.5us電流上升率）；②警戒網(wǎng)式門脈沖波形；③等距數(shù)字門延信號；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及電流紋波反饋信號都是通過型號為LA 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送回直流主回路，來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?，又同時(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)磁電流相對一般變壓器比較大。這樣，無論APF是否投入工作，直流側(cè)主電路的電流都能順利地通過耦合變壓器(此時(shí)起電抗器的作用)。否則，在系統(tǒng)剛開起時(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中直流成分，得到一個(gè)干凈的交流紋波信號，通過比例放大器，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,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)生的紋波電流信號通過變壓器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對比后計(jì)算：

3.4 負(fù)載兩端電流紋波傅立葉分析

通過比較圖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。

通過對以上數(shù)據(jù)的分析和總結(jié)，可以得出，該類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

圖4 APF投入

圖5 APF斷開

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)用直流電源等場合具有比較廣闊的應(yīng)用前景。

表1 紋波衰減倍數(shù)