軌道車輛變頻空調(diào)諧波抑制應(yīng)用及仿真分析

盧明書, 牛 犇, 李玉奎, 尚 鋒

(山東朗進科技股份有限公司, 山東 萊蕪 271100)

0 引 言

軌道車輛變頻空調(diào)由車輛的輔助逆變電源(SIV)輸出三相AC 380 V/50 Hz電源給空調(diào)供電,空調(diào)輸入電壓通過其內(nèi)部三相不控整流電路轉(zhuǎn)換為直流母線電壓給變頻器供電,不控整流濾波電路屬于容性非線性負載,在AC/DC變換中對供電網(wǎng)側(cè)注入諧波電壓和諧波電流,成為空調(diào)最主要的諧波源。由于SIV容量與市電電網(wǎng)容量相比小很多,如果SIV的軟件沒有采取消除諧波電壓的控制算法,則SIV輸出諧波電壓含量將會超出標準限值。因此,必須改進SIV的軟件控制算法,空調(diào)輸入側(cè)諧波濾波器作為諧波抑制的輔助方案。本文從三相不控整流諧波電壓和諧波電流產(chǎn)生的原理進行諧波抑制分析計算[1-2]。

1 諧波產(chǎn)生原因

(1)

圖1 三相橋式不控整流等效電路、整流側(cè)和

圖2 整流器電流波形

由圖1、圖2可知,由于整流二極管導(dǎo)通角變小,三相電輸入正弦波電流波形變成窄脈沖波形,電流脈沖含有豐富的諧波分量,并且集中在(6K±1)次諧波。

2 諧波抑制方案

2.1 諧波研究現(xiàn)狀

解決電力電子裝置諧波有兩種方案,一是安裝諧波補償裝置來補償諧波,二是對諧波源本身進行改造,使其不產(chǎn)生諧波。

安裝諧波補償裝置常用的方法是采用LC調(diào)諧濾波器,既可補償諧波又可補償無功功率,而且結(jié)構(gòu)簡單,已被廣泛采用。但是LC調(diào)諧濾波器的補償特性受電網(wǎng)阻抗和運行狀態(tài)的影響,容易與系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振,導(dǎo)致諧波放大,使LC濾波器過載,甚至燒毀。

目前,諧波抑制是采用有源電力濾波器,基本原理是從補償對象中檢測出諧波電流,由補償裝置產(chǎn)生一個與諧波電流大小相等而極性相反的補償電流,從而使電網(wǎng)電流只含基波分量。有源電力濾波器也是一種電力電子裝置,一般功率在幾十至幾百千瓦以上,安裝使用需要占用較大的空間。

除了采取補償裝置對諧波進行補償外,也可開發(fā)新型變流器使其不產(chǎn)生諧波。新的變流器拓撲技術(shù)難度大,需要經(jīng)過市場驗證方可試用。大容量變流器減少諧波的方法主要采用多重化技術(shù),即將多個方波疊加,以消除次數(shù)較低的諧波,此種方法只用于大容量變流器的場合。

高功率因數(shù)整流器主要采用PWM整流技術(shù),但國際上對其研究較少,產(chǎn)品實現(xiàn)困難,且產(chǎn)品可靠性需要驗證。

2.2 創(chuàng)新方案設(shè)計

空調(diào)整流器負載功率較小,一般在10 kW以內(nèi),采取有源電力濾波器和多重化技術(shù)需要占據(jù)較大安裝空間,而PWM整流器控制復(fù)雜,可靠性差。考慮到軌道列車的安全性、可靠性要求高,列車輕量化對空調(diào)尺寸減小等因素,本文采用三相橋式不控整流輸入端方案串入LC并聯(lián)諧振槽路進行諧波抑制,以提高功率因數(shù)。軌道車輛變頻空調(diào)主回路原理圖如圖3所示,虛線框內(nèi)為LC并聯(lián)諧振槽路。

圖3 軌道車輛變頻空調(diào)主回路原理圖

2.3 理論推導(dǎo)

輸入端并聯(lián)諧振槽路的第n次諧波等效阻抗為

(2)

式中:XLra——輸入諧振電感Lra的基波阻抗;

XCra——輸入諧振電容Cra的基波阻抗。

根據(jù)前面分析,諧波頻譜中5次、7次諧波較高,設(shè)輸入LC諧振于6次諧波,感抗和容抗應(yīng)符合下列關(guān)系:

(3)

(4)

式中:Ia,n——電流Ia的第n次諧波分量的幅值;

θ1——A相相位角。

為使其通用性,電路參數(shù)做標幺化處理,此時Lra的標幺化值為

(5)

式中:Is——三相輸入電流;

Us——相電壓;

Ts——電源周期。

通過仿真軟件做出PF和Lra-N的曲線,由曲線可知Lra-N=0.4/2π時,輸入功率因數(shù)PF=0.99,在實際應(yīng)用可以選取Lra-N=0.015。

2.4 示例計算

3 仿真分析

采用電氣仿真軟件對圖3電路進行仿真分析,電抗器電感量取6 mH,電容器電容量取46 μF。

3.1 輸入端無LC并聯(lián)諧振槽路仿真波形數(shù)據(jù)

輸入電壓仿真波形數(shù)據(jù)(無LC并聯(lián)諧振槽路)如圖4所示,諧波電壓畸變率THDU=7.27%。

圖4 輸入電壓仿真波形數(shù)據(jù)(無LC并聯(lián)諧振槽路)

輸入電流仿真波形數(shù)據(jù)如圖5所示,諧波電流畸變率THDI=29.51%

圖5 輸入電流仿真波形數(shù)據(jù)(無LC并聯(lián)諧振槽路)

從圖4、5可以看出,電壓、電流波形畸變嚴重,電壓波形由正弦波變成梯形波,其中5次、7次諧波含量最大,如不進行抑制,則對交流母線電壓產(chǎn)生一定影響。

3.2 輸入端串聯(lián)LC并聯(lián)諧振槽路仿真波形數(shù)據(jù)

輸入電壓仿真波形數(shù)據(jù)如圖6所示,THDU=3.27%。

圖6 輸入電壓仿真波形數(shù)據(jù)(有LC并聯(lián)諧振槽路)

輸入電流仿真波形數(shù)據(jù)如圖7所示,THDI=16.90%。

圖7 輸入電流仿真波形數(shù)據(jù)(有LC并聯(lián)諧振槽路)

從圖6、7可看出,整流輸入端增加LC并聯(lián)諧振槽路后,輸入電壓、電流畸變得到顯著改善,諧波電壓畸變率由7.27%降低至3.27%,諧波電流畸變率由29.51%降低至16.90%。

4 試驗驗證

根據(jù)圖3主電路搭建空調(diào)測試平臺,空調(diào)運行制冷模式,用諧波測試儀測量空調(diào)AC 380 V輸入側(cè)諧波電壓、諧波電流數(shù)據(jù)。

4.1 輸入端無LC并聯(lián)諧振槽路試驗

輸入電壓、電流諧波測量數(shù)據(jù)(無LC并聯(lián)諧振槽路)如圖8所示。

圖8 輸入電壓、電流諧波測量數(shù)據(jù)

由圖8可知,諧波電壓畸變率為6.788%,諧波電流畸變率為29.950%,與仿真數(shù)據(jù)相吻合;5次諧波電壓畸變率占基波6.020%,7次諧波電壓畸變率占基波2.378%;5次諧波電流畸變率占基波28.422%,7次諧波電流占基波8.187%。

4.2 輸入端增加LC并聯(lián)諧振槽路試驗數(shù)據(jù)

輸入電壓、電流諧波測量數(shù)據(jù)(增加LC并聯(lián)諧振槽路)如圖9所示。

圖9 輸入電壓、電流諧波測量數(shù)據(jù)

由圖9可知,諧波電壓畸變率降低至4.061%,諧波電流畸變率降低至16.877%,功率因數(shù)提高至0.978 1;5次諧波電壓畸變率占基波3.613%,7次諧波電壓畸變率占基波1.466%;5次諧波電流畸變率占基波16.067%,7次諧波電流畸變率占基波4.592%。

5 仿真及試驗驗證結(jié)論

軌道車輛變頻空調(diào)三相橋式整流輸入端串聯(lián)LC并聯(lián)諧振槽路后,仿真數(shù)據(jù)和試驗數(shù)據(jù)基本吻合,并且滿足TB/T 3411—2015輸出電壓諧波含量≤10%,滿足IEC 61000-3-12—2011中諧波電流含量≤22%的要求(Rsce≥120),同時整流器功率因數(shù)得到提高,極大提高整流效率,降低輸入電源諧波電壓和諧波電流的百分比。

6 結(jié) 語

測試了軌道車輛變頻空調(diào)輸入網(wǎng)側(cè)的諧波電壓和諧波電流,測試結(jié)果均滿足標準要求。該方案的應(yīng)用減小供電線路發(fā)熱等電氣隱患,改善網(wǎng)側(cè)供電電能品質(zhì),并且LC并聯(lián)諧振槽路運行穩(wěn)定、可靠,為AC 380 V供電的軌道車輛變頻空調(diào)設(shè)計提供參考方案。