《不控整流器有源电感的设计》11000字（论文）

[16]。利用LC滤波器的低通滤波特性，改变了交直流成分的比例，滤除高频分量，减小了电路的脉动系数，改善了直流电压的质量。滤波电路原理图如图2.6所示，滤波后电压如图2.7所示。若u2处于正半周，二极管VD1、VD4导通，变压器次端电压u2给电容器C充电，此时C相当于并联在u2上，所以输出波形同u2一样，是正弦波。而当u2到ωt=π/2时，u2开始下降。先假设二极管关断，电容C就要以指数规律向负载R放电。指数放电起始点的放电速率很大。在刚过ωt=π/2时，正弦曲线下降的速率很慢。所以刚过ωt=π/2时二极管仍然导通。在超过ωt=π/2后的某个点，正弦曲线下降的速率越来越快，当刚超过指数曲线起始放电速率时，二极管关断。所以C两端电压一部分按正弦规律变化，一部分按指数曲线下降，放电时间常数为RCREF_Ref38477973\r\h图2.6滤波电路原理图图2.7滤波输出电压单相不控整流在加入LC滤波器后，其负载输出平均电压Vd变大，交流成分减少，并且RC的值越大，电容C的放电速率越慢，导致负载中的纹波成分减少，负载的平均电压越大。为了在输出端得到尽可能平滑的负载电压，一般取RC≥式中T为交流侧电源电压的周期。综合考虑，滤波电容C的取值为3300μFLC滤波器的截止频率的表达式:f由上面公式计算可得L=2.5mH3.3有源电感主电路器件选型与参数计算有源电感的主电路类似于全桥逆变器，通过由采用滞环控制的电流内环和采用PI控制器的直流母线电压外环组成的控制器来控制该逆变器，使其等效输出阻抗为感性，直流侧电容的主要作用是稳定电压,理论上电容值越小,则直流侧电容电压波动越大,而电容值越大则越有利于直流侧的电压维持稳定,但电容值越大，其制造成本越高,有源电感的体积也越大,不利于工程应用,因而合理的选择直流侧电容值显得尤为重要。在文献中[21]介绍了直流侧电容器电容值的设计方法。设直流侧电容电压的理论参考值为Udc,则电容器的储存能量为：Wdc定义直流侧电容电压的最大允许偏离值为∆Uλ=允许的直流侧电容电压最大值和最小值分别为UU由式(5-6)可以得到电容器允许最大的能量脉动为:∆W在上式中，∆Wdcmax和λ要根据具体补偿要求确定，Udc在上节中已确定为60VC=直流电容选取与系统功率容量,交流滤波电感,直流侧电压及输入电源电压的幅值都有关系,经综合考虑,本文选用1000μF的电容。在实际应用中,为了使有源电感的补偿电流能快速地跟随指令电流的变化,因此必须要采用开关速度快的器件。同时,要根据滤波器的容量实际大小来选取器件的电压和电流等级。除此之外,还要根据实际补偿要求选择器件的开关频率。目前,有源电感主电路所采用的电力电子器件多为GTO、MOSFET和IGBT，下图分析了三种器件的优缺点器件优点缺点IGBT开关速度较快，开关损耗小，具有耐脉冲电流冲击的能力，通态电压降较低，输入阻抗高，为电压驱动，驱动功率小。开关速度低于电力MOSFET，电压、电流容量不及GTO电力MOSFET开关速度高快，输入阻抗高，热稳定性好，所以驱动功率小，切驱动功率简单，工作频率高，不存在二次击穿问题电流容量小，耐压低，一般只适用于功率较小的电力电子装置GTO电压、电流容量大，适用于大功率场合，具有电导调制效应，其流通能力很强电流关断增益很小，关断时门极负脉冲电流大，开关速度低，驱动功率大，驱动电路复杂，开关评率低。综合考虑，本文所提出的有源电感选取IGBT作为其主电路器件,由于其工作频率很高,所以对较高次谐波的补偿效果也很好,但当其工作在较高工作频率情况下,其损耗将加大,有源电感的效率将随之降低3.4本章小结本章分析单相不控整流电路直流侧产生谐波的原因，为了消除谐波，提出了在负载与整流输出端增加一个LC滤波器，给出了LC无源滤波器的参数选取，在此基础上，设计了与无源电感具有相同阻抗特性的有源电感，并对其直流支撑电容CDC的容量进行分析，对有源电感主电路几种可能的电力电子器件比较，通过分析，给出了选择。第四章有源电感的实验研究有源电感仿真分析本文以二极管全桥整流器为例，如图所示，在AB端口分别接入无源电感、二端口有源电感和不接入任何电感，通过PLECS分别对其仿真验证。仿真参数如表1所示.仿真参数如下图所示图4.1接入二端口有源电感的的单相全桥整流器表一含二端口有源电感的单相不控整流器仿真参数仿真参数数值输入电压有效值VAC/V工频f/Hz额定负载/Ω输出电压/V额定功率/KW电感L/μH电容C/μF开关频率/KHZ22050352802.2500100050图4.2为不接入任何电感时的仿真波形与负载电流频谱（b）图4.2（a）不接入任何电感的单相全桥整流器的波形(b)不介入任何电感的单相全桥整流器负载电流频谱负载电流的基波分量有效值为5.64A，二次谐波分量有效值为3.76，四次谐波分量有效值为0.75，由此可得，单相不控整流器负载电流谐波含量高图4.3为接入2.5mH无源电感的仿真波形与负载电流频谱(b)图4.3（a）接入无源电感的单相全桥整流器的波形(b)接入无源电感的单相全桥整流器负载电流频谱从波形图可以看出，与不接入电感相比，输出波形明显变得平滑，电流中的二次谐波，四次谐波含量显著降低。图4.4为接入有源电感时的仿真波形与负载电流频谱（b）图4.4（a）接入有源电感的单相全桥整流器的波形接入有源电感的单相全桥整流器负载电流频谱从上面波形可以看到，其含有源电感的桥式不控整流器输出波形相对不接入电感的整流器，其输出波形更加平滑，并且其含有的偶数次谐波含量与未含无源电感的整流器相比显著降低，与基波分量相比，几乎可以忽略不计，与无源电感相比，其谐波含量，负载电压，负载电流参数基本一致，可见，有源电感取代无源电感，可以提供相同的电能质量。有源电感体积、重量和成本分析根据规范，使用了表II中所示的电容器。滤波电感通常是定制的，因此无法提供精确的体积、重量和成本。同时，滤波电感具有较低的能量密度和较高的单位焦耳成本。二极管桥式整流器中LC滤波器的体积、重量和成本主要由体积庞大的电感决定。因此，需要一个数学模型来估计电感的物理参数。假设体积、重量和成本与感应储能呈线性关系，则数学模型为：P=通过使用来自哈蒙德制造[12]的可用的电感器数据，电感的体积模型、重量模型和成本模型可以通过曲线拟合得到，如图6所示。其判定系数大于0.95，表明该模型可以解释95%的响应数据的变异性在其均值附近。（a）电感储能与体积之间的关系（b）电感储能与重量之间的关系（c）电感储能与成本之间的关系根据获得的电感数学模型和Digikey提供的其他元件的可用数据，可以估算无源电感和有源电感的的体积、重量和成本，如图7和表2所示。基于有源电感的LC滤波器的体积、重量和成本分别是基于无源电感的LC滤波器的72%、71%和80%总结与展望课题的主要研究内容总结为了突破传统无源电感在体积、重量的方面的限制，本文设计了一种双端有源电感，其与无源电感具有相同的阻抗特性，并且保持了与无源电感相同的电压和电流质量，所设计的有源电感除了减小尺寸和重量外，该有源电感还能改善故障和干扰时的响应。因此，有源电感的研究具有非常重要的现实意义。本文的主要工作如下：分析介绍了谐波产生的原因、危害以及解决办法，并介绍了有源电感的研究现状。分析了一种有源电感的拓扑结构，首先对有源电感的主电路和控制策略进行了详细分析与介绍，并建立了小信号模型，为后续的有源电感设计提供了理论依据。根据设计任务书要求，设计出符合任务书规格的有源电感，对有源电感进行了器件选型与参数定额计算，并在PLECS中对其仿真，并分析了其波形。对有源电感与无源电感在电能质量，体积、重量和成本进行对比。参考文献[1]F.Zare,H.Soltani,D.Kumar,P.Davari,H.A.M.Delpino,andF.Blaabjerg,“Harmonicemissionsofthree-phasedioderectifiersindistributionnetworks,”IEEEAccess,vol.5,pp.2819–2833,Feb.2017.[2]H.Wang,M.Liserre,andF.Blaabjerg,“Towardreliablepowerelectron-ics:Challenges,designtools,andopportunities,”IEEEInd.Electron.Magazine,vol.7,no.2,pp.17–26,Jun.2013.[3]K.S.Rajashekara,V.Rajagopalan,A.Sevigny,andJ.Vithayathil,“Dclinkfilterdesignconsiderationsinthree-phasevoltagesourceinverter-fedinductionmotordrivesystem,”IEEETrans.Ind.Appl.,vol.23,no.4,pp.673–680,Jul.1987.[4]H.Hu,Z.He,andS.Gao,“Passivefilterdesignforchinahigh-speedrailwaywithconsideringharmonicresonanceandcharacteristicharmonics,”IEEETrans.PowerDel.,vol.30,no.1,pp.505–514,Feb.2015.[5]G.Szentirmai,“Two-portequivalencesforbandpassfilters,”IEEETrans.CircuitsandSystemsI:FundamentalTheoryandApplications,vol.47,no.9,pp.1431–1437,Sep.2000.[6]V.DzhankhotovandJ.Pyrhnen,“Passivelcfilterdesignconsiderationsformotorapplications,”IEEETrans.Ind.Electron.,vol.60,no.10,pp.4253–4259,Oct.2013.

[7]G.Zhu,H.Wang,B.Liang,S.Tan,andJ.Jiang,“Enhancedsingle-phasefull-bridgeinverterwithminimallow-frequencycurrentripple,”IEEETrans.Ind.Electron.,vol.63,no.2,pp.937–943,Feb.2016.[8]H.Wang,P.Davari,H.Wang,D.Kumar,F.Zare,andF.Blaabjerg,“Lifetimeestimationofdc-linkcapac