外文翻譯同步斬波器中諧波的減少

1、同步斬波器中諧波的減少摘 要同步斬波器組合已被證明適合中等大功率交流/直流變頻器的應(yīng)用。然而,在諧波補償?shù)囊笾形灰埔蛩仫@著增加了。在同步斬波器組合中對減少輸入諧波的技術(shù)進行調(diào)查。工作在更高頻率的同步斬波器中允許消除特定諧波，但限制輸出電壓。多相同步斬波器大大提高了輸入特性，但是需要額外的電源組件。一種折衷的解決方案是超過其操作范圍的不同頻率下的單相斬波操作。簡 介利用換向二極管被證實是可觀的。幾乎所有文獻中使用的都是帶有轉(zhuǎn)換橋和相應(yīng)的變換元素自換向原理。在早期的論文中,大多數(shù)換向配置是整流橋與同步斬波器組合,如圖1 圖1 多相同步斬波器組合文獻3-5表明同步斬波器組合已經(jīng)應(yīng)用于高功率交直流轉(zhuǎn)

2、換器中。在360Hz斬波頻率運作中，級聯(lián)配置在很高的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)相互協(xié)調(diào)。它也顯示提高功率因數(shù)的代價是輸入高諧波電流。事實上, 諧波補償成本與無功補償網(wǎng)絡(luò)成本相統(tǒng)一。因此,在同步斬波器組合中減少輸入諧波的檢查方法是很重要的。分析了兩種可能的方法來減少諧波。這兩種方法:（1)增加斬波頻率，(2)使用多相斬波器。增加斬波頻率可以使用脈寬調(diào)制策略。然而,維護三相輸入電流諧波成分，不增加斬波頻率,必須增加整數(shù)倍轉(zhuǎn)換器相數(shù)(q)。（）那么60Hz斬波頻率只能產(chǎn)生360Hz，720Hz,1080Hz的頻率等等。第二個選擇是通過使用多相斬波逆變器與整流橋。結(jié)果,在輸入側(cè)和負荷側(cè)都有顯著的優(yōu)點,并進行了詳細的分

3、析。高頻調(diào)制技術(shù)減少輸入諧波最明顯的方式是增加斬波頻率。如果可以無限制的增加頻率，精密諧波技術(shù)可以抑制所有的低次諧波。這個諧波問題與特定的參考脈寬調(diào)制策略已被徹底研究。在交流線路接口,不同的約束變得適用。重疊晶閘管整流時存在線電感。在這種情況下,額外的時間要求電容電壓逆轉(zhuǎn)。這種“最低停留時間”的設(shè)置限制輸出電壓。當然,高頻斬波器產(chǎn)生相應(yīng)的小范圍的輸出電壓，甚至在不存在任何線電感時，大功率晶閘管的恢復(fù)時間從50()到150(), 要求最低停留時間從150(）到400(）,從而限制輸出電壓的控制范圍。保持這一點, 對于中高功率系統(tǒng)幾百赫茲的斬波頻率是一種合理的上限。然而文獻3,4中斬波頻率被固定在

4、360Hz,并分析了更高頻率的影響。傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)換器延遲角代表可控自由度,通常被用來控制調(diào)節(jié)輸出電壓或負載電流。對于一個360Hz同步斬波器組合,額外的自由度是可用的,因為它的強力換向能力。允許其控制基本的功率因數(shù)。在量子力學(xué)隨著斬波頻率的增加總的自由度數(shù)是(m + 1)。額外的自由度可以被用于消除諧波。從保持電壓控制要求和統(tǒng)一的功率因數(shù)上可以看出, 720Hz斬波器頻率可以消除諧波成分,而1080Hz的頻率同時可以消除兩個諧波。輸入電流諧波分析圖2、3顯示了高頻同步斬波器斬波開關(guān)模式中的相電壓和斬波輸入電壓。該線電流可以通過疊加橋梁的開關(guān)模式和斬波器進行重建。斬波器輸入電壓峰值電壓集中在段。根據(jù)

5、(1),m值電流脈沖發(fā)生在的斬波段。在三相操作中,斬波開關(guān)切換函數(shù)必須在段。圖2顯示了m值為偶數(shù)時相關(guān)的波形,圖3顯示了m值為奇數(shù)時的波形。如圖所示。為奇數(shù)值時在存在一個脈沖。斬波器切換功能當m為偶數(shù)時當m為奇數(shù)時，函數(shù)為圖2 m為偶數(shù)時高頻同步斬波器典型波形圖3 m為奇數(shù)時的高頻同步斬波器典型波形負載電流假設(shè)是一個無紋波直流電流。此斬波電流是通過多元化。交流線電流可以看作是電流的函數(shù)，如圖2和3所示。線電流采用傅立葉級數(shù)的技術(shù)分析其諧波。圖2顯示了線電流與相應(yīng)的相電壓。假設(shè)奇數(shù)對稱性,采用傅立葉級數(shù)收斂的諧波,給出函數(shù) （4）m 為偶數(shù)或奇數(shù)值的線電流均方根值組成成分的諧波，對于偶數(shù)m給出對

6、于奇數(shù)m值時給出方程(5)、(6)給出m為任何價值時線諧波電流。為了找到這個算法來消除所需的諧波分量,相應(yīng)的諧波電流是與零比較的值。其他的制約要求期望的輸出電壓。以類似方式,提供額外的自由度。一個例子,m = 2對應(yīng)于720Hz時的斬波器如圖4所示。在(5)中輸入諧波電流為為了消除五次諧波分量,式(7)等于零（n = 5）。考慮到允許值，確保輸出電壓五次諧波的存在。相當于函數(shù)的輸出電壓為圖4所示,如果 = 18,要少于12時含有諧波。這允許最大直流電壓為0.79V。因此觀察到諧波的消除限制在控制范圍之內(nèi)。圖4 720Hz同步斬波器的波形， = 15消除六次諧波另外一個問題變得明顯，當兩個低次諧

7、波(五次和七次諧波)被作為函數(shù)的輸出電壓如圖5。雖然第五次諧波得到合理控制,第七次諧波大大增加了,實際上大大超過了360Hz的情況?？晒┻x擇的試圖減少第五和七次諧波。這可以通過嘗試去消除一個不存在的第六次諧波分量。方程(7)顯示為15時不僅能消除，也允許增加到它的最大允許值= 15。相應(yīng)的為15時整體功率因數(shù)、五次、七次諧波如圖5所示。在文獻3,5中可以發(fā)現(xiàn)上述兩種情況以及360Hz情況時過濾器電容為VA要求。表1顯示了千伏安的電容計算負荷與每MVA的供給系統(tǒng)。消除了六次諧波成為更先進的技術(shù)。在一個小的濾波電容器中使用更高頻率的斬波器。另一種技術(shù),有效的使用多相同步斬波器消除諧波。多相同步斬波

8、器多相斬波器的概念已經(jīng)在文獻 9、10中被廣泛的綜述,它被認為提高了負荷側(cè)直流電機驅(qū)動性能。圖6顯示一個p相同步斬波器模型。在同一周期和頻率下多相斬波操作確定適當?shù)碾娏鳌Ｈ欢葡嗖攀侵行?。每個斬波的最大周期是在特定操作條件下斬波周期的重疊。事實上,p是操作重疊段的數(shù)量。然而,斬波操作在巴頓9中被同樣的方式定義。多相斬波器在直流/直流轉(zhuǎn)換中的應(yīng)用提高了輸入諧波電流和輸出電壓紋波的相數(shù)。圖5 (a)整體功率因數(shù) (b)第五次諧波輸入電流 (c)各種同步斬波器組合的第七次諧波輸入電流 1： 360Hz 2：720Hz 3：雙相斬波360Hz 4：720Hz = 18(第五次諧波消除) 5：三相斬波器

9、，虛線相當于最佳位置表1 各種同步斬波器組合負載容量要求 圖6 P相同步斬波器假設(shè)無限負荷電感,則可以看出,整體的輸出電壓是瞬時斬波電壓的平均值。從而斬波占空比變化引起輸出電壓改變,是供應(yīng)電壓。輸出電壓變化相反也會形成單相斬波器。同樣,可以看出由于單相斬波的原因輸入電流會改變。進一步,主頻率成分的輸入和輸出都可以歸結(jié)為單相頻率。多相斬波器的使用有其他的優(yōu)點。額定電壓由于相數(shù)因素而降低,而諧波特性明顯提高。然而,當從典型的系統(tǒng)中直流供電,輸入電流諧波對系統(tǒng)影響不大。進一步說,比起單相斬波器提供相同的負載多相斬波器在輸入負載端得到較低的脈動電流，但是只有在系列電感足夠大的時候。因此,當考慮直流電機

10、驅(qū)動多相斬波器需要更高的成本,效率卻較低，而且邊緣情況很少使用。多相同步斬波器在全控橋系列中的使用對系統(tǒng)有顯著的影響。在以前討論的方式中負載特性得以改進。在交流方面,提高斬波諧波含量得到更好的整體功率因數(shù),意味減少總諧波電流,以及低次諧波分量?；镜墓β室驍?shù)仍能統(tǒng)一。360Hz的斬波頻率負載功率是功率因數(shù)的p倍。多相斬波器的應(yīng)用與電感器和額外的斬波器需求相比減少了過濾器的費用?，F(xiàn)在多相同步斬波器只分析輸入諧波電流。多相斬波器的線性諧波多相斬波器的諧波分析與單相高頻斬波器類似。圖7顯示多相斬波的輸入電壓與獨立斬波電流有關(guān)，輸入電壓為多相斬波器線電壓余弦曲線從-30到+30段。總輸入電流是獨立電流

11、的總和。多相同步斬波器分析的復(fù)雜性是由于重疊的傳導(dǎo)時期。另一個問題,只局限于多相同步斬波器確定所有斬波器共享平均電流。在確定的直流供電的情況下，提供均等的負載自動操作所有斬波器導(dǎo)致平均電流共享。在多相斬波器p2的情況下，很容易看出,由于在輸入電壓波形的波紋，傳導(dǎo)時期的獨立斬波在60段峰值附近會有更高的輸出電壓。當然,這導(dǎo)致在斬波器中分享不均等電流。這個問題可以得到解決，通過操作斬波器在不同的時期，如此得到相同的輸出電壓以此得到均等的電流分享。因此,為了得以表達輸入諧波電流,必須找到對應(yīng)一個給定的p和輸出電壓的與值。如圖7所示。作為對稱分布在輸入電壓的片斷中心周圍的脈沖,斬波傳導(dǎo)就會進入下一個6

12、0區(qū)段。這樣得到兩個表達式的輸出電壓。圖7 對應(yīng)P相同步斬波器的輸入電壓的獨立斬波電流圖8 整流橋和同步斬波器的開關(guān)特性當時，假設(shè)在60等距斬波段以上輸入電壓 ，當p為偶數(shù)值時P為奇數(shù)值時線電流諧波分析再次使用了傅立葉級數(shù)。產(chǎn)生了線電流模式、開關(guān)功能將產(chǎn)生的多相斬波函數(shù)和變矩器函數(shù)。整體轉(zhuǎn)換函數(shù)將成為 它必須分裂成兩切換功能，因為在斬波中重疊的傳導(dǎo)時期取決于和的值。圖8顯示斬波輸入電壓在非重疊和典型值是時的轉(zhuǎn)換功能。在角度為0到180時切換功能的電流波形具有奇對稱性。轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換功能對于多相斬波器，函數(shù)為 然而最后, (12)和(23) 定義了所有k值?，F(xiàn)在可以計算相應(yīng)的均方根輸入電流的諧波。作

13、為一個典型的例子,雙相同步斬波器被認為是相應(yīng)的p= 2。在(10)-(13)中得到以下關(guān)系。在非重疊情況下,即0 30圖9顯示相關(guān)的電壓和電流波形。諧波電流成分均按求解積分(19) 當0 30時然而性能特點,包括雙相斬波器輸入諧波電流和整體的功率因數(shù)顯示在圖5中。三相斬波器的整體功率因數(shù)也被計算和繪制在圖5中。720Hz的斬波器也被繪制在同一個圖中作為對比。多相斬波器大幅度降低總諧波水平同時提升整體的功率因數(shù)。此外,低階諧波分量有所減少,相比于720Hz斬波器六次諧波的消除。對諧波補償電容VA要求按3計算并顯示于表格1中。作為最大的諧波水平與雙相斬波器和720Hz斬波器一樣,他們有類似的補償要

14、求。考慮到平均負載和負載多樣性的因素,雙相斬波器通常會需要一個較小的濾波電容器。然而, 雙相斬波器需要兩個斬波以及合理的大型界面變壓器(IPT)。IPT不會增加太多的交直流轉(zhuǎn)換器作為電流源逆變器驅(qū)動的成本,因為它將取代反應(yīng)堆正常需要。對直流電機驅(qū)動會招致額外IPT費用。諧波減少的控制策略兩個輸入諧波減少技術(shù)應(yīng)用到更高性能的驅(qū)動上的程序進行研究。正如所提到,至少停留時間要求嚴格限制輸出電壓在控制范圍內(nèi)達成,尤其對高頻運行。圖9 雙相斬波器波形(a) = 20 (b)= 50圖10 輸入諧波控制最小停留時間在= 7時的調(diào)制策略，斬波器操作頻率是360Hz圖10顯示輸出電壓的傳導(dǎo)角度對360Hz和7

15、20Hz的斬波操作。在360Hz時雙相斬波器有相似的特性。對于最小傳導(dǎo)角7（停留時間300微秒)的最大輸出電壓0.950 (360 Hz）和0.88 (720 Hz)。最小電壓同樣得到是0.065 (360 Hz）和0.120 (720 Hz）。因此電壓控制范圍可能是14.6:1 （360Hz）和7.3:1（720Hz），有很大的不同。因此, 如果諧波要求低，使用360Hz斬波器似乎更有吸引力。然而,它可能產(chǎn)生一種調(diào)制策略,允許使用單相斬波器來控制諧波水平。此斬波器會運行在最小停留時間允許范圍內(nèi)，頻率為720Hz條件下。在任何輸出電壓最大范圍內(nèi)，斬波器將運行在360Hz頻率下。圖10顯示輸出電

16、壓的變化軌跡。當描述兩個頻率的轉(zhuǎn)變時,可以很容易擴展至3個或更多的頻率轉(zhuǎn)換。這樣調(diào)制策略以優(yōu)化輸出電壓控制范圍和低階諧波水平為目的。圖5,同時也顯示了斬波操作調(diào)制策略的五次和七次諧波水平。第五次諧波的峰值是0.225pu（360Hz）和0.315pu（720Hz）。第七諧波的這些數(shù)據(jù)是0.11pu（360Hz） 和0.22pu（720Hz）而且0.11pu為最優(yōu)。雙相斬波器的諧波含量峰值與720Hz情況類似。對諧波補償電容式容量,最佳調(diào)制策略產(chǎn)生一個每MVA負載694kVA的要求。從表1可以看出比360Hz的情況低30%。然而,要求比720Hz或雙相斬波器高23%。因此,這一調(diào)制策略在高性能的

17、驅(qū)動中對輸入諧波提供了有效的控制。無論是雙相斬波器還是優(yōu)化的調(diào)制斬波器更適合取決于經(jīng)濟的情況。然而,大多數(shù)情況認為優(yōu)化調(diào)制單相同步斬波器是更經(jīng)濟方案。更快速的設(shè)備如門極可開關(guān)晶閘管(GTO)的使用將朝高頻單相斬波器轉(zhuǎn)移。對線電感的敏感性問題必須通過轉(zhuǎn)換器輸入端子和有效緩沖網(wǎng)絡(luò)的電容組合得到解決。GTO可提供高頻和復(fù)雜操作，另一方面,雙極晶體管(BJT)無法維持反向電壓,因此不適合復(fù)雜應(yīng)用。然而,晶閘管斬波器還可為高性能驅(qū)動使用同步斬波器組合提供最可靠、最經(jīng)濟的方法。結(jié) 論本文研究了同步斬波器組合中諧波的減少。兩種不同可能的技術(shù)包括高頻脈寬調(diào)制技術(shù)和多相斬波器應(yīng)用技術(shù)。利用高頻斬波器可以消除一些

18、低階輸入諧波,但導(dǎo)致輸出控制范圍受到限制。利用多相同步斬波器實現(xiàn)非常低的諧波水平,但是多相斬波器和濾波反應(yīng)器費用較高。頻率調(diào)制策略也實現(xiàn)低的輸入諧波,控制范圍寬,并使用一個同步斬波器。討論的技術(shù)的使用對電容式諧波補償?shù)膶崿F(xiàn)的影響是可行的。因此,對同步斬波器組合輸入諧波的減少的技術(shù)的應(yīng)用明顯提高了合適的組合配置，實現(xiàn)了高性能交直流轉(zhuǎn)換器。參 考1 T. Kataoka, K. Mizumachi, and S. Miyairi,一種脈沖寬度控制交直流轉(zhuǎn)換器來提高功率因數(shù)和交流線電流波形 IEEE Trans. Ind. AppL., vol. IA-I5, pp. 670-675, Nov、De

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