三相四線制并聯(lián)型有源電力濾波器及其仿真

1、2008年2月第36卷第2期機床與液壓MACHINETOOL&HYDRAULICSFeb12008Vol136No12三相四線制并聯(lián)型有源電力濾波器及其仿真張健,徐旭,車延博(天津大學電氣與自動化工程學院,天津300072)摘要:對于不對稱三相四線制電網(wǎng)系統(tǒng)中諧波畸變,可以采用三相四線制有源電力濾波器動態(tài)地抑制諧波和進行無功補償。本文從理論上分析了三相四線制并聯(lián)型有源電力濾波器的工作原理、主電路結構、數(shù)學模型及補償控制方法,并運用MATLAB仿真軟件對其進行了仿真。關鍵詞:三相四線制;有源電力濾波器;諧波檢測;仿真中圖分類號:TN713+18文獻標識碼:A文章編號:1001-3881(2008

2、)2-163-2Three2phaseFour2wireShuntActivePowerFilterandItsSimulationZHANGJian,XUXu,CHEYanbo(SchoolofElectricalEngineering&Automation,TianjinUniversity,Tianjin300072,China)Abstract:Fortheharmoniccurrentsandreactivepowerintheunbalancedthree2phasefour2wirepowerms,activepowerfil2terforthree2phasefour2wire

3、systemcanbeusedtosolvethisproblem.Thethree2phasefour2wireshuntfilterwasanalyzedintheory.TheresultsofsimulationwithMATLABshowthattheproblemsofhar2phaseandneutralwirecanbeavoided.Keywords:Three2phasefour2wire;Activepowerfilter;2on;有源電力濾波器(APF)段。也有不少應用,。廣為應用,人們的關注,由于三相三線制APF不能濾除系統(tǒng)的零序電流,用三相四線制APF對三相四線制系

4、統(tǒng)中的諧波和三相不平衡的治理具有重要意義。本文針對三相四線制,提出有源濾波器諧波補償方案并加以仿真分析,驗證了其合理性。1三相四線制并聯(lián)型APF原理,由指令電、零序和諧波電流成分,產(chǎn)生諧波補償指令電流。電流跟蹤控制電路控制主電路產(chǎn)生與上述諧波電流極性相反、大小相等的補償電流,從而消除電網(wǎng)中的基波負序、零序和諧波電流。由于含有中線,在補償過程中,APF產(chǎn)生的每一相補償電路既包括諧波電流成分,也包括零線電流成分。每一相的電流都會流過直流側(cè)電容C1和C2,然后再返回中線,并且該電流流向是雙向的。忽略IGBT和二極管的通態(tài)壓降,將它們視為理想雙向開關。圖2為該三相四線制APF的等效電路。圖2等效電路原

5、理圖圖1三相四線制APF原理框圖如圖1所示,三相四線制APF系統(tǒng)由指令電流運算電路、電流跟蹤控制電路和主電路3個基本功能模塊組成,電源的中線和主電路直流側(cè)中點連接,為零線電流提供通道。設電網(wǎng)電壓為Ua、Ub、Uc,有源電力濾波器的輸出電流為ia、ib、ic、i0,Sa、Sb、Sc分別表示a、b、c三相開關狀態(tài),其中,當向上閉合時,Sk=1;當向下閉合時,Sk=-1。直流側(cè)電容C1和C2電壓為Ud/2,有源濾波器交流側(cè)面的電阻和電感分別為Rk和Lk(k=a,b,c),則系統(tǒng)的電路方程即APF的收稿日期:2007-03-30作者簡介:張健,男,1954年生,工程師,主要從事電機拖動、化工自動化儀表

6、方向的工程與研究。電話:(022)27401479,E-mail:zyjtju1edu1cn。164數(shù)學模型為:機床與液壓第36卷di(1)+Raia=SaUdcdt2dib(2)Ub+Lb+Rbib=SbUdcdt2dic(3)Uc+Lc+Rcic=ScUdcdt2由此可以看出,主電路工作過程是各相的開關SiUa+La通過各自的動作來產(chǎn)生各相的補償電流。2三相四線制APF的檢測控制211諧波電流的檢測圖3諧波電流檢測原理框圖該方法中,需要用到與a相電網(wǎng)電壓u同相位t和對應的余弦信號cost,可通過采的正弦信號sin集a相電網(wǎng)電壓獲得a相電壓的頻率,從而實現(xiàn)正余弦發(fā)生電路。212補償電流的控制

7、補償電流的控制采用滯環(huán)比較法。將檢測輸出電3流ic與給定電流ic相比較,偏差信號經(jīng)過滯環(huán)比較器,得到PWM驅(qū)動信號。通過對滯環(huán)比較器的閥值(設為)進行限制,將誤差信號ic限制在3內(nèi)。這種控制方法的主要特點是硬件電路簡單易實現(xiàn)、具有較好的動態(tài)性能、控制精度高。3MATLAB仿真分析用SIMULINK庫中的模塊搭建三相四線制APF模型的總體仿真框圖如圖4所示,其中非線性負載用三,在中選用理想開關:C1=C21,AB=LC=01005H。三相四線制APF2所示。ip2iq法分離,再運用基于piq流。步驟如下:(1)零序電流的分離。i0=(ia+ib+ic)/3,ia=ia-i0,ib=ib-i0,i

8、c=ic-i0,則ia、ib、ic只含有正序和負序分量。(2)將經(jīng)過零序電流分離后的電流ia、ib、ic經(jīng)過3/2坐標變換得到i和i。(3)再經(jīng)過、坐標變換得到瞬時有功電流ip和瞬時無功電流iq。(4)低通濾波得到直流分量:ip=ip+iq,iq=圖4系統(tǒng)總體仿真結構圖iq+iq,經(jīng)過低通濾波得到ip和iq的直流分量ip和iq,它們分別對應于三相電流中基波正序電流的有功分量和無功分量。(5)經(jīng)過C逆變換和2/3坐標變換可得到三相基電流正序分量iaf、ibf和icf。(6)將原始三相電流減去基波正序分量即可得3到含基波負序、諧波和零序電流的有害電流之和iah、33ibh和ich,從而得到補償指令

9、電流。其中用到的變換矩陣為:C32=仿真中,諧波電流檢測模型根據(jù)圖3所示的原理框圖進行搭建。在構造電流控制模塊時,驅(qū)動電路作用是信號放大,在仿真中可以不考慮。圖5所示的Simulink電流模塊中1-2、3-4、5-6三對滯環(huán)比較器分別控制a、b、c三相橋的上下兩個橋臂的驅(qū)動信號。每相的滯環(huán)比較器的滯環(huán)寬度取值不相等,即為橋臂上下開關交替導通時的“死區(qū)”,防止換流時的直通現(xiàn)象。3-110-22-C=C=tsint-cos-cos-sin(4)圖5電流控制模塊(5)(下轉(zhuǎn)第43頁)第2期于英華等:泡沫鋁板在機床降噪中的應用研究表3罩板各倍頻程中心頻率下的傳聲系數(shù)43頻率/Hz傳聲系數(shù)12510-2

10、1425010-21950010-31610002000400010-41210-41610-316利用局部隔聲罩插入損失表達式(9),代入數(shù)據(jù)S0、S1、罩板各頻段的傳聲系數(shù)以及泡沫鋁吸聲系數(shù)值,計算隔聲罩各倍頻程中心頻率下的插入損失,結果見表4。表4隔聲罩各倍頻程中心頻率下的插入損失/dB頻率/Hz插入損失125316725041035004172100020004000611451445134由表1中主軸箱噪聲值減去表4中隔聲罩的插入損失值,再加上A計權曲線修正值,就得到經(jīng)隔聲10措施并經(jīng)過計權的聲級,再計算出它們的A聲級,將以上分貝值列入表5。表5隔聲和計權后的聲級頻率/Hz12525

11、0500100020004000A聲級A計權曲線-1611-816-3120+112+110修正值/dB隔聲和計權后聲級/dB21123613621151171【5】馬大猷1噪聲與振動控制手冊M1北京:機械工業(yè)出版社,20021【6】趙松齡1噪聲的降低與隔離M1上海:同濟大學出版社,19891【7】洪宗輝1環(huán)境噪聲控制工程M1北京:高等教育出版社,20021【8】趙庭良,等1泡沫鋁的吸聲特性J1內(nèi)燃機工程,1995(2)1【9】何德坪,余興泉1通孔泡沫鋁非線性阻尼性能的研究J1材料研究學報,1997(2):101-1031【10】徐世勤,王檣1工業(yè)噪聲與振動控制M1北京:冶金工業(yè)出版社,199

12、91(上接第164頁)小于85dB,處,噪聲值降低了6114dB,3結論(1)在機床主軸箱體內(nèi)加泡沫鋁內(nèi)襯板可有效降低了機床噪聲。(2)本文僅研究了泡沫鋁/鑄鐵復合板結構本身的阻尼性能,而實際上泡沫鋁板和鑄鐵箱體界面間的接觸性也會對結構阻尼有極大的影響,當由于表面粗糙度、孔隙中的介質(zhì)等因素造成鋼板與泡沫鋁層之間的接觸不完全時,將會有摩擦阻尼的現(xiàn)象發(fā)生,使結構阻尼進一步增大,還會進一步提高罩板的抗振能力與隔聲性能。因此泡沫鋁隔聲罩將有很大的發(fā)展前景。本文研究結果為泡沫鋁在機床降噪中的應用提供了理論依據(jù),對探索降低機床的噪聲的新途徑及拓展泡沫鋁的應用領域具有重要的理論意義。由于系統(tǒng)中存在非線性電力

13、電子裝置,因此采用ode23tbstiff/TR2BDF2算法仿真。并入有源濾波器之前,示波器觀測到的電源側(cè)三相及中線電流和檢測出的諧波電流波形分圖8并聯(lián)APF之后的系統(tǒng)電流波形別如圖6和圖7所示。并入有源濾波器之后,觀測得到電源側(cè)三相電路和中線電流波形如圖8所示。4結論仿真所得波形表明三相四線制系統(tǒng)中的諧波和零序電流得到有效抑制和補償。該系統(tǒng)諧波檢測以三相三線制APF諧波檢測方法為基礎,采用零線電流分離法先將零線電流分離,再根據(jù)瞬時無功功率理論檢測出三相諧波電流,從而彌補了三相三線制APF不能濾除系統(tǒng)零序電流的缺陷。參考文獻【1】于英華,李智超,劉敬福.多孔泡沫鋁性能研究現(xiàn)狀及應用前景展望J1遼寧工程技術大學學報,2003,22(4):5-81【2】H1P1蒂吉斯切,B1克雷茲特,等1多孔泡沫金屬M1左孝青,周蕓,譯1北京:化學工業(yè)出版社,20051【3】REJones1Fieldsoundinsulationofload-beraingsand2wichpanelshousingJ.NoiseControlEng.J,1981,16(2);90-1051【4】