耦合變壓器型串聯直流有源濾波器的研究

張文慶，劉 浩，潘戰武

（天水電氣傳動研究所有限責任公司，甘肅 天水 741020）

1 引言

隨著現代科學的發展，大功率、高精度、低紋波的穩定直流電源在工業和加速器上的應用越來越多。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的不平衡、晶閘管觸發特性的不一致、整流變壓器制作時三相輸出不一致等諸多因素，造成直流側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，且有時仍無法滿足穩定直流電源極低的紋波和動態性能要求。于是穩定直流電源系統中引入了有源濾波（APF）。

目前，應用在穩定直流電源系統中的APF大多屬于并聯型，但是并聯型APF的性能受系統負載阻抗的影響較大，有時其補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直流有源濾波器，詳細介紹了這種串聯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，在此基礎上討論了其設計方法，最后對本文所提出的方法進行了實驗驗證。

2 系統構成和工作原理

2.1 穩流電源及有源濾波器主回路拓撲

穩流電源及有源濾波器主回路拓撲如圖1所示。該有源濾波器直接檢測直流側電流紋波，這樣以直流側檢測出來的電流經過低通濾波器將紋波電流從直流中分離出來，此紋波電流經放大后做為給定信號，產生PWM信號，由IGBT逆變放大，通過耦合變壓器T6串聯于主回路中，產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。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，又提高了系統性能。

圖1 穩定直流電源及有源濾波器主回路拓撲圖

該有源濾波器采用PWM控制技術，IGBT（采用BSM75GB120DN2）的工作頻率高達20kHz，保證產生IGBT逆變波形是光滑的。設計中，紋波的檢測致關重要，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鐘發生器、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、驅動、隔離等電路組成。其控制回路拓撲如圖2所示。

圖2 控制回路拓撲圖

2.2 裝置平臺的構成

2.2.1 整流回路

主回路整流采用6脈動晶閘管整流技術,主整流變壓器為移相式整流變壓器,L3C1R2C2組成無源濾波器,負載采用一個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）觸發系統

數字觸發板采用的晶閘管觸發板，它具有以下工作特點：①六脈動強觸發功能（19.1 kHZ、2.02A 短路電流,15V開路電壓,0.5A/0.5us電流上升率）；②警戒網式門脈沖波形；③等距數字門延信號；④相位遺失禁止保護；⑤軟起動、慢停止功能；⑥急停功能；⑦抗相位旋轉，自動糾正相位、相序；⑧抗電源電壓失真。

這種方案，充分利用了數字觸發器的脈沖對稱性好的特點，使整流電壓波形極其整齊，并且利用了模擬調節系統精度高和響應快的特點。

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,逆變部分采用PWM控制技術，IGBT采用BSM75GB120DN2，PWM波形發生器采用UC3637芯片，其產生的脈沖頻率為20kHz，去驅動IGBT模塊，從而保證產生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的電流傳感器所產生的。由IGBT逆變回路產生的電流紋波，經過變壓器T6原副邊耦合后，產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

在穩定直流電源中，串聯型APF的補償效果與耦合變壓器的性能密切相關。對這種耦合變壓器，有人也把它稱為電抗器-變壓器，因為它既起電抗器的作用，又同時兼起變壓器的作用。在本系統中，耦合變壓器起著傳輸能量的作用，同時，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用在交流系統中的一般變壓器的不同之處主要體現在以下三方面：

①聯結于主電路直流側的耦合變壓器繞組工作時會流過很大的直流電流，使耦合變壓器工作在嚴重的直流偏磁狀態，這樣很容易使變壓器的鐵心飽和，造成系統不能正常工作。

②耦合變壓器的勵磁電流相對一般變壓器比較大。這樣，無論APF是否投入工作，直流側主電路的電流都能順利地通過耦合變壓器(此時起電抗器的作用)。否則，在系統剛開起時，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。因為為了防止變壓器的鐵心飽和，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，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 系統實驗

術語約定：

APF有源濾波器

U0未加APF時負載兩端峰峰值電壓

U1加APF時負載兩端電壓峰峰值

A=U0/U1 紋波衰減倍數

3.1 主回路通電,有源濾波器不通電

合主回路，調節給定電位器，使得負載兩端電壓為20V，主回路電流為10A，記錄主回路負載兩端的電壓波形如圖3所示。

注：由于負載為電阻型負載，所以采集的電壓波形可以近似認為是電流波形，以下類同。

3.2 主回路通電,有源濾波器通電

調節低通濾波器，消除電流紋波給定信號中直流成分，得到一個干凈的交流紋波信號，通過比例放大器，送到PWM波形發生器（UC3637芯片）,從而得到驅動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IGBT模塊的驅動脈沖正常,其產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,記錄主回路負載兩端的電壓波形如圖4所示。

3.3 負載兩端電流紋波分析

通過波形比較可以發現，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，為了比較精確的計算出電流紋波的衰減倍數，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對比后計算：

3.4 負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，具體數據及電流紋波衰減倍數如表1所示。

通過對以上數據的分析和總結，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 結論

本文詳細介紹了耦合變壓器型串聯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，在此基礎上給出了其簡要的設計步驟。實驗結果表明，耦合變壓器型串聯直流有源濾波器對抑制穩定直流電源的負載紋波電壓和電流有顯著的作用。該技術在大功率直流加速電源、醫用直流電源等場合具有比較廣闊的應用前景。

表1 紋波衰減倍數