一種改善地鐵輔助變流器交流電壓諧波的方法

高翔

（重慶軌道交通集團有限公司，重慶 401120）

在交-直-交電壓源型變頻器中，一般其交-直變換部分采用二極管組成的三相不控整流器，并且中間直流環節采用大電容濾波。其典型電路如圖1、2 所示。

圖1 電容濾波型整流電路

圖2 感容濾波型整流電路

帶阻感負載的整流電路產生的諧波污染和功率因素滯后，嚴重影響交流輸入電網的電能質量，當輸入電網的容量較小時尤為明顯。諧波描述電壓或電流波形與正弦波之間的波形畸變，而功率因素描述電壓與電流間的相位差異。

將交流輸入電流波形按傅里葉展開：

由此可得：電流中僅含6k±1(k 為正整數)次諧波，即整流電路將在交流側注入5、7、11、13、17 和19 次等諧波，各次諧波有效值與諧波次數成反比，且與基波有效值的比值為諧波次數的倒數。

1 電容濾波型整流電路分析

圖1 所示的電容濾波型三相整流電路中，C 是濾波電容，用電阻模型來代表整流電路的負載R。當某一對二極管導通時，直流側電壓等于交流側的某一線電壓。設每組二極管在距線電壓過零點θ 角處開始導通，并以二極管VD6和VD1開始同時導通的時刻為時間零點，則線電壓為

在t=0 時，二極管VD6和VD1開始同時導通，直流側電壓等于eab；下一次同時導通的一對管子是VD1和VD2，直流側電壓等于eac。這兩段導通過程之間的交替有2 種情況：一種是VD1和VD2同時導通之前VD6和VD1是關斷的，交流側向直流側的充電電流id是斷續的；另一種是VD1一直導通，交替時由VD6導通換相至VD2導通，交流側向直流側的充電電流id是連續的。

因此存在一個使電流id斷續和連續的臨界條件，參照參考文獻可知此臨界條件為：ωRC=。可理解為整流電路在輕載時直流側獲得的充電電流是斷續的，重載時是連續的。圖3 是整流電路工作在連續狀態的id波形，圖4 是整流電路工作在斷續狀態的id波形。

圖3 連續工作狀態電流id 波形

圖4 斷續工作狀態電流id 波形

2 感容濾波型整流電路分析

參照參考文獻曾指出，對一般化的情況，若L 的取值由小變大（以至無窮大），而C 的取值由大變小，則整流電路的整個負載由容性逐漸變為感性，直流側充電電流id將由斷續方式發生變化而逐漸轉成連續方式。在實際當中，普遍應用的感容濾波型整流電路，直流濾波電容C 的取值較大，而L 主要是用來抑制電流沖擊的，取值較小。除在ω很小時，交流側電流基波可能超前于電網電壓以外，交流側電流一般滯后于電網電壓，滯后的角度隨ωRC 增大而減小，隨ω增大而增大；基波因數隨ωRC 增大而減小，隨ω的增大而增大；交流側電流僅含奇次諧波，而且電流總諧波畸變率及各次諧波含量均隨ωRC 的增大而增大，隨ω的增大而減小。

3 整流橋負載對交流電壓的影響與抑制方法

描述實際項目中充電機AC/DC 整流電路采用感容濾波型時對前端電路的影響效果不夠理想，引出補充改善帶整流負載的電壓諧波質量的通用方法如三相PFC、特定消諧控制算法等，進行一些理論性描述。進而提出一種簡易的采用三相電感替代充電機直流電感的方法。

4 電路仿真

試驗電路三相不可控整流采用如圖2 所示的感容濾波型電路，C 取值2350μF，Ls 取值為1e-9H，整流電路的輸出功率約25kW。該三相整流電路作為一臺190kVA 逆變電源的負載，其仿真電路示意圖如圖5 所示。試驗電路中設置Vs、Us、Vin 和Uo 共4 處電壓檢測點和ia、id共2 處電流檢測點。以下主要通過改變Ls、L 的參數來仿真其對三相整流電路的影響。

圖5 仿真電路示意圖

（1）三相交流電抗器Ls 取值為1e-9H（即不設置），直流側電抗器L 取值1mH，負載電阻R 取值10.4Ω（Uo 約510V，功率為25kW）。電路穩定后交流側電流為連續狀態。其交流側電壓諧波、電流諧波含量分別為1.39%、36.07%。

（2）三相交流電抗器Ls 取值為1e-9H（即不設置），直流側電抗器L 取值1e-9H（即不設置），負載電阻R 取值10.9Ω（Uo 為522V，功率為25kW）。電路穩定后交流側電流為斷續狀態。其交流側電壓諧波、電流諧波含量分別為3.64%、100.81%。

（3）三相交流電抗器Ls 取值為1e-3H，直流側電抗器L 取值1e-9H（即不設置），負載電阻R 取值9.7Ω（Uo 為491.5V，功率為25kW）。電路穩定后交流側電流為連續狀態。其交流側三相電抗器Ls 前端電壓諧波、電流諧波含量分別為1.02%、30.75%，三相電抗器后端電壓諧波、電流諧波含量分別為11.52%、30.69%。

（4）電路各參數取值同（1），將三相輸出變壓器容量從190kVA 降低為90kVA。電路穩定后交流側電流為連續狀態，交流側電壓諧波含量由1.39%增大至2.62%。

以上各種電路參數仿真時，交流電網側通過FFT 分析得到的諧波次數均為5、7、11、13、17 和19 次諧波，與理論分析一致。

但仿真分析也表明：（1）即使直流側電抗器L 的取值很大時，仍只能將諧波電流值控制在27%左右。（2）交流側電抗器Ls 的取值很大時，能將諧波電流值控制到很小。（3）本電路中如保持直流側電抗器而改變電容器容值的大小，交流側電壓諧波含量隨電容器容值的增大而減小，但增大電容值對抑制電流諧波的效果有限。

5 試驗結果

補充在沈陽地鐵樣柜上進行了相關波形，如三相整流橋前端電壓波形（諧波含量）、電流諧波含量等。說明用三相電抗器取代充電機前端直流電抗器的效果更優越：（1）電流諧波含量抑制的效果更好。（2）工程化易實現等其它優點。

6 結語

Matlab 仿真結果表明：感容濾波型整流電路較電容濾波型電路更為實用，當直流側僅設置濾波電容、直流電抗器全部或部分移至交流側時，也能有效的減小對電網電壓、電流的影響，試驗中通過在交流側增加1 臺0.4mH 的三相電抗器，能更好的抑制交流電網側的電壓畸變。

以上分析均是從抑制三相不可控整流對輸入交流電網影響的角度出發，實際上SPWM（正弦波PWM）控制技術已獲得了非常廣泛的應用。把逆變電路中的SPWM 技術用于整流電路，就形成了PWM 整流電路。通過對PWM 整流電路的適當控制，可以使輸入電流非常接近正弦波，且電流和電壓同相位，把對電網的影響降到最低。