三相四线制并联型有源电力滤波器及其仿真

1、2008年2月第36卷第2期机床与液压MACHINETOOL&HYDRAULICSFeb12008Vol136No12三相四线制并联型有源电力滤波器及其仿真张健,徐旭,车延博(天津大学电气与自动化工程学院,天津300072)摘要:对于不对称三相四线制电网系统中谐波畸变,可以采用三相四线制有源电力滤波器动态地抑制谐波和进行无功补偿。本文从理论上分析了三相四线制并联型有源电力滤波器的工作原理、主电路结构、数学模型及补偿控制方法,并运用MATLAB仿真软件对其进行了仿真。关键词:三相四线制;有源电力滤波器;谐波检测;仿真中图分类号:TN713+18文献标识码:A文章编号: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;有源电力滤波器(APF)段。也有不少应用,。广为应用,人们的关注,由于三相三线制APF不能滤除系统的零序电流,用三相四线制APF对三相四线制系

4、统中的谐波和三相不平衡的治理具有重要意义。本文针对三相四线制,提出有源滤波器谐波补偿方案并加以仿真分析,验证了其合理性。1三相四线制并联型APF原理,由指令电、零序和谐波电流成分,产生谐波补偿指令电流。电流跟踪控制电路控制主电路产生与上述谐波电流极性相反、大小相等的补偿电流,从而消除电网中的基波负序、零序和谐波电流。由于含有中线,在补偿过程中,APF产生的每一相补偿电路既包括谐波电流成分,也包括零线电流成分。每一相的电流都会流过直流侧电容C1和C2,然后再返回中线,并且该电流流向是双向的。忽略IGBT和二极管的通态压降,将它们视为理想双向开关。图2为该三相四线制APF的等效电路。图2等效电路原

5、理图图1三相四线制APF原理框图如图1所示,三相四线制APF系统由指令电流运算电路、电流跟踪控制电路和主电路3个基本功能模块组成,电源的中线和主电路直流侧中点连接,为零线电流提供通道。设电网电压为Ua、Ub、Uc,有源电力滤波器的输出电流为ia、ib、ic、i0,Sa、Sb、Sc分别表示a、b、c三相开关状态,其中,当向上闭合时,Sk=1;当向下闭合时,Sk=-1。直流侧电容C1和C2电压为Ud/2,有源滤波器交流侧面的电阻和电感分别为Rk和Lk(k=a,b,c),则系统的电路方程即APF的收稿日期:2007-03-30作者简介:张健,男,1954年生,工程师,主要从事电机拖动、化工自动化仪表

6、方向的工程与研究。电话:(022)27401479,E-mail:zyjtju1edu1cn。164数学模型为:机床与液压第36卷di(1)+Raia=SaUdcdt2dib(2)Ub+Lb+Rbib=SbUdcdt2dic(3)Uc+Lc+Rcic=ScUdcdt2由此可以看出,主电路工作过程是各相的开关SiUa+La通过各自的动作来产生各相的补偿电流。2三相四线制APF的检测控制211谐波电流的检测图3谐波电流检测原理框图该方法中,需要用到与a相电网电压u同相位t和对应的余弦信号cost,可通过采的正弦信号sin集a相电网电压获得a相电压的频率,从而实现正余弦发生电路。212补偿电流的控制

7、补偿电流的控制采用滞环比较法。将检测输出电3流ic与给定电流ic相比较,偏差信号经过滞环比较器,得到PWM驱动信号。通过对滞环比较器的阀值(设为)进行限制,将误差信号ic限制在3内。这种控制方法的主要特点是硬件电路简单易实现、具有较好的动态性能、控制精度高。3MATLAB仿真分析用SIMULINK库中的模块搭建三相四线制APF模型的总体仿真框图如图4所示,其中非线性负载用三,在中选用理想开关:C1=C21,AB=LC=01005H。三相四线制APF2所示。ip2iq法分离,再运用基于piq流。步骤如下:(1)零序电流的分离。i0=(ia+ib+ic)/3,ia=ia-i0,ib=ib-i0,i

8、c=ic-i0,则ia、ib、ic只含有正序和负序分量。(2)将经过零序电流分离后的电流ia、ib、ic经过3/2坐标变换得到i和i。(3)再经过、坐标变换得到瞬时有功电流ip和瞬时无功电流iq。(4)低通滤波得到直流分量:ip=ip+iq,iq=图4系统总体仿真结构图iq+iq,经过低通滤波得到ip和iq的直流分量ip和iq,它们分别对应于三相电流中基波正序电流的有功分量和无功分量。(5)经过C逆变换和2/3坐标变换可得到三相基电流正序分量iaf、ibf和icf。(6)将原始三相电流减去基波正序分量即可得3到含基波负序、谐波和零序电流的有害电流之和iah、33ibh和ich,从而得到补偿指令

9、电流。其中用到的变换矩阵为:C32=仿真中,谐波电流检测模型根据图3所示的原理框图进行搭建。在构造电流控制模块时,驱动电路作用是信号放大,在仿真中可以不考虑。图5所示的Simulink电流模块中1-2、3-4、5-6三对滞环比较器分别控制a、b、c三相桥的上下两个桥臂的驱动信号。每相的滞环比较器的滞环宽度取值不相等,即为桥臂上下开关交替导通时的“死区”,防止换流时的直通现象。3-110-22-C=C=tsint-cos-cos-sin(4)图5电流控制模块(5)(下转第43页)第2期于英华等:泡沫铝板在机床降噪中的应用研究表3罩板各倍频程中心频率下的传声系数43频率/Hz传声系数12510-2

10、1425010-21950010-31610002000400010-41210-41610-316利用局部隔声罩插入损失表达式(9),代入数据S0、S1、罩板各频段的传声系数以及泡沫铝吸声系数值,计算隔声罩各倍频程中心频率下的插入损失,结果见表4。表4隔声罩各倍频程中心频率下的插入损失/dB频率/Hz插入损失125316725041035004172100020004000611451445134由表1中主轴箱噪声值减去表4中隔声罩的插入损失值,再加上A计权曲线修正值,就得到经隔声10措施并经过计权的声级,再计算出它们的A声级,将以上分贝值列入表5。表5隔声和计权后的声级频率/Hz12525

11、0500100020004000A声级A计权曲线-1611-816-3120+112+110修正值/dB隔声和计权后声级/dB21123613621151171【5】马大猷1噪声与振动控制手册M1北京:机械工业出版社,20021【6】赵松龄1噪声的降低与隔离M1上海:同济大学出版社,19891【7】洪宗辉1环境噪声控制工程M1北京:高等教育出版社,20021【8】赵庭良,等1泡沫铝的吸声特性J1内燃机工程,1995(2)1【9】何德坪,余兴泉1通孔泡沫铝非线性阻尼性能的研究J1材料研究学报,1997(2):101-1031【10】徐世勤,王樯1工业噪声与振动控制M1北京:冶金工业出版社,199

12、91(上接第164页)小于85dB,处,噪声值降低了6114dB,3结论(1)在机床主轴箱体内加泡沫铝内衬板可有效降低了机床噪声。(2)本文仅研究了泡沫铝/铸铁复合板结构本身的阻尼性能,而实际上泡沫铝板和铸铁箱体界面间的接触性也会对结构阻尼有极大的影响,当由于表面粗糙度、孔隙中的介质等因素造成钢板与泡沫铝层之间的接触不完全时,将会有摩擦阻尼的现象发生,使结构阻尼进一步增大,还会进一步提高罩板的抗振能力与隔声性能。因此泡沫铝隔声罩将有很大的发展前景。本文研究结果为泡沫铝在机床降噪中的应用提供了理论依据,对探索降低机床的噪声的新途径及拓展泡沫铝的应用领域具有重要的理论意义。由于系统中存在非线性电力

13、电子装置,因此采用ode23tbstiff/TR2BDF2算法仿真。并入有源滤波器之前,示波器观测到的电源侧三相及中线电流和检测出的谐波电流波形分图8并联APF之后的系统电流波形别如图6和图7所示。并入有源滤波器之后,观测得到电源侧三相电路和中线电流波形如图8所示。4结论仿真所得波形表明三相四线制系统中的谐波和零序电流得到有效抑制和补偿。该系统谐波检测以三相三线制APF谐波检测方法为基础,采用零线电流分离法先将零线电流分离,再根据瞬时无功功率理论检测出三相谐波电流,从而弥补了三相三线制APF不能滤除系统零序电流的缺陷。参考文献【1】于英华,李智超,刘敬福.多孔泡沫铝性能研究现状及应用前景展望J1辽宁工程技术大学学报,2003,22(4):5-81【2】H1P1蒂吉斯切,B1克雷兹特,等1多孔泡沫金属M1左孝青,周芸,译1北京:化学工业出版社,20051【3】REJones1Fieldsoundinsulationofload-beraingsand2wichpanelshousingJ.NoiseControlEng.J,1981,16(2);90-1051【4】