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铁芯电抗器直流偏磁对PAPF滤波性能影响的分析

发布时间:2018-07-30 09:23      浏览次数:
铁芯电抗器直流偏磁对PAPF滤波性能影响的原因分析
1、PAPF 逆变器输出电流中的直流分量
    三相四线制 PAPF 的逆变器中,如果全桥逆变器输出电压脉冲列在基波正负半周波内不对称,则基波周期内正负半波伏秒值不相等,就会导致输出的补偿电流中含有直流分量。在实际桥式逆变电路中可能产生的直流分量的具体原因有:
    ( 1) 静态因素: 控制系统中给定的基准正弦波信号及三角波信号中含有直流分量,或控制系统的其它因素; 功率半导体开关器件( IGBT) 的自身特性和驱动信号不一致存在差异; 各种信号传输延时的不同;反馈所用的霍尔元件存在零点漂移;
    ( 2) 动态因素: 输出电压的瞬时值反馈等波形校正技术的应用和瞬时封锁驱动脉冲的限流保护措施的使用; 电路设计不当,工艺欠妥。

2、铁芯电抗器的直流偏磁原理分析
    由于上述分析的多种因素导致逆变器输出电压含有直流偏移量,从而输出电流中也含有直流分量,逆变器 a、n 相两桥输出的电压可以表示为:
式中 Ud 为 Uan的直流分量; m 为调制比; Ed 为直流侧母线电压; ω0 为 50Hz 的基波角频率; ωs 为被调制的三角波的基波角频率。
    由于上式中 Ud 的存在,直流电压分量 Ud 就会在铁芯电抗器线圈产生直流电流 Id,可表示为:
式中 r 表示铁芯电抗器电感线圈电阻。
    由于 r 很小,因此电抗器线圈中的直流电流 Id 是不可忽略的。直流电流 Id 就在电抗器铁芯中产生一恒定的磁势:
    从而在电抗器铁芯中产生一恒定的直流偏磁磁通 ψd 和磁感应强度 Bd :
式中 Ni 表示铁芯电抗器线圈绕组匝数; li 表示电抗器铁芯磁路长度; μ 为铁芯磁导率; S 为铁芯截面积。
    式( 1) 中第二项为 PAPF 逆变器输出电压波形中所含的 50Hz 基波分量,它在电抗器铁芯中产生基波磁通 ψm。根据基波电势平衡方程式,有:
    式( 1) 中第三项为 PAPF 逆变器输出电压波形中的高次谐波分量。由于 RLC 输出滤波电路的存在,可忽略其影响。
    为了充分利用电抗器铁芯和降低生产成本,普通通用滤波电抗器铁芯的最大工作磁感应强度一般选择在饱和磁感应强度 Bs 附近。由于电抗器铁芯磁化原理和变压器相同,根据文献可知正常情况下,铁芯磁通变化范围为[- Δψm,+ Δψm],相应的磁感应强度变化范围为[- ΔBm,+ ΔBm],当直流分量流进铁芯电抗器线圈绕组时,在电抗器铁芯中产生直流偏磁磁通,铁芯磁通将在[ψd - Δψm,ψd + Δψm]之间变动,相应的磁感应强度将在[Bd - ΔBm,Bd +ΔBm]之间变动。由于上述分析的原因使铁芯电抗器的工作点上升,从原磁化曲线非饱和区的一部分移至饱和区,即 Bd + ΔBm > Bs,Bd - ΔBm < - Bs,导致励磁电流在半波周期内发生畸变,呈尖顶波状,最终产生各次谐波分量,如图 6 所示。图中虚线为无直流电流时正常励磁下的磁感应强度曲线和励磁电流曲线,实线为有直流电流时过励情况下的磁感应强度曲线和励磁电流曲线。
    当铁芯没有饱和时,励磁电流发生畸变,仅含有奇次谐波分量,以 3、5、7 次谐波为主。如果在过励情况下铁芯饱和导致励磁电流畸变,会造成奇次谐波分量的大幅增加,励磁电流波形保持正负半波对称。而当有直流分量时,就会产生直流偏磁磁通,使得励磁电流畸变情况更严重且波形不再正负半波对称,因此其谐波成分除了奇次谐波外,还产生了偶次谐波分量,尤其是 2 次谐波占了相当大的比例。
直流偏磁对磁通和励磁电流的影响