摘要：此處以工程應用為背景，研究了一種適用于低壓大電流整流系統(tǒng)的混合型有源電力濾波器(HAPF)給出了該結(jié)構(gòu)的主電路及原理說明，介紹了從驅(qū)動功率、死區(qū)時間和箝位保護3個方向選擇大功率模塊，從電平轉(zhuǎn)換到光纖傳輸實現(xiàn)觸發(fā)，采用熱管技術以及基于DSP控制系統(tǒng)等關鍵技術的設計，包括DSP TMS320F2812控制板和接口電路板的設計。最后，針對某銅加工廠的諧波及無功實際情況，給出該濾波器的具體實現(xiàn)方案?，F(xiàn)場運行數(shù)據(jù)表明，設計方案和實驗裝置有效、可靠。
關鍵詞：有源電力濾波器；諧波；數(shù)字信號處理器
1 引言
近年來，隨著電力電子設備的發(fā)展。諧波污染日趨嚴重，而用戶對電能質(zhì)量的要求卻越來越高。HAPF作為治理諧波的主要技術之一，因其性價比高且工程實現(xiàn)容易，正日益成為工業(yè)系統(tǒng)有效濾除諧波和無功補償?shù)氖走x方案。此處介紹了HAPF的主電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和設計及其數(shù)字控制系統(tǒng)的構(gòu)成和DSP實現(xiàn)。最后，針對某企業(yè)諧波和無功情況，給出了HAPF的具體實現(xiàn)方法?，F(xiàn)場運行數(shù)據(jù)表明，提出的設計思路和方案可行。
2 HAPF的主電路結(jié)構(gòu)及原理
圖1示出HAPF系統(tǒng)拓撲，因結(jié)構(gòu)簡單，安裝容易，占地面積小，適用于低壓系統(tǒng)兼顧大容量無功補償和動態(tài)諧波治理場合，在工業(yè)上應用廣泛。
單純的無源濾波器(PF)存在濾波特性受電網(wǎng)阻抗影響和容易與電網(wǎng)阻抗產(chǎn)生串并聯(lián)諧振的缺陷，有源濾波器(APF)受開關器件容量限制，補償無功能力有限，這里結(jié)合現(xiàn)場的無功和諧波情況，給出了PF加并聯(lián)APF的HAPF實現(xiàn)方案。因現(xiàn)場工況為6脈波的高頻開關整流負載，功率因數(shù)偏低，5次諧波電流偏大，5次單調(diào)諧無源支路降低了系統(tǒng)的PF對低頻信號的放大；11次單調(diào)諧無源支路不僅能夠補償一定量的無功，對高頻諧波如13，17等次諧波也有濾波效果，所以PF設計為5，11次單調(diào)諧，而APF通過對PWM逆變器的控制，使得逆變器輸出相應的電壓或電流跟蹤期望的參考電壓或電流，實現(xiàn)諧波治理。
3 關鍵技術
3．1 大功率逆變器的選取
功率模塊承擔著電網(wǎng)的有功功率轉(zhuǎn)移和諧波治理。綜合了電力晶體管(GTR)耐高壓、大電流和MOSFET開關頻率高的優(yōu)點，選擇全控型器件絕緣柵雙極晶體管(IGBT)。實驗采用FF450R17ME3型IGBT，它采用了改進的溝槽柵和場終止技術，耐流值為450 A，耐壓值為1．7 kV。IGBT模塊的導通和關斷受柵極驅(qū)動信號的控制，IGBT正常工作需滿足以下要求：①驅(qū)動功率滿足要求；②PWM驅(qū)動信號需預留一定死區(qū)時間；③柵極、有源箝位功能。根據(jù)上述要求，此處預選2SP0115T作為FF450R17ME3這個半橋IGBT模塊的驅(qū)動器。
3．1．1 驅(qū)動功率
此處選擇設計的載波頻率為10 kHz，驅(qū)動器每通道的輸出功率為：
P=fsQg△U (1)
式中：fs為IGBT開關頻率；Qg為IGBT門極電荷；△U為門極驅(qū)動電壓擺幅，等于驅(qū)動正壓+U與-U之間差值。
根據(jù)式(1)和系統(tǒng)參數(shù)，驅(qū)動板選取兩單元2SP0115T，每個IGBT的驅(qū)動功率為1 W，保證了應用要求。
3．1．2 死區(qū)時間
設置死區(qū)時間需注意：①死區(qū)時間必須大于IGBT器件關斷延遲時間；②對控制效果的影響盡量小。死區(qū)時間過小不利于IGBT的安全，死區(qū)時間過大則容易給控制效果和精度帶來影響，尤其在驅(qū)動信號開關頻率很高時影響特別明顯。FF450R17ME3關斷延遲最大為0．62μs，開通延遲為0．22μs，2SP0115T2A驅(qū)動板的死區(qū)時間本身設置為3μs，可滿足安全要求，此處采用的開關頻率為10 kHz，開關周期T=0．1 ms，故一個死區(qū)時間在一個PWM開關周期內(nèi)所占比例為3％，因此對控制的精度影響不大。[!--empirenews.page--]
3．1．3 箝位保護
在IGBT的門極和射極間寄生著米勒電容，當電容兩端電壓變化率過大時將在門極產(chǎn)生較大偏移電流，影響IGBT正常關斷，為防止這種關斷拖尾現(xiàn)象，在門極進行有源米勒箝位，如圖2所示。
在IGBT的門極與射極間附加一個晶體管VT和一個穩(wěn)壓管VD，當門極電流較大時，VT導通，吸收部分柵極電流，加速IGBT的關斷，從而改善其關斷特性。
3．2 觸發(fā)系統(tǒng)的實現(xiàn)
3．2．1 電平轉(zhuǎn)換
OC門電路如圖3所示，實現(xiàn)了電平轉(zhuǎn)換，通過改變電源Ec值，即可改變輸出邏輯高電平的值，實現(xiàn)TTL電平到其他類型電路電平轉(zhuǎn)換，而此處是將TTL電平轉(zhuǎn)換為高閾值的TTL電平。
由于設計中DSP發(fā)出的PWM信號為0～3 V脈沖信號，而7407外接+Vcc和上拉電阻將電平轉(zhuǎn)換至高閾值電平。
3．2．2 光纖觸發(fā)
光電轉(zhuǎn)換器和電光轉(zhuǎn)換器采用ST接頭，符合IEEE 802．3 Ethemet 802．5 Token Ring標準，數(shù)據(jù)率最高可達175 MBd，最長傳輸距離達4 km，工作溫度范圍寬-40～+85℃。原理如圖4所示，電流IF的大小決定傳輸距離，計算公式為：
IF=(Vcc-UF)／R1 (2)[!--empirenews.page--]
式中：UF為電光轉(zhuǎn)換器2412的導通壓降，一般為1．5V。
圖5示出光纖傳輸距離與IF大小的關系。只要選取合適的R1就能使光信號傳輸?shù)侥康奈恢?，并且不失真?/p>
3．3 散熱系統(tǒng)的的設計
系統(tǒng)穩(wěn)定安全運行時，若散熱措施不夠好，IGBT開關管損耗導致模塊升溫，給系統(tǒng)帶來不利影響。熱管屬于一種傳熱元件，它充分利用了熱傳導原理與致冷介質(zhì)的快速熱傳遞性質(zhì)，通過在全封閉真空管內(nèi)的液體蒸發(fā)與凝結(jié)來傳遞熱量，具有極高的導熱性、良好的等溫性、冷熱兩側(cè)的傳熱面積可任意改變、可遠距離傳熱、可控制溫度等優(yōu)點，其導熱能力遠超過任何已知金屬的導熱能力。熱管技術的原理就是利用工作流體的蒸發(fā)與冷凝來傳遞熱量。將鋁管內(nèi)部抽真空后充入工作流體，流體以蒸發(fā)-冷凝的相變過程在內(nèi)部反復循環(huán)，不斷將熱端的熱量傳至冷卻端，從而形成將熱量從管子的一端傳至另一端的傳熱過程。
3．4 基于DSP的控制電路的設計
采用TMS320F2812型DSP作為控制器核心單元，此處設計開發(fā)了TMS320F2812嵌入式DSP控制板，DSP整體接口控制框圖如圖6所示。
所用DSP控制板是專為電力監(jiān)控而設計的、采用基于32位定點DSP的高性能、低成本DSP控制板，在保證各種應用的適應性基礎上，還兼具良好的擴展性。在該控制板中集成了DSP，SRAM，片外D／A，片外A／D，UART，串行EEPROM，RTC實時時鐘，工業(yè)以太網(wǎng)等外設。[!--empirenews.page--]
該控制板除具有TMS320F2812特性外，擴展了很多功能，外擴有512K*16 bit高速SRAM存儲器。①參數(shù)存儲：帶56字節(jié)NvRAM實時時鐘、SPI接口EEPROM(最大128K*8 bit)；②輸入／輸出：12路±10 V模擬輸入、4路±10 V模擬輸出、48路I／O及功能擴展口線、128*64LCD接口、4*4鍵盤、8位數(shù)據(jù)及3位地址總線擴展：③接口通信接口：10M以太網(wǎng)接口、保留的I／O口線可方便實現(xiàn)RS485／RS232／CAN／SPI等形式的通訊：④采用的DSP控制板結(jié)構(gòu)緊湊，布局合理，外部接口信號根據(jù)信號特點合理劃分，提高了模板穩(wěn)定性及抗干擾能力。
4 實驗結(jié)果
某冶煉廠0．4 kV HAPF系統(tǒng)如圖7所示，由5，11次無源濾波支路和有源部分組成。系統(tǒng)參數(shù)L5=0．262 mH，C5=1 592．36 μF，L11= 0．108 mH，C11=796．18μF，L0=0．3mH，C=10mF。
表1示出該廠投入補償裝置前后平均功率因數(shù)和第5，7，11次特征諧波電流幅值對比。
圖8示出實驗波形，由表1及圖8可見，投入補償裝置后，平均功率因數(shù)由原來的0．82提高到0．97，第5，7，11次特征諧波也得到了很好的抑制，達到了國標要求。
5 結(jié)論
提出了一種適用于低壓整流系統(tǒng)的并聯(lián)混合型有源電力濾波電路，并給出了濾波器主電路系統(tǒng)設計的關鍵技術和控制器的DSP實現(xiàn)方案。最后針對某企業(yè)的工程實際情況，給出了混合型有源電力濾波的的具體實現(xiàn)方案和參數(shù)。現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)表明，提出的設計思路和方案是可行的。
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