變換器用濾波器的設(shè)計(jì) 一、引 言
雙饋電機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電方案被認(rèn)為是最有前景的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)之一。在該方案中兩個(gè)背靠背連接的電壓型PWM變換器，構(gòu)成交-直-交（AC-DC-AC）變換器，通過(guò)轉(zhuǎn)子為雙饋電機(jī)提供交流勵(lì)磁。網(wǎng)側(cè)變換器（AC-DC）是一個(gè)三相PWM高功率因數(shù)整流器，為轉(zhuǎn)子側(cè)變換器（DC－AC）提供恒定的直流電壓；而轉(zhuǎn)子側(cè)變換器實(shí)際上是一個(gè)電壓源逆變器，為轉(zhuǎn)子提供交流勵(lì)磁。
變換器輸出連接到雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)子端，存在兩方面問(wèn)題：第一，考慮到實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)情況，變換器與轉(zhuǎn)子之間需要通過(guò)長(zhǎng)線電纜連接。由于長(zhǎng)線電纜存在的分布電感和分布電容，轉(zhuǎn)子側(cè)變換器輸出的PWM電壓波，將產(chǎn)生行波反射現(xiàn)象，在電機(jī)端產(chǎn)生過(guò)電壓、高頻阻尼振蕩，加劇了電機(jī)繞組以及電纜線的絕緣壓力，甚至造成電機(jī)或者電纜的絕緣擊穿，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使電機(jī)燒毀、電纜爆裂。第二，變換器輸出PWM電壓富含開(kāi)關(guān)諧波，實(shí)驗(yàn)表明開(kāi)關(guān)諧波可以通過(guò)定轉(zhuǎn)子之間的氣隙磁場(chǎng)耦合到定子側(cè)使得定子感應(yīng)電壓的諧波含量很高。
解決以上問(wèn)題的有效方法是在轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的輸出端加裝LC正弦波濾波器，將PWM電壓波形濾成近似正弦電壓波形。本文從理論上分析并推導(dǎo)出了濾波器參數(shù)和濾波指標(biāo)的定量關(guān)系，提出了濾波器設(shè)計(jì)原則。并結(jié)合一個(gè)實(shí)例給出了濾波器的設(shè)計(jì)步驟。
二、濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計(jì)
三相電壓型逆變器輸出的PWM波線電壓的基波和諧波的幅值分別為
式中：Jk為k階貝塞爾函數(shù);Ed為直流母線電壓；a為調(diào)制深度；ωsw為載波角頻率（開(kāi)關(guān)角頻率）；ω1為基波角頻率。
可見(jiàn)諧波分布在以載波頻率及其整數(shù)倍為中心的頻帶上。只要濾波器傳函的轉(zhuǎn)折頻率遠(yuǎn)小于開(kāi)關(guān)頻率，就可以將輸出電壓的高次諧波濾除，再現(xiàn)基波正弦波信號(hào)。
當(dāng)電機(jī)運(yùn)行的時(shí)候，雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組可以看成由反電勢(shì)構(gòu)成的電壓源，其內(nèi)阻抗為轉(zhuǎn)子漏感和轉(zhuǎn)子電阻。一般轉(zhuǎn)子電阻很小可以忽略。變頻器可以看成疊加了高次諧波的基波電壓源。濾波器是針對(duì)與變頻器輸出的電壓而言的，根據(jù)電路的疊加原理，在濾波器的設(shè)計(jì)時(shí)可以只考慮變頻器電壓分量。因此系統(tǒng)單相等效電路如圖1所示。圖1中,L為濾波電感；Cf為濾波電容；L1為轉(zhuǎn)子漏感3;uc為逆變器輸出電壓基波分量；uh為逆變器輸出電壓高次諧波分量。
（一）濾波電感基波壓降
在低頻即調(diào)制波頻率范圍內(nèi)，濾波電容的容抗很大，濾波器低頻等效電路如圖2所示。逆變器輸出電壓基波分量uc在電感L上的基波壓降為
選擇濾波電感時(shí)首先要考慮到電感上基波壓降不能超過(guò)一定的范圍，一般要求濾波電感上的基波壓降不超過(guò)3％～5％。
（二）各支路諧波電流之間的關(guān)系
考慮高次諧波時(shí)，濾波器各支路電流方向定義如圖3所示。
在某一頻率ω下L,和Cf的并聯(lián)阻抗z為
（三）電機(jī)轉(zhuǎn)子端諧波電壓
由圖3可知，電機(jī)轉(zhuǎn)子端的諧波電壓為
式中：ZL為濾波電感感抗;z為濾波電容Cf和轉(zhuǎn)子漏感L1的并聯(lián)等效阻抗。
顯然，為了獲得比較好的濾波效果，并聯(lián)阻抗Z在顯容性的條件下越小越好，一般遠(yuǎn)小于ZL。諧波電壓衰減倍數(shù)為
正弦波濾波器實(shí)際應(yīng)用中一般取諧波電壓衰減倍數(shù)小于10％。
（四）并聯(lián)諧振及其抑制措施
電路中濾波電容Cf與轉(zhuǎn)子漏感L,容易發(fā)生并聯(lián)諧振，諧振角頻率為
這種諧振是有害的，為了抑制這種諧振的產(chǎn)生，通常選擇諧振角頻率在合適的位置
式中：ω1為基波角頻率；ωsw為載波角頻率。
進(jìn)一步有效抑制諧振的措施就是在濾波電容支路串人一定的阻尼電阻，一般為諧振時(shí)容抗的三分之一，即Rd =1/（3ωresCf）。實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，轉(zhuǎn)子繞組以及線路本身電阻的存在通�？梢詫�(duì)諧振起到阻尼作用，并且考慮阻尼電阻的引入會(huì)帶來(lái)系統(tǒng)功率的損耗，通�？梢允∪プ枘犭娮琛�
三、設(shè)計(jì)實(shí)例
以轉(zhuǎn)子漏感L1=37.8 mH的4.5kW雙饋電機(jī)為例，考慮實(shí)際情況，轉(zhuǎn)子側(cè)變換器調(diào)制波的頻率變化范圍為0～15Hz即±30％的轉(zhuǎn)差；載波頻率為10kHz。下面為L(zhǎng)C型正弦波濾波器的設(shè)計(jì)步驟。
1．取低頻時(shí)濾波電感的電壓降不超過(guò)5％，由式（1）設(shè)計(jì)出濾波電感為L(zhǎng)=2mH。
2．根據(jù)式（2）得出濾波電容的取值范圍為C＞0.06μF。
3．取開(kāi)關(guān)諧波電壓的衰減倍數(shù)為2％，根據(jù)式（4）可以得到濾波電容和轉(zhuǎn)子漏感的并聯(lián)阻抗為Z=2.5SΩ從而可以計(jì)算出濾波電容為Cf =6.458μF，實(shí)際取Cf=6.8μF。
4．根據(jù)實(shí)際參數(shù)，計(jì)算諧振頻率。實(shí)際諧振角頻率為ωres=8574.9rad，對(duì)應(yīng)的諧振頻率為fres=1.36kHz，顯然滿足式（6）。
四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果
根據(jù)以上的參數(shù)，研制了一套用于雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)變換器輸出的LC型正弦波濾波器。并做了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)波形如圖5～圖10所示。實(shí)際濾波器測(cè)試實(shí)驗(yàn)條件為：用一臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)雙饋電機(jī)運(yùn)行于發(fā)電狀態(tài)，定子帶電阻型負(fù)載，轉(zhuǎn)子側(cè)變換器提供交流勵(lì)磁；雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)速為346r/min，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差頻率大約為38.5:Hz。
五、結(jié) 論
考慮到雙饋電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)際情況，為了避免PWM電壓的長(zhǎng)線傳輸帶來(lái)的負(fù)面效應(yīng)，以及防止開(kāi)關(guān)諧波對(duì)定子側(cè)電壓的影響，設(shè)計(jì)了一套轉(zhuǎn)子側(cè)變換器輸出LC型正弦波濾波器。實(shí)驗(yàn)證明，達(dá)到了預(yù)期的目的。 |
