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材料电加工设备谐波抑制技术的研究

王冬平

  随着电力电子技术的迅速发展,大量新型电力电子设备在材料电加工行业获得了广泛应用,给电网带来了严重的谐波污染,引起一系列用电质量问题,严重地危害了电网的安全可靠运行。同时谐波的存在限制了功率因数的进一步提高,造成用电效率低下和电网容量的巨大浪费。随着人们对电网谐波污染问题认识不断加深,以及相关谐波限制标准的出台,解决电力电子装置应用中带来的谐波污染问题势在必行。材料电加工设备主要有两种,一种是可控硅控制的调压设备,这类设备的电路结构形式是桥式整流后接电感滤波,主要以电流源的方式向电网注入谐波。另外一种是各种逆变电源,这种设备在桥式整流后接大电容滤波,主要以电压源的方式向电网注入谐波。近年来逆变电源的应用越来越广泛,解决逆变电源的谐波问题具有很大的现实意义。解决谐波问题主要有两种方法,即补偿的方法和校正的方法。补偿的方法是通过装设谐波补偿装置来补偿谐波,例如有源电力滤波器(Active powerfilter)。校正的方法是对设备本身进行改造,使其不产生谐波,例如功率因数校正技术(Power Factor Correction)。谐波源类型的不同,采用的谐波抑制的方法和效果也不同。从理论上讲,校正的方法需要对所有转换的能量进行转换处理,采用补偿的方法具有更高的效率,也可以对多个谐波源集中进行补偿,因此采用补偿方法是解决谐波问题更为理想的一种方式。第二章对材料电加工设备的两种主要类型的谐波源进行了理论分析,给出了电路参数和输入侧性能之间的关系,从而有利于在实际电路设计中,综合考虑输入侧性能和输出性能基础上选择电路参数。对材料电加工设备中负载波动时的谐波特点进行了一定的分析。对谐波源类型和不同谐波补偿方法的谐波抑制效果进行了分析,为谐波抑制方法的选择提供了指导。第三章介绍了谐波检测方法中的几种功率理论,在对瞬时无功功率理论进行频率分析的基础上,提出了谐波的闭环检测方法,介绍了闭环谐波检测的设计方法,并通过 DSP 加以实现。闭环检测的方法相比传统的方法具有较I北京工业大学工学博士学位论文高的精度,适合于有源滤波器这种控制精度要求较高的场合。第四章建立了三相电压型变流器的数学模型,解释了电压型变流器可以用来进行谐波补偿的内在本质。对三种电流检测方式进行了分析,针对检测电源电流控制方式出现的不稳定现象进行了校正设计。并联型有源滤波器直流侧电压的控制直接关系到谐波抑制的效果和并联型有源滤波器的稳定运行,对并联型有源滤波器直流侧的控制进行了深入分析,提出了直流侧电压环的校正设计方法,并给出了仿真和实验结果。从并联型有源滤波器直流侧电压环的调节原理出发,提出了基于能量平衡原理的并联型有源滤波器的控制方法,这种方法只需检测两路电流信号和一路电压信号,使得并联型有源滤波器的控制得以简化,并把这一原理推广到三相 PWM 整流器的控制中,通过仿真和实验对上面提出的两种方法进行了验证。第五章分析了并联型有源滤波器在补偿逆变电源谐波时的稳定性问题。对稳定性进行了分析,提出了使用 LCL 滤波器和并联型有源滤波器来补偿逆变电源谐波的方法。这种方法是解决逆变电源谐波问题的新思路,对于解决当前由于逆变电源谐波造成的污染问题有较大的现实意义。有源滤波器的控制中,电流控制环节是关键之一。对有源滤波器电流控制技术研究发现,数字控制环节的固有延迟将会影响到系统的稳定性。从适合数字控制的角度,以四阶参考模型为基础和引入最小拍控制思想,设计了 PI 控制器参数和微分引前校正装置,提高了电流跟踪的速度和精度。在有源滤波器控制中,电网电压是一个周期性的干扰,通过引入扰动补偿,提高了电流跟踪的动态精度。第六章介绍了有源滤波器控制系统的软、硬件设计。有源滤波器对控制系统有较高的要求。本文以 TMS320F240 为核心,设计了有源滤波器的数字控制系统,前端扩展了信号调理电路和高速 AD 采样电路,后端扩展了高速DA。利用过零比较器和 DSP 的捕捉端口实现了和电网电压的同步。此外扩展了通信端口,I2C 串行 EEPOM 等。基于所设计的硬件,设计了有源滤波器控制系统所要求的所有软件,包括谐波检测、数字滤波、电流环的校正、电压环的校正、PWM、错误处理等。第七章在前面研究分析的基础上,研制了实验样机。通过实验样机,对基于能量平衡原理的 PWM 整流器的控制、并联型有源滤波器补偿电流型谐波和使用 LCL 滤波器和并联型有源滤波器补偿逆变电源谐波进行了实验。实验证明谐波抑制的效果。……   
[关键词]:谐波抑制;材料电加工;DSP 控制;有源滤波器;LCL 滤波器
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:北京工业大学2004年
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