轨道车辆变频空调谐波抑制应用及仿真分析

卢明书, 牛 犇, 李玉奎, 尚 锋

(山东朗进科技股份有限公司, 山东 莱芜 271100)

0 引 言

轨道车辆变频空调由车辆的辅助逆变电源(SIV)输出三相AC 380 V/50 Hz电源给空调供电,空调输入电压通过其内部三相不控整流电路转换为直流母线电压给变频器供电,不控整流滤波电路属于容性非线性负载,在AC/DC变换中对供电网侧注入谐波电压和谐波电流,成为空调最主要的谐波源。由于SIV容量与市电电网容量相比小很多,如果SIV的软件没有采取消除谐波电压的控制算法,则SIV输出谐波电压含量将会超出标准限值。因此,必须改进SIV的软件控制算法,空调输入侧谐波滤波器作为谐波抑制的辅助方案。本文从三相不控整流谐波电压和谐波电流产生的原理进行谐波抑制分析计算[1-2]。

1 谐波产生原因

(1)

图1 三相桥式不控整流等效电路、整流侧和

图2 整流器电流波形

由图1、图2可知,由于整流二极管导通角变小,三相电输入正弦波电流波形变成窄脉冲波形,电流脉冲含有丰富的谐波分量,并且集中在(6K±1)次谐波。

2 谐波抑制方案

2.1 谐波研究现状

解决电力电子装置谐波有两种方案,一是安装谐波补偿装置来补偿谐波,二是对谐波源本身进行改造,使其不产生谐波。

安装谐波补偿装置常用的方法是采用LC调谐滤波器,既可补偿谐波又可补偿无功功率,而且结构简单,已被广泛采用。但是LC调谐滤波器的补偿特性受电网阻抗和运行状态的影响,容易与系统发生并联谐振,导致谐波放大,使LC滤波器过载,甚至烧毁。

目前,谐波抑制是采用有源电力滤波器,基本原理是从补偿对象中检测出谐波电流,由补偿装置产生一个与谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流,从而使电网电流只含基波分量。有源电力滤波器也是一种电力电子装置,一般功率在几十至几百千瓦以上,安装使用需要占用较大的空间。

除了采取补偿装置对谐波进行补偿外,也可开发新型变流器使其不产生谐波。新的变流器拓扑技术难度大,需要经过市场验证方可试用。大容量变流器减少谐波的方法主要采用多重化技术,即将多个方波叠加,以消除次数较低的谐波,此种方法只用于大容量变流器的场合。

高功率因数整流器主要采用PWM整流技术,但国际上对其研究较少,产品实现困难,且产品可靠性需要验证。

2.2 创新方案设计

空调整流器负载功率较小,一般在10 kW以内,采取有源电力滤波器和多重化技术需要占据较大安装空间,而PWM整流器控制复杂,可靠性差。考虑到轨道列车的安全性、可靠性要求高,列车轻量化对空调尺寸减小等因素,本文采用三相桥式不控整流输入端方案串入LC并联谐振槽路进行谐波抑制,以提高功率因数。轨道车辆变频空调主回路原理图如图3所示,虚线框内为LC并联谐振槽路。

图3 轨道车辆变频空调主回路原理图

2.3 理论推导

输入端并联谐振槽路的第n次谐波等效阻抗为

(2)

式中:XLra——输入谐振电感Lra的基波阻抗;

XCra——输入谐振电容Cra的基波阻抗。

根据前面分析,谐波频谱中5次、7次谐波较高,设输入LC谐振于6次谐波,感抗和容抗应符合下列关系:

(3)

(4)

式中:Ia,n——电流Ia的第n次谐波分量的幅值;

θ1——A相相位角。

为使其通用性,电路参数做标幺化处理,此时Lra的标幺化值为

(5)

式中:Is——三相输入电流;

Us——相电压;

Ts——电源周期。

通过仿真软件做出PF和Lra-N的曲线,由曲线可知Lra-N=0.4/2π时,输入功率因数PF=0.99,在实际应用可以选取Lra-N=0.015。

2.4 示例计算

3 仿真分析

采用电气仿真软件对图3电路进行仿真分析,电抗器电感量取6 mH,电容器电容量取46 μF。

3.1 输入端无LC并联谐振槽路仿真波形数据

输入电压仿真波形数据(无LC并联谐振槽路)如图4所示,谐波电压畸变率THDU=7.27%。

图4 输入电压仿真波形数据(无LC并联谐振槽路)

输入电流仿真波形数据如图5所示,谐波电流畸变率THDI=29.51%

图5 输入电流仿真波形数据(无LC并联谐振槽路)

从图4、5可以看出,电压、电流波形畸变严重,电压波形由正弦波变成梯形波,其中5次、7次谐波含量最大,如不进行抑制,则对交流母线电压产生一定影响。

3.2 输入端串联LC并联谐振槽路仿真波形数据

输入电压仿真波形数据如图6所示,THDU=3.27%。

图6 输入电压仿真波形数据(有LC并联谐振槽路)

输入电流仿真波形数据如图7所示,THDI=16.90%。

图7 输入电流仿真波形数据(有LC并联谐振槽路)

从图6、7可看出,整流输入端增加LC并联谐振槽路后,输入电压、电流畸变得到显著改善,谐波电压畸变率由7.27%降低至3.27%,谐波电流畸变率由29.51%降低至16.90%。

4 试验验证

根据图3主电路搭建空调测试平台,空调运行制冷模式,用谐波测试仪测量空调AC 380 V输入侧谐波电压、谐波电流数据。

4.1 输入端无LC并联谐振槽路试验

输入电压、电流谐波测量数据(无LC并联谐振槽路)如图8所示。

图8 输入电压、电流谐波测量数据

由图8可知,谐波电压畸变率为6.788%,谐波电流畸变率为29.950%,与仿真数据相吻合;5次谐波电压畸变率占基波6.020%,7次谐波电压畸变率占基波2.378%;5次谐波电流畸变率占基波28.422%,7次谐波电流占基波8.187%。

4.2 输入端增加LC并联谐振槽路试验数据

输入电压、电流谐波测量数据(增加LC并联谐振槽路)如图9所示。

图9 输入电压、电流谐波测量数据

由图9可知,谐波电压畸变率降低至4.061%,谐波电流畸变率降低至16.877%,功率因数提高至0.978 1;5次谐波电压畸变率占基波3.613%,7次谐波电压畸变率占基波1.466%;5次谐波电流畸变率占基波16.067%,7次谐波电流畸变率占基波4.592%。

5 仿真及试验验证结论

轨道车辆变频空调三相桥式整流输入端串联LC并联谐振槽路后,仿真数据和试验数据基本吻合,并且满足TB/T 3411—2015输出电压谐波含量≤10%,满足IEC 61000-3-12—2011中谐波电流含量≤22%的要求(Rsce≥120),同时整流器功率因数得到提高,极大提高整流效率,降低输入电源谐波电压和谐波电流的百分比。

6 结 语

测试了轨道车辆变频空调输入网侧的谐波电压和谐波电流,测试结果均满足标准要求。该方案的应用减小供电线路发热等电气隐患,改善网侧供电电能品质,并且LC并联谐振槽路运行稳定、可靠,为AC 380 V供电的轨道车辆变频空调设计提供参考方案。