用于整流器的谐波电流补偿装置的制作方法

本发明涉及谐波电流补偿技术领域，特别涉及一种用于整流器的谐波电流补偿装置。

背景技术：

通常情况下，负载为电机的三相交流供电系统的前级采用二极管整流器，后级采用三相全桥逆变器。整流器可将三相交流电整流为直流电，并由交流电感和直流电容的对其进行滤波。然而，上述三相交流供电系统的拓扑结构在直流电容较大的情况下可以为负载提供稳定的直流电，但是在交流侧会产生较大的谐波电流。目前，适用于三相整流器的谐波电流的标准包括：en61000-3-2(电流小于16a)，ieee519等。这些标准对不同电压等级各次谐波允许注入值都作了具体规定。

上述拓扑结构产生的谐波电流并不能达到入网谐波电流的标准的要求。为使入网谐波电流达到标准的要求，往往需要将前级二极管整流改为三相全桥整流。虽然使用三相全桥整流所产生的电流谐波含量较低，所达到的效果较好，但是其成本较高，且需要增加额外的控制驱动电路，大大增加了生产成本。

技术实现要素：

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种用于整流器的谐波电流补偿装置，能够降低注入电网的电流谐波含量，以满足谐波电流标准的要求，而且该装置结构简单，生产成本较低。

为达到上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种用于整流器的谐波电流补偿装置，所述整流器的交流侧连接到三相电网，所述整流器的直流侧用以连接负载，所述谐波电流补偿装置包括：谐波注入电路，所述谐波注入电路包括第一滤波电感、第二滤波电感、第三滤波电感、补偿滤波电感、第一开关管和第二开关管，所述第一滤波电感的一端连接到所述交流侧的第一交流端，所述第二滤波电感的一端连接到所述交流侧的第二交流端，所述第三滤波电感的一端连接到所述交流侧的第三交流端，所述第一滤波电感的另一端、所述第二滤波电感的另一端和所述第三滤波电感的另一端相连且具有第一节点，所述第一开关管的一端连接到所述直流侧的第一直流端，所述第一开关管的另一端与所述第二开关管的一端相连且具有第二节点，所述第二开关管的另一端连接到所述直流侧的第二直流端，所述补偿滤波电感连接在所述第一节点与所述第二节点之间；第一电流检测模块，所述第一电流检测模块用于检测通过所述补偿滤波电感的电流；第二电流检测模块，所述第二电流检测模块用于检测所述整流器的负载电流；电压检测模块，所述电压检测模块用于检测所述三相电网的电压；控制模块，所述控制模块分别与所述第一电流检测模块、所述第二电流检测模块、所述电压检测模块以及所述第一开关管的控制端和所述第二开关管的控制端相连，所述控制模块用于根据所述三相电网的电压、所述负载电流和通过所述补偿滤波电感的电流生成开关控制信号，并根据所述开关控制信号对所述第一开关管和所述第二开关管进行控制，以将所述谐波注入电路产生的谐波补偿电流分配到所述三相电网。

根据本发明实施例的用于整流器的谐波电流补偿装置，谐波注入电路包括与整流器的交流侧对应相连的三个滤波电容，三个滤波电容可通过补偿滤波电感与第一开关管和第二开关管的一端相连，第一开关管和第二开关管的另一端可分别连接到整流器的直流侧，通过第一电流检测模块检测通过补偿滤波电感的电流，以及通过第二电流检测模块检测整流器的负载电流，并通过电压检测模块检测三相电网的电压，以及通过控制模块根据三相电网的电压、负载电流和通过补偿滤波电感的电流生成开关控制信号，并根据开关控制信号对第一开关管和第二开关管进行控制，以将谐波注入电路产生的谐波补偿电流分配到三相电网。由此，能够降低注入电网的电流的谐波含量，以满足谐波电流标准的要求，而且该装置结构简单，生产成本较低。

另外，根据本发明上述实施例提出的用于整流器的谐波电流补偿装置还可以具有如下附加的技术特征：

在本发明的一个实施例中，所述控制模块包括：最小电压获取单元，所述最小电压获取单元用于获取所述三相电网的电压最小值；最大电压获取单元，所述最大电压获取单元用于获取所述三相电网的电压最大值；运算单元，所述运算单元用于对所述电压最小值、所述电压最大值和所述负载电流进行运算以获得谐波电流给定值；电流控制器，所述电流控制器用于根据所述谐波电流给定值和通过所述补偿滤波电感的电流生成所述开关控制信号。

在本发明的一个实施例中，所述运算单元包括：加法器，所述加法器用于对所述电压最小值和所述电压最大值进行叠加计算以获得第一电压值；取反器，所述取反用于对所述第一电压值进行取反计算以获得相电压中间值；修正器，所述修正器用于将预设系数乘以所述相电压中间值以获得第二电压值；乘法器，所述乘法器用于将所述第二电压值与所述负载电流进行相乘以获得所述谐波电流给定值。

进一步地，所述运算单元还包括：相位延时器，所述相位延时器用于对所述第二电压值进行相位延时，以使分配到所述三相电网的谐波补偿电流的相位与所述整流器的入网电压的相位保持同步。

在本发明的一个实施例中，所述整流器包括第一二极管至第六二极管，所述第一二极管至第六二极管构成三相桥臂，所述三相桥臂中第一相桥臂的中间节点通过第一滤波电感连接到所述三相电网的a相，所述三相桥臂中第二相桥臂的中间节点通过第二滤波电感连接到所述三相电网的b相，所述三相桥臂中第三相桥臂的中间节点通过第三滤波电感连接到所述三相电网的c相。

在本发明的一个实施例中，所述整流器包括第一二极管至第六二极管，所述第一二极管至第六二极管构成三相桥臂，所述三相桥臂并联连接以具有第三节点和第四节点，所述第三节点通过第四滤波电感连接到所述第一开关管的一端，所述第四节点通过第五滤波电感连接到所述第二开关管的另一端。

在本发明的一个实施例中，所述第一直流端与所述第二直流端之间连接有直流稳压电容。

附图说明

图1为根据本发明实施例的用于整流器的谐波电流补偿装置的方框示意图；

图2为根据本发明一个实施例的三相二极管整流器的拓扑结构示意图；

图3为根据本发明一个实施例的控制模块的方框示意图；

图4为根据本发明一个实施例的运算单元的方框示意图；

图5为根据本发明一个具体实施例三相电网的电压最大值、三相电网的电压最小值、相电压中间值以及对第二电压值进行相位延时后的波形图；

图6为根据本发明一个具体实施例的分配到三相电网的谐波补偿电流与整流器的入网电压的波形图；

图7为根据本发明一个具体实施例的分配到三相电网的谐波补偿电流的谐波分析图。

图8为根据本发明另一个实施例的三相二极管整流器的拓扑结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面结合附图来描述本发明实施例的用于整流器的谐波电流补偿装置。

图1为本发明实施例的用于整流器的谐波电流补偿装置的方框示意图。

如图1所示，本发明实施例的用于整流器的谐波电流补偿装置，包括谐波注入电路10、第一电流检测模块20、第二电流检测模块30、电压检测模块40和控制模块50。

本发明实施例的用于整流器的交流侧连接到三相电网，整流器的直流侧用以连接负载。

在本发明的一个实施例中，如图2所示，整流器1包括第一二极管至第六二极管，第一二极管至第六二极管构成三相桥臂，三相桥臂中第一相桥臂的中间节点可连接到三相电网的a相，三相桥臂中第二相桥臂的中间节点可连接到三相电网的b相，三相桥臂中第三相桥臂的中间节点可连接到三相电网的c相。

在本发明的一个实施例中，如图2所示，上述用于整流器的谐波电流补偿装置中的谐波注入电路10包括第一滤波电容cf1、第二滤波电容cf2、第三滤波电容cf3、补偿滤波电感lf、第一开关管s1和第二开关管s2，第一滤波电容cf1的一端连接到交流侧的第一交流端a，第二滤波电容cf2的一端连接到交流侧的第二交流端b，第三滤波电容cf3的一端连接到交流侧的第三交流端c，第一滤波电容cf1的另一端、第二滤波电容cf2的另一端和第三滤波电容cf3的另一端相连且具有第一节点，第一开关管s1的一端连接到直流侧的第一直流端p，第一开关管s1的另一端与第二开关管s2的一端相连且具有第二节点，第二开关管s2的另一端连接到直流侧的第二直流端n，补偿滤波电感lf连接在第一节点与第二节点之间。

第一电流检测模块20用于检测通过补偿滤波电感lf的电流；第二电流检测模块30用于检测整流器60的负载电流；电压检测模块40用于检测三相电网的电压；控制模块50分别与第一电流检测模块20、第二电流检测模块30、电压检测模块40以及第一开关管s1的控制端和第二开关管s2的控制端相连，控制模块50用于根据三相电网的电压、负载电流和通过补偿滤波电感的电流生成开关控制信号，并根据开关控制信号对第一开关管s1和第二开关管s2进行控制，以将谐波注入电路10产生的谐波补偿电流分配到三相电网。

在本发明的一个实施例中，谐波注入电路10中的第一滤波电容cf1、第二滤波电容cf2和第三滤波电容cf3可星形连接，不仅具有滤波的功能，而且能够为谐波电流提供导通路径。

在本发明的一个实施例中，如图3所示，控制模块50可包括最小电压获取单元100、最大电压获取单元200、运算单元300和电流控制器400。

其中，如图4所示，最小电压获取单元100用于获取三相电网的电压最小值vmin；最大电压获取单元200用于获取三相电网的电压最大值vmax；运算单元300用于对电压最小值vmin、电压最大值vmax和负载电流i1进行运算以获得谐波电流给定值ih_ref；电流控制器400用于根据谐波电流给定值ih_ref和通过补偿滤波电感的电流ih_fb生成开关控制信号。

具体地，最小电压获取单元100可对电压检测模块40检测得到的三相电网的电压进行比较分析，以获取其最小值，即三相电网的电压最小值vmin，最大电压获取单元200可对电压检测模块40检测得到的三相电网的电压进行比较分析，以获取其最大值，即三相电网的电压最大值vmax。

进一步地，三相电网的电压最小值vmin、三相电网的电压最大值vmax以及第二电流检测模块30检测得到的负载电流可分别输入运算单元300，以使运算单元300对其进行运算处理。

具体地，如图4所示，运算单元300可包括加法器310、取反器320、修正器330和乘法器340。

其中，加法器310用于对电压最小值vmin和电压最大值vmax进行叠加计算以获得第一电压值v1；取反器320用于对第一电压值v1进行取反计算以获得相电压中间值vmid；修正器330用于将预设系数k乘以相电压中间值vmid以获得第二电压值v2；乘法器340用于将第二电压值v2与负载电流i1进行相乘以获得谐波电流给定值ih_ref。

也就是说，电压最小值vmin和电压最大值vmax输入加法器310后，加法器310可对电压最小值vmin和电压最大值vmax进行叠加计算，以获得第一电压值v1，即v1＝vmin+vmax，并可将该第一电压值v1输入取反器320。取反器320对该第一电压值v1进行取反计算后，可获得相电压中间值vmid，即vmid＝-v1，并可将该相电压中间值vmid输入修正器330。修正器330用预设系数k对该相电压中间值vmid进行修正后，可获得第二电压值v2，即v2＝k*vmid，并可将该第二电压值v2输入乘法器340。乘法器340对该第二电压值v2与第二电流检测模块30检测得到的负载电流i1进行乘法运算后，可获得谐波电流给定值ih_ref，即ih_ref＝v2*i1。

由此，将电压最小值vmin、电压最大值vmax和由第二电流检测模块30检测得到的负载电流i1输入运算单元300，并经过运算单元300中的加法器310、取反器320、修正器330和乘法器340的运算处理后，可获得谐波电流给定值ih_ref。

在本发明的一个具体实施例中，如图5所示，通过对上述方法对三相电网的电压最小值vmin和三相电网的电压最大值vmax进行处理后，可得到电压最小值vmin、电压最大值vmax和相电压中间值vmid的波形，其中，波形w1为电压最大值vmax的波形，波形w2为电压最小值vmin的波形，波形w3为相电压中间值vmid的波形。

进一步地，如图4所示，可将上述谐波电流给定值ih_ref和由第一电流检测模块20检测得到通过补偿电感的电流ih_fb输入控制模块50中的电流控制器400，以使电流控制器400根据谐波电流给定值ih_ref和通过补偿滤波电感的电流ih_fb生成开关控制信号(可为pwm控制信号)。控制模块50可根据该开关控制信号对第一开关管s1和第二开关管s2进行控制，以将谐波注入电路10产生的谐波补偿电流分配到三相电网。由此，可降低注入电网的电流的谐波含量，以满足入网谐波电流标准的要求。

在本发明的一个实施例中，如图4所示，运算单元300还可包括相位延时器350，其中，相位延时器350用于对第二电压值v2进行相位延时，以使分配到三相电网的谐波补偿电流的相位与整流器的入网电压的相位保持同步。其中，对第二电压值v2进行相位延时后可得到图5中所示的波形w4。

具体地，由于谐波注入电路中包括三个星形连接的滤波电容，向滤波电容上注入电流后，可使入网电流相位超前，相位延时器可对第二电压值进行相位延时，以使分配到三相电网的谐波补偿电流的相位与整流器的入网电压的相位保持同步，从而提高系统的功率因数，使输出总功率因数接近于1。

在本发明的一个具体实施例中，负载的功率约为8kw，通过上述方法对三相电网的电压、负载电流i1和通过补偿滤波电感的电流ih_fb进行处理，以及对第一开关管s1和第二开关管s2进行控制后，可得到如图6所示的整流器的入网电压的波形(图6中的波形w5)和分配到三相电网的谐波补偿电流的波形(图6中的波形w6)，由此可得，分配到三相电网的谐波补偿电流的相位与整流器的入网电压的相位保持同步，从而使功率因数接近于1。

进一步地，对图6中的分配到三相电网的谐波补偿电流进行谐波分析后，可得到如图7所示的电流谐波分析图(其横坐标表示谐波次数，纵坐标表示谐波幅值)，由图7可知，分配到三相电网的谐波补偿电流的总谐波含量为4.11％，且基波幅值为16.35，且各次谐波均满足入网谐波电流标准的要求。

在本发明的一个实施例中，如图2所示，整流器的交流侧可通过第一滤波电感l1、第二滤波电感l2和第三滤波电感l3与三相电网a相、b相和c相对应相连，并与谐波注入电路10中的第一滤波电容cf1、第二滤波电容cf2和第三滤波电容cf3对应相连，整流器的直流侧可与谐波注入电路10中的第一开关管s1和第二开关管s2对应相连。

具体地，如图2所示，第一二极管d1和第四二极管d4可构成第一相桥臂，且第一二极管d1和第四二极管d4的交点为第一相桥臂的中间节点，该中间节点通过第一滤波电感l1可连接到三相电网的a相，也可与第一滤波电容cf1的一端连接。第二二极管d2和第五二极管d5可构成第二相桥臂，且第二二极管d2和第五二极管d5的交点为第二相桥臂的中间节点，该中间节点通过第二滤波电感l2可连接到三相电网的b相，也可与第二滤波电容cf2的一端连接。第三二极管d3和第六二极管d6可构成第三相桥臂，且第三二极管d3和第六二极管d6的交点为第三相桥臂的中间节点，该中间节点通过第三滤波电感l3可连接到三相电网的c相，也可与第三滤波电容cf3相连。

由此，三相电网中输出的交流电，经过第一滤波电感l1、第二滤波电感l2和第三滤波电感l3的滤波，以及经过整流器1的整流，并经过直流稳压电容cdc的稳压后，可输出稳定的直流电。

在本发明的另一个实施例中，如图8所示，整流器的交流侧与三相电网a相、b相和c相对应相连，并与谐波注入电路10中的第一滤波电容cf1、第二滤波电容cf2和第三滤波电容cf3对应相连，整流器的直流侧可分别通过第四滤波电感l4和第五滤波电感l5与第一开关管s1和第二开关管s2对应相连。

具体地，第一二极管d1和第四二极管d4可构成第一相桥臂，且第一二极管d1和第四二极管d4的交点为第一相桥臂的中间节点，该中间节点可直接连接到三相电网的a相。第二二极管d2和第五二极管d5可构成第二相桥臂，且第二二极管d2和第五二极管d5的交点为第二相桥臂的中间节点，该中间节点可直接连接到三相电网的b相。第三二极管d3和第六二极管d6可构成第三相桥臂，且第三二极管d3和第六二极管d6的交点为第三相桥臂的中间节点该中间节点可直接连接到三相电网的c相。

三相桥臂并联连接以具有第三节点和第四节点，第三节点通过第四滤波电感l4可连接到第一开关管s1的一端，也可连接到直流侧的第一直流端p，第四节点通过第五滤波电感l5可连接到第二开关管s2的另一端，也可连接到直流侧的第二直流端n。

由此，三相电网中输出的交流电，经过整流器1的整流，以及经过第四滤波电感l4和第五滤波电感l5的滤波，并经过直流稳压电容cdc的稳压后，可输出稳定的直流电至负载。

需要说明的是，本发明实施例的用于整流器的谐波电流补偿装置可集成设置在一个独立模块中，且在需要的应用场合中，可将该独立模块直接并联到二极管整流系统中，以将谐波补偿电流分配到三相电网，从而降低注入电网的电流的谐波含量，以满足入网谐波电流标准的要求。

根据本发明实施例的用于整流器的谐波电流补偿装置，谐波注入电路包括与整流器的交流侧对应相连的三个滤波电容，三个滤波电容可通过补偿滤波电感与第一开关管和第二开关管的一端相连，第一开关管和第二开关管的另一端可分别连接到整流器的直流侧，通过第一电流检测模块检测通过补偿滤波电感的电流，以及通过第二电流检测模块检测整流器的负载电流，并通过电压检测模块检测三相电网的电压，以及通过控制模块根据三相电网的电压、负载电流和通过补偿滤波电感的电流生成开关控制信号，并根据开关控制信号对第一开关管和第二开关管进行控制，以将谐波注入电路产生的谐波补偿电流分配到三相电网。由此，能够降低注入电网的电流的谐波含量，以满足谐波电流标准的要求，而且该装置结构简单，生产成本较低。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。