串联型有源电力滤波装置的制作方法

本实用新型属于电力谐波调理技术领域，尤其涉及一种串联型有源电力滤波装置。

背景技术：

随着电力电子技术的发展，大量由电力电子开关构成的、具有非线性特性的用电设备，广泛应用于冶金、钢铁、交通、化工等工业领域.如电解装置、电气机车、轧制机械、中频炉等使电网中的谐波污染状况日益严重.电网中的高次谐波会造成旋转电机和变压器过热，使电力电容器组工作不正常，甚至造成热击穿损坏;对电力系统中的发电机、调相机、继电保护自动装置和电能计量等也有很大危害，严重时会引发误动作，造成重大事故;谐波污染对通信、计算机系统、高精度加工机械，检测仪表等用电设备也有严重的干扰.因此，必须采取有效的措施来消除电网中的高次谐波。

对于400V低压系统，目前大量采用并联型无源滤波器来抑制谐波，它由电容器、电抗器、电阻器组成的单调谐滤波器和高通滤波器构成，通过对某些次数的谐波呈现低阻来达到滤波的目的，同时还兼顾无功补偿的需要.但由于并联型的无源滤波器只能滤除特定频率的谐波，滤波效果不显著，因此目前普遍采用的是采用电力电子装置进行谐波补偿，即有源电力滤波器。相比无源滤波器，有源电力滤波器能对变化的谐波进行迅速的动态跟踪补偿，响应速度快，而且补偿特性不受电网阻抗的影响。但在一些大型工厂、化工、冶金等系统电压是690V、谐波电压较高的场合，并联型有源电力滤波器不能正常运行，对此，河南施博尔电力科技有限公司根据市场需要，研发出了一种新型的滤波装置-串联型有源电力滤波装置。

690V系统非线性设备运行中谐波治理与无功补偿问题一直是国内外电能质量治理领域的难题，目前主要有以下几种治理方案：

1、高压侧安装高压无源滤波补偿装置

该方案因无法补偿一些设备（如中频炉、变压器）的谐波和无功，因此无法降低中频炉变压器中的大量谐波及无功电流导致的功率损耗，且由于是无源滤波，容易与电网阻抗发生谐振，安全性不够高。

2、低压侧安装低压无源滤波补偿装置

由于一些设备（中频炉）谐波频谱极其丰富，除特征谐波外还会有非特征谐波，装置一般针对特征谐波设立专门的滤波支路，对特征谐波滤除，非特征谐波滤除只能达到40%-50%，因此对于非特征谐波高的设备滤波效果往往很难达标，如果要治理达标，需要增加支路，治理成本增加。

3、低压侧安装有源电力滤波器

有源电力滤波器解决中频炉谐波治理和无功补偿具有最为显著的效果。然而目前国内外有源滤波器厂家的产品基本为400V，690V等级有源滤波装置不常见，且690V系统补偿和滤波装置价格高昂，在一些谐波电压大的场合，效果也不显著。

技术实现要素：

本实用新型旨在提供一种结构简单、使用效果好的串联型有源电力滤波装置。

为解决上述技术问题，本实用新型提供了如下的技术方案：串联型有源电力滤波装置，包括主控芯片、三相电电流采集电路、三相电电压采集电路、驱动芯片、IGBT模块和三个分别串联于三相线路中的耦合变压器，主控芯片的电流信号输入端和电压信号输入端分别连接三相电电流采集电路和三相电电压采集电路；主控芯片的信号输出端连接驱动芯片，驱动芯片的信号输出端连接IGBT模块，IGBT模块的信号输出端连接耦合变压器的耦合端，耦合变压器的输出端连接三相电的负载端。

IGBT模块包括3个IGBT全桥电路，每个IGBT全桥电路均包括第一、第二、第三、第四IGBT管和第一、第二电解电容；驱动芯片的信号输出端连接第一、第二、第三、第四IGBT管的门极，第一和第二IGBT管的集电极相连，第一和第二IGBT管的发射极分别连接第三和第四IGBT管的集电极，第三和第四IGBT管的发射极相连；第一和第二IGBT管的发射极之间连接耦合变压器的耦合端；第一电解电容和第二电解电容串联，第一电解电容的负极板连接第一和第二IGBT管的集电极，第二电解电容的正极板连接第三和第四IGBT管的发射极。

第一和第二IGBT管的发射极通过线路耦合变压器的耦合端，逆变线路上连接有逆变电流互感器，逆变电流互感器的一次侧连接在逆变线路上，逆变电流互感器的二次侧连接主控芯片的保护电流信号输入端。

第一电解电容的负极和第二电解电容的正极连接主控芯片的保护电压信号输入端。

耦合变压器和IGBT全桥电路之间连接有位于逆变线路上的保护元件，保护元件包括晶闸管和常闭接触器，晶闸管和常闭接触器均串联在逆变线路上。

还包括主控芯片的电源电路，电源电路包括变压器和220/24开关电源，变压器的一次侧连接三相电的任意两相，变压器的二次侧连接220/24开关电源的输入端，220/24开关电源的输出端连接主控芯片的电源输入端。

三相电电流采集电路包括3个主电流互感器，3个主电流互感器的一次绕组分别与三相电的三相线路连接，3个主电流互感器的二次绕组分别与主控芯片的电流信号输入端连接。

三相电电压采集电路包括3个主电压采集电阻，主控芯片的电压信号输入端分别通过3个主电压采集电阻连接三相电的三相线路。

还包括滤波支路，滤波支路包括3个滤波电感和3个滤波电容，三相电的负载端的3相线路分别通过滤波电感连接滤波电容的第一端，3个滤波电容的第二端相连。

三相电的三相线路上分别连接有照明灯，照明灯连接于耦合变压器后部，且照明灯位于三相电的负载端的前部。

通过以上技术方案，本实用新型的有益效果为：1、本装置解决了电网中谐波电压高、谐波电流大的问题，滤波效果显著；2、本装置具有保护功能，保证了工作过程中的稳定性，在发生故障时及时切断IGBT模块。

附图说明

图1为本实用新型电路原理图；

图2为IGBT模块原理图。

具体实施方式

串联型有源电力滤波装置，如图1和图2所示，包括主控芯片U1、三相电电流采集电路、三相电电压采集电路、驱动芯片U2（型号为TX-DAH962/959）、IGBT模块、滤波支路和三个分别串联于三相线路中的耦合变压器，三个耦合变压器分别为第一耦合变压器T1、第二耦合变压器T2和第三耦合变压器T3，第一耦合变压器T1串联在A相线路上、第二耦合变压器T2串联在B相线路上，第三耦合变压器T3串联在C相线路上。

主控芯片U1选用单片机即可，其中，单片机的型号为型号为STM32F103C8T6，主控芯片U1需要的最小系统包括复位电路和时钟电路，均为现有技术，在此不再赘述。主控芯片U1的电流信号输入端和电压信号输入端分别连接三相电电流采集电路和三相电电压采集电路；主控芯片U1的信号输出端连接驱动芯片U2，驱动芯片U2的信号输出端连接IGBT模块，IGBT模块的信号输出端连接耦合变压器的耦合端，耦合变压器的输出端连接三相电的负载端，滤波支路并联在三相电的负载端，其中，负载连接在三相电的负载端。

工作的时候，三相电电流采集电路和三相电电压采集电路分别系统电路中的电流和电压，并将采集到的电流和电压分别传输到主控芯片U1，主控芯片U1根据接收到的电流和电压与额定值进行比较，并根据比较值输出信号到驱动芯片U2，从而使得驱动芯片U2发出高低电平，控制IGBT模块的导通或截止，从而使得IGBT模块可以通过耦合变压器T1向三相电的负载端注入电压，进而达到滤除谐波电压和谐波电流的目的。

其中，三相电包括三相电的三相线路，分别为A相、B相和C相。

为了实现主控芯片U1的正常工作，主控芯片U1上连接有主控芯片的电源电路，电源电路包括变压器T4和220/24开关电源XT1，变压器T2的一次侧连接三相电的任意两相，本实施例中，变压器T4的一次侧连接变压器的三相电的A相电和C相电，变压器T4的二次侧连接220/24开关电源XT1的输入端，220/24开关电源XT1的输出端连接主控芯片U1的电源输入端（端口A⁺、A^-）。为了保护电源电路的稳定工作，避免发生意外，在电源电路上连接有第一熔断器FU1、第二熔断器FU2和断路器Q1，第一熔断器FU1和第二熔断器FU2分别连接A相电和C相电，断路器Q1连接于变压器T2的二次侧和220/24开关电源XT1之间。

主控芯片U1的电流信号输入端（端口UA、UB、UC）和电压信号输入端（端口AS1、AS2、BS1、BS2、CS1、CS2）分别连接三相电电流采集电路和三相电电压采集电路。

三相电电流采集电路采集系统的电流，三相电电流采集电路包括3个主电流互感器，分别为第一主电流互感器CT4、第二主电流互感器CT5和第三主电流互感器CT6，第一主电流互感器CT4、第二主电流互感器CT5和第三主电流互感器CT6分别与三相电的A相、B相和C相线路连接，第一主电流互感器CT4、第二主电流互感器CT5和第三主电流互感器CT6的二次绕组分别与主控芯片U1的电流信号输入端（端口UA、UB、UC）连接。

三相电电压采集电路采集系统的电压，三相电电压采集电路包括3个主电压采集电阻，分别为第一主电压采集电阻R1、第二主电压采集电阻R2和第三主电压采集电阻R3。主控芯片的电压信号输入端（端口AS1、AS2、BS1、BS2、CS1、CS2）分别通过第一主电压采集电阻R1、第二主电压采集电阻R2和第三主电压采集电阻R3连接三相电的A相、B相和C相线路。

主控芯片U1的信号输出端连接驱动芯片U2，驱动芯片U2为市售产品，驱动芯片U2（型号为DIJIEEDriV1.7）的信号输出端连接IGBT模块。

IGBT模块包括3个IGBT全桥电路，3个IGBT全桥电路分别为第一IGBT全桥电路、第二IGBT全桥电路和第三IGBT全桥电路，每个IGBT全桥电路由一个驱动芯片U2驱动即可。

以第一IGBT全桥电路为例进行说明，第一IGBT全桥电路包括第一IGBT管QT1、第二IGBT管QT2、第三IGBT管QT3、第四IGBT管QT4、第一电解电容CD1、第二电解电容CD2、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3和第四二极管D4。

第一电解电容CD1和第二电解电容CD2串联，第一电解电容CD1的负极板连接第一IGBT管QT1和第二IGBT管QT2的集电极，第二电解电容CD2的正极板连接第三IGBT管QT3和第四IGBT管QT4的发射极。第一IGBT管QT1的集电极连接第一二极管D1的正极，第一IGBT管QT1的发射极连接第一二极管D1的负极，通过第一二极管D1可以保证第一第一IGBT管QT1工作的稳定性，降低工作过程中被击穿的概率。第二IGBT管QT2与第二二极管D2，第三IGBT管QT3与第三二极管D3以及第四IGBT管QT4与第四二极管D4的连接方式与第一IGBT管QT1与第一二极管D1的连接方式相同，在此不再赘述。

驱动芯片U2的信号输出端连接第一IGBT管QT1、第二IGBT管QT2、第三IGBT管QT3、第四IGBT管QT4的门极，第一IGBT管QT1和第二IGBT管QT2的集电极相连，第一IGBT管QT1和第二IGBT管QT2的发射极分别连接第三IGBT管QT3和第四IGBT管QT4的集电极，第三IGBT管QT3和第四IGBT管QT4的发射极相连；第一IGBT管QT1和第二IGBT管QT2的发射极之间连接第一耦合变压器T1的耦合端。此处，对于，第二IGBT全桥电路和第三IGBT全桥电路的第一IGBT管和第二IGBT管的发射极连接第二耦合变压器T2的耦合端。

对于第一IGBT管QT1和第二IGBT管QT2的发射极与第一耦合变压器T1的耦合端相连的方式为：第一IGBT管QT1和第二IGBT管QT2的发射极通过逆变线路连接第一耦合变压器T1的耦合端，逆变线路上连接有保护元件，保护元件包括第一晶闸管TR1和第一常闭接触器KM1-1，第一晶闸管TR1和第一常闭接触器KM1-1均串联在逆变线路上。此处，对于，第二IGBT全桥电路上的保护元件包括第二晶闸管TR2和第二常闭接触器KM1-2。第三IGBT全桥电路上的保护元件包括第三晶闸管TR3和第三常闭接触器KM1-3。

为了提高装置的保护作用，在第一IGBT全桥电路的逆变线路上连接有第一逆变电流互感器CT1，第一逆变电流互感器CT1的一次侧连接在逆变线路上，第一逆变电流互感器CT1的二次侧连接主控芯片U1的保护电流信号输入端（端口TA1、TA2）。同时，第一电解电容CD1的负极和第二电解电容CD2的正极连接主控芯片U1的保护电压信号输入端（DC1+、DC1-）。

在第二IGBT全桥电路的逆变线路上连接有第二逆变电流互感器CT2，第二逆变电流互感器CT2的一次侧连接在逆变线路上，第二逆变电流互感器CT2的二次侧连接主控芯片U1的保护电流信号输入端（端口TB1、TB2）。同时，第二IGBT全桥电路上的两个电解电容中，其中，1个的电解电容的负极和另外一个的电解电容的正极连接主控芯片U1的保护电压信号输入端（DB1+、DB1-）。

在第三IGBT全桥电路的逆变线路上连接有第三逆变电流互感器CT3，第三逆变电流互感器CT3的一次侧连接在逆变线路上，第三逆变电流互感器CT3的二次侧连接主控芯片U1的保护电流信号输入端（端口TC1、TC2）。同时，第二IGBT全桥电路上的两个电解电容中，其中，1个的电解电容的负极和另外一个的电解电容的正极连接主控芯片U1的保护电压信号输入端（DA1+、DA1-）。

同时，第一IGBT全桥电路逆变线路上还串联有第一逆变电容C1，第二IGBT全桥电路的逆变线路上还串联有第二逆变电容C2，第三IGBT全桥电路的逆变线路上还串联有第三逆变电容C3。

主控芯片U1通过逆变互感器采集线路中的电流信号，通过连接两个电解电容的正极和负极，采集线路中的电压信号，根据采集到的信号与阈值进行比对，当发生过电流或欠电压的现象时，主控芯片U1发出信号使得驱动芯片驱动IGBT模块停止工作，从而防止过电流和直流过欠压的发生，保护装置稳定可靠运行。

工作的时候，当驱动芯片U2发出高电平时，IGBT模块导通，从而可以通过耦合变压器T1向系统电路中注入电压，当驱动芯片U2发出低电平时，IGBT模块截止，停止通过耦合变压器T1向系统电路中注入电压。

还包括主控芯片、三相电电流采集电路、三相电电压采集电路、驱动芯片、IGBT全桥电路和三个分别串联于三相电的三相线路中的耦合变压器，主控芯片的；，IGBT模块的信号输出端连接耦合变压器的耦合端，耦合变压器的输出端连接三相电的负载端，负载连接于三相电的负载端。

滤波支路可以滤除杂波，保证线路稳定。其中，滤波支路包括3个滤波电感和3个滤波电容，3个滤波电感分别为第一滤波电感L1、第二滤波电感L2和第三滤波电感L3；3个滤波电容分别为第一滤波电容C1、第二滤波电容C2和第三滤波电容C3。三相电的负载端的A相线路通过第一滤波电感L1连接第一滤波电容C1的第一端，三相电的负载端的B相线路通过第二滤波电感L2连接第二滤波电容C2的第一端，三相电的负载端的C相线路通过第三滤波电感L3连接第三滤波电容C3的第一端，第一滤波电容C1、第二滤波电容C2和第三滤波电容C3的第二端相连。

为直观指示三相电是否正常工作，在三相电的A相、B相和C相线路上分别连接有第一照明灯DL1、第二照明灯DL2和第三照明灯DL3，第一照明灯DL1、第二照明灯DL2和第三照明灯DL3连接于耦合变压器后部，且第一照明灯DL1、第二照明灯DL2和第三照明灯DL3位于三相电的负载端的前部。当三相电出现断路时，第一照明灯DL1、第二照明灯DL2和第三照明灯DL3会灭掉。

三相电通过变压器T2转换为220V电压供220V系统使用，220/24开关电源XT1产生24V电压给主控芯片U1和驱动芯片U2供电，主控芯片U1通过采集系统电压和系统电流，与阈值进行比对，其中，主控芯片根据接收到的信号与阈值进行比对为成熟的现有技术。

主控芯片U1根据比对结果，驱动IGBT模块全桥逆变出电压，通过耦合变压器注入到三相电路中，从而达到滤除谐波电压和谐波电流的目的。

作为本实施例的变换，在主控芯片U1上可以连接触摸屏，两者具体通过RS485相连从而实现数据交换。通过，触摸屏可以直观显示系统状态信息如电网状态以及故障状态，另外通过触摸屏也可实现装置的简单控制，使工作更加方便。

本实用新型所述的装置解决了电网中谐波电压高、谐波电流大的问题，滤波效果显著，保证了用电设备的工作稳定，具有很大的发展空间。