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鐵芯電抗器直流偏磁對PAPF濾波性能影響的分析
作者：威博特鐵芯 發布時間：2019-03-30 15:01:18 瀏覽次數：鐵芯電抗器直流偏磁對PAPF濾波性能影響的原因分析
1、PAPF 逆變器輸出電流中的直流分量
三相四線制 PAPF 的逆變器中，如果全橋逆變器輸出電壓脈沖列在基波正負半周波內不對稱，則基波周期內正負半波伏秒值不相等，就會導致輸出的補償電流中含有直流分量。在實際橋式逆變電路中可能產生的直流分量的具體原因有:
( 1) 靜態因素: 控制系統中給定的基準正弦波信號及三角波信號中含有直流分量，或控制系統的其它因素; 功率半導體開關器件( IGBT) 的自身特性和驅動信號不一致存在差異; 各種信號傳輸延時的不同;反饋所用的霍爾元件存在零點漂移;
( 2) 動態因素: 輸出電壓的瞬時值反饋等波形校正技術的應用和瞬時封鎖驅動脈沖的限流保護措施的使用; 電路設計不當，工藝欠妥。
2、鐵芯電抗器的直流偏磁原理分析
由于上述分析的多種因素導致逆變器輸出電壓含有直流偏移量，從而輸出電流中也含有直流分量，逆變器 a、n 相兩橋輸出的電壓可以表示為：
式中 Ud 為 Uan的直流分量; m 為調制比; Ed 為直流側母線電壓; ω0 為 50Hz 的基波角頻率; ωs 為被調制的三角波的基波角頻率。
由于上式中 Ud 的存在，直流電壓分量 Ud 就會在鐵芯電抗器線圈產生直流電流 Id，可表示為:
由于上式中 Ud 的存在，直流電壓分量 Ud 就會在鐵芯電抗器線圈產生直流電流 Id，可表示為:
式中 r 表示鐵芯電抗器電感線圈電阻。
由于 r 很小，因此電抗器線圈中的直流電流 Id 是不可忽略的。直流電流 Id 就在電抗器鐵芯中產生一恒定的磁勢:
由于 r 很小，因此電抗器線圈中的直流電流 Id 是不可忽略的。直流電流 Id 就在電抗器鐵芯中產生一恒定的磁勢:
從而在電抗器鐵芯中產生一恒定的直流偏磁磁通 ψd 和磁感應強度 Bd :
式中 Ni 表示鐵芯電抗器線圈繞組匝數; li 表示電抗器鐵芯磁路長度; μ 為鐵芯磁導率; S 為鐵芯截面積。
式( 1) 中第二項為 PAPF 逆變器輸出電壓波形中所含的 50Hz 基波分量，它在電抗器鐵芯中產生基波磁通 ψm。根據基波電勢平衡方程式，有:
式( 1) 中第二項為 PAPF 逆變器輸出電壓波形中所含的 50Hz 基波分量，它在電抗器鐵芯中產生基波磁通 ψm。根據基波電勢平衡方程式，有:
式( 1) 中第三項為 PAPF 逆變器輸出電壓波形中的高次諧波分量。由于 RLC 輸出濾波電路的存在，可忽略其影響。
為了充分利用電抗器鐵芯和降低生產成本，普通通用濾波電抗器鐵芯的工作磁感應強度一般選擇在飽和磁感應強度 Bs 附近。由于電抗器鐵芯磁化原理和變壓器相同，根據文獻可知正常情況下，鐵芯磁通變化范圍為［－ Δψm，+ Δψm］，相應的磁感應強度變化范圍為［－ ΔBm，+ ΔBm］，當直流分量流進鐵芯電抗器線圈繞組時，在電抗器鐵芯中產生直流偏磁磁通，鐵芯磁通將在［ψd － Δψm，ψd + Δψm］之間變動，相應的磁感應強度將在［Bd － ΔBm，Bd +ΔBm］之間變動。由于上述分析的原因使鐵芯電抗器的工作點上升，從原磁化曲線非飽和區的一部分移至飽和區，即 Bd + ΔBm ＞ Bs，Bd － ΔBm ＜ － Bs，導致勵磁電流在半波周期內發生畸變，呈尖頂波狀，產生各次諧波分量，如圖 6 所示。圖中虛線為無直流電流時正常勵磁下的磁感應強度曲線和勵磁電流曲線，實線為有直流電流時過勵情況下的磁感應強度曲線和勵磁電流曲線。
為了充分利用電抗器鐵芯和降低生產成本，普通通用濾波電抗器鐵芯的工作磁感應強度一般選擇在飽和磁感應強度 Bs 附近。由于電抗器鐵芯磁化原理和變壓器相同，根據文獻可知正常情況下，鐵芯磁通變化范圍為［－ Δψm，+ Δψm］，相應的磁感應強度變化范圍為［－ ΔBm，+ ΔBm］，當直流分量流進鐵芯電抗器線圈繞組時，在電抗器鐵芯中產生直流偏磁磁通，鐵芯磁通將在［ψd － Δψm，ψd + Δψm］之間變動，相應的磁感應強度將在［Bd － ΔBm，Bd +ΔBm］之間變動。由于上述分析的原因使鐵芯電抗器的工作點上升，從原磁化曲線非飽和區的一部分移至飽和區，即 Bd + ΔBm ＞ Bs，Bd － ΔBm ＜ － Bs，導致勵磁電流在半波周期內發生畸變，呈尖頂波狀，產生各次諧波分量，如圖 6 所示。圖中虛線為無直流電流時正常勵磁下的磁感應強度曲線和勵磁電流曲線，實線為有直流電流時過勵情況下的磁感應強度曲線和勵磁電流曲線。
當鐵芯沒有飽和時，勵磁電流發生畸變，僅含有奇次諧波分量，以 3、5、7 次諧波為主。如果在過勵情況下鐵芯飽和導致勵磁電流畸變，會造成奇次諧波分量的大幅增加，勵磁電流波形保持正負半波對稱。而當有直流分量時，就會產生直流偏磁磁通，使得勵磁電流畸變情況更嚴重且波形不再正負半波對稱，因此其諧波成分除了奇次諧波外，還產生了偶次諧波分量，尤其是 2 次諧波占了相當大的比例。
