摘要：设计了一种带有三相电源进线滤波器的超音频感应加热电源，重点解决感应加热电源谐波污染严重的问题，通过对有源滤波的研究，详细介绍了一种改进型的电流谐波检测方法。改进后的有源滤波技术可以进一步提升滤波容量和补偿性能，使感性加热电源的谐波治理有更高的可控性和更迅速的响应性。并且阐述了感应加热电源各个滤波环节的设计和参数计算，简单说明了感应加热电源的拓扑结构。完成了感应加热电源系统的设计和MATLAB的仿真，包括进线滤波器、三相桥式不控整流电路、逆变电源输入滤波电路、逆变电路和串联谐振负载电路，通过对电源线电流谐波治理前后的快速傅里叶分析，验证了改进后电流谐波检测方法的有效性。
关键词：感应加热电源；谐波治理；无源滤波；有源滤波；瞬时无功功率
引言
感应加热技术的原理是将需要加热的材料放置在交变磁场中，利用电磁感应与涡流热效应对其加热。现代工业加工技术中加热作为其中一个重要领域，在许多工业生产场合中都有其应用。加热的方式有三种，感应加热法、电阻加热法和直接加热法，相比之下前者有着明显的优势，所以感应加热技术得到快速的发展和越来越多的应用[1]。然而感应加热电源的电压—电流具有典型的非线性特点，作为一个非线性的负荷，其产生的谐波电流是一种严重的谐波污染。大量的谐波注入电网，会引发一系列严重的电能质量问题，不仅干扰接入电网设备的稳定运行，还会降低电力系统的功率因素和运行效率，因此，感应加热电源的谐波污染问题亟待解决[2]。谐波污染又大致有两种解决措施，一种是加装滤波装置，一种是处理谐波源从根本上减少谐波的产生。本文根据要求设计的感应加热电源的技术指标，设计了一种具有电源线路滤波器的感应加热电源，通过对相关功率器件的参数设计并在MATLAB中的SIMULINK平台上搭建系统仿真模型，验证了设计的可行性和谐波治理的效果，谐波的含量基本满足国家标准GB/T14549—93《电能质量公用电网谐波》[3]。又因为滤波装置分为无源滤波和有源滤波，而有源滤波拥有更多的优点和更广阔的前景。为了进一步提高电源线路滤波器的滤波效果方案。在搭建的仿真平台上，利用一种改进的瞬时无功功率法检测谐波电流，进一步提高谐波治理的效果。
1感应加热电源无源滤波研究
1.1感应加热电源主电路拓扑结构
本文按照技术指标设计了感应加热电源的主电路拓扑图，满足了电源输出频率15kHz～20kHz和电源功率15kW的设计要求。整流装置若采用可控硅整流，存在电网侧功率因素低和装置体积增加的缺点，所以本文选择二极管不控整流。感应加热的逆变器有多种可选择拓扑结构，相比半桥逆变器，全桥逆变器的开关电流减少一半，因此更适合大功率场合。串联谐振逆变存在死区时间，反向电压较小，适用于频繁启动的场合，综合考虑之后选择如图1所示的主电路拓扑结构[4]。
图1 主电路拓扑结构图
1.2线路滤波器设计
感应加热电源的线路滤波器应该是低通滤波器，一般采用的有了K式低通滤波器和并M式低通滤波器，因为这两种线路滤波器可以在一个较宽的干扰噪声频段内有一个比较大的衰减量。又因为并M式∏形电路具有双向对称性，该线路滤波器不仅可以衰减电磁加热电源产生的高频电磁干扰对加热电源设备工作的影响，还具有改善源功率因素的功能，所以采用后者。
2感应加热电源有源滤波研究
2.1有源电力滤波器的原理
有源电力滤波器的原理简单描述就是首先采样负载的电流，经过对电流的分析计算出谐波的成分含量，然后，通过谐波电流补偿装置将和谐波方向相反、大小相等的电流注入电网，从而起到消除电网谐波的效果。
2.2.1传统瞬时无功功率算法
从APF的系统结构框图中可以看出，谐波检测电路快速、准确的获得负载电流谐波信号是APF工作性能的关键。目前谐波检测的方法有很多种，其中基于瞬时无功功率的算法具有较好的实时性。
2.2.2改进的瞬时无功功率算法
在传统的电流检测中电流的基波频率和初相角是由锁相环PLL根据第一相电压信号得到的，因此，如果电网电压产生波动会产生误差。而从传统的电流检测方法中可以发现，只有负荷频率w是需要确的。又因为感应加热电源接入的是电网端，在我国的电网电压和电流的频率都是50Hz，所以可以在电流的检测算法中预先将负荷频率设定。其中谐波电流是用原电流与之相减得到，改进后的算法省去PLL技术，因此避免了电网电压不对称带来的误差，增强了算法的精度。传统的瞬时无功功率算法中通常需要采用两个滤波器，一般为二阶Butterworth滤波器。其包含的参数主要有截止频率和阶数的大小，这两个参数的设置直接决定低通滤波器的性能。针对低通滤波器存在滞后的现象，用计算电流平均值的方法来代替低通滤波器可以克服这一缺陷，提高电流检测的响应速度[5]。
3仿真和结果分析
针对感应加热电源会产生大量谐波污染的问题，依据前面提出的治理方法，在MATLAB的SIMULINK/SimPowerSystem平台上搭建了感应加热谐波治理的仿真模型。感应加热电源的整体仿真中，当没有进线滤波装置时对整流器交流侧的电流进行测量，并对其用FFT进行分析，谐波含量高达73.31%，显然不符合国家标准。为了解决这一问题，根据之前的计算结果设了仿真参数，将设计的低通滤波器加装在感应加热电源上进行仿真，对第一相的电流波形进行FFT分析，其谐波含量为7.15%，可以看出谐波的含量得到了有效的降低，设计的感应加热电源达到了相关标准。为了验证改进后有源滤波的实验效果，在搭建的感应加热电源仿真平台上，还进行了瞬时无功功率电流检测的仿真实验。首先搭建了传统检测法的仿真，然后根据第2节的研究对其进行改进，两种方法检测出的电流基波中，传统法获取的基波幅值为156A，改进后为134.5A，其中波形的相位和幅值都产生了误差，而改进后的误差得到了一定的改善。
结束语
本文针对感应加热电源产生谐波污染电网质量的问题，结合感应加热电源在驱动脉冲下产生电磁干扰的特点，这种电磁干扰具有宽频带特性，这种宽频带噪声频率从十几千赫到几十兆赫，设计了一种低通滤波器，并根据感应加热电源的技术指标计算参数大小，然后通过MATLAB仿真验证其对工频50Hz呈现低阻抗，而在较宽的噪声频段内，获得了较高的衰减。最后进行的有源滤波的研究符合现如今电能质量的发展方向，提供了一种更有效的改进型电流检测技术。
参考文献：
[1]邢云琪，邹黎，李家淦，等.基于消除死区电流减少中频电源负载供电谐波的研究[J].电源技术应用，2013（2）：76-77.
[2]佚名.基于DFT的感应电机转子谐波磁通密度高效分离方法及负载条件下变频电机转子铁耗特性[J].电工技术学报，2019，34（1）：75-83.
论文作者:刘真全
论文发表刊物:《基层建设》2019年第8期
论文发表时间:2019/6/19
标签：谐波论文; 感应论文; 电源论文; 电流论文; 滤波器论文; 电网论文; 功率论文; 《基层建设》2019年第8期论文;