18脈波自耦型無源功率因數(shù)校正技術(shù)

陳根余，卓 沛，張 斐

（中國電子科技集團(tuán)公司第29研究所，四川 成都 610036）

諧波電流抑制方法可分為濾波和新的低諧波整流兩類發(fā)展方向，而濾波可以分為無源和有源濾波。無源濾波方法采用L、C和其他無源元件組成濾波電路，簡單可靠，可消除特定諧波的影響［1］。有源濾波需要從補(bǔ)償對象中檢測諧波電流，補(bǔ)償無功及諧波電流，該方法需要DSP或者FPGA等高速邏輯器件，來實現(xiàn)諧波電流的檢測與快速計算。本文對幾種多脈波整流器方案進(jìn)行了比較，在綜合考慮諧波電流、體積重量和工藝要求下選用P型18脈波自耦變壓整流方案。詳細(xì)分析了電路的工作原理，推導(dǎo)了電路的輸出電壓和輸入電流的特性，給出了P型自耦變壓器的設(shè)計依據(jù)。最后完成了9 kW18脈波自耦型無源功率因數(shù)校正模塊設(shè)計。

1 多脈波整流器原理簡介及方案選取

1.1 多脈波整流器原理簡介

多脈波整流電路就是利用不同的匝比變換和繞組聯(lián)結(jié)（如三角形聯(lián)結(jié)和星形等）來構(gòu)造得到相位不同的電壓矢量，使得網(wǎng)側(cè)電流由不同相位的電流矢量疊加而成，包含不同電壓矢量的信息，最終使得傳統(tǒng)三相橋式整流電路的方波電流變?yōu)榀B加而成的階梯波電流。

1.2 18脈波變壓整流方案選取

通過移相變壓器構(gòu)造電壓矢量是最簡單有效的方法。當(dāng)不要求電氣隔離時，可用自耦變壓器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的隔離變壓器。由于自耦變壓器不僅有磁路上的耦合而且還有電路上的連接，有利于減小變壓器的體積、重量，且提高系統(tǒng)的效率。因此，目前多采用18脈波自耦變壓整流器。

18脈波自耦變壓器有多種繞組實現(xiàn)方式，如圖1所示。變壓器在相同條件下，輸入電流的THD相同，在結(jié)構(gòu)繞組上P型簡單、便于加工設(shè)計。因此，本文以P型18脈波自耦變壓器進(jìn)行設(shè)計。

圖1 18脈波自耦變壓器

2 P型18脈波自耦變壓整流器

2.1 電路拓?fù)?/h3>

圖2給出了P型18脈沖自耦變壓器整流電路圖，其中與電網(wǎng)輸入電壓同相的主三相電壓（UA、UB、UC）直接供電給主整流橋，另外兩組輔助電壓（UA1、UB1、UC1）和（UA2、UB2、UC2）分別供電給兩組輔助整流橋，三個整流橋的輸出電壓并聯(lián)后向負(fù)載供電。

圖2 18脈波自耦變壓器整流電路圖

2.2 變壓器設(shè)計

根據(jù)18脈波自耦變壓器繞組圖（圖3），每個鐵心柱有五個繞組，每個鐵芯柱對應(yīng)為一個原邊繞組，在其基礎(chǔ)上自耦產(chǎn)生四個副邊繞組，從原邊繞組引出兩個抽頭用于連接相應(yīng)的整流橋，由自耦變壓器產(chǎn)生另外兩組輔三相電壓，以A相為例，產(chǎn)生的輔助相電壓UA1和UA2。

圖3 18脈波自耦變壓器繞組圖

令原邊繞組總匝數(shù)為Np，其中短繞組匝數(shù)為Np1、長繞組匝數(shù)為Np2，副邊繞組總匝數(shù)為2Ns，其中每個副邊繞組的匝數(shù)為Ns。令電網(wǎng)輸入相電壓矢量長度為Us，其中主三相電壓（UA，UB，UC）可表示為：

同理可以求得其余輔相電壓的大小，它們可以分別表示為：

則由三組三相電壓矢量合成可以產(chǎn)生三組線電壓：

（1）主線電壓（UAB，UBC，UCA）由主三相電壓直接得到：

（2）輔助線電壓（UAB1，UBC1，UCA1）、（UAB2，UBC2，UCA2）由主三相電壓和輔三相電壓矢量合成得到：

在三角形PBB1中，∠B1BP＝120°－（180°－20°）／2＝40°，∠BPB1＝120°，∠BB1P＝20°，應(yīng)用正弦定理可得：

因此可得短繞組和長繞組的電壓矢量長度為：

則根據(jù)繞組電壓，可求得各繞組匝比為（其中NP＝2NP1＋NP2）：

綜上所述，18脈沖自耦變壓器各鐵芯柱有五個繞組，從原邊繞組引出兩個抽頭用于連接相應(yīng)的整流橋，四個副邊繞組匝數(shù)為原邊繞組匝數(shù)的0.159，0.159，0.299，0.402，0.299倍。

2.3 輸入電流分析

將變壓器匝比與各節(jié)點(diǎn)的電流關(guān)系代入磁勢平衡等式可得A相電流的表達(dá)式為：

根據(jù)18脈波自耦變壓器的工作原理，假設(shè)負(fù)載電流為恒定的Id，則可得（ia、ib、ic）、（ia1、ib1、ic1）與（ia2、ib2、ic2）的工作波形。

2.4 輸出電壓與變壓器容量分析

在一個交流周期內(nèi)，自耦變壓器輸出電壓為18脈波，所以整流器輸出電壓為：

則輸出直流電壓平均值Ud為：

結(jié)合變壓器匝比關(guān)系可得變壓器原邊繞組電壓有效值為：

變壓器副邊繞組電壓有效值為：

則可計算得到P型18脈波自耦變壓器的容量Pdtr為：

即P型18脈波自耦變壓器的等效容量僅為輸出功率的0.274倍。

3 9 kW18脈波自耦變壓整流模塊

3.1 參數(shù)計算

輸入電壓為三相115 V交流輸入，Us＝115 V，可得直流輸出電壓平均值為：

對于Po＝9 kW的負(fù)載功率，由于P型18脈波自耦變壓器的等效容量僅為輸出功率的0.274倍，則可得P型18脈波自耦變壓器的總?cè)萘繛镻ttr＝0.274Po＝2 466 W，Id＝Po／Ud＝32.1 A，則所有匝數(shù)為Ns和NP1的繞組有效值電流均為0.262Id＝8.4 A，所有匝數(shù)為NP2的繞組有效值電流均為0.145Id＝4.6 A。

選取整流二極管時，應(yīng)考慮到電壓應(yīng)力，取輸入線電壓的最大值，即：

二極管的電壓定額為：

流過二極管的最大電流為負(fù)載電流Id，則主二極管有效電流為：

主二極管的電流定額應(yīng)為：

輔助二極管有效電流為：

輔助二極管的電流定額應(yīng)為：

3.2 仿真分析

利 用 Mtalab／Simulink／SimPowerSystems 庫 可以搭建P型18脈波自耦變壓器整流電路，通過仿真選用三相115 V／400 Hz交流輸入濾波器參數(shù)為：L＝300μH、C＝2μF，選用直流輸出濾波器參數(shù)為：L＝1 mH、C＝17μF。

穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果如圖4所示，由圖可知P型18脈波自耦變壓器整流電路的交流輸入電流在一個線頻周期內(nèi)呈現(xiàn)出18個脈波，濾波后的輸入電流總諧波畸變率THD＝2.86%，主整流橋輸出功率為負(fù)載功率的2／3，兩個輔助整流橋的輸出功率均為負(fù)載功率的1／6，仿真結(jié)果與上節(jié)的理論分析結(jié)果相一致。

圖4 18脈波自耦變壓整流電路穩(wěn)態(tài)仿真波形

3.3 實驗樣機(jī)

根據(jù)理論分析與仿真結(jié)果，完成了9 kW18脈波自耦變壓整流模塊設(shè)計，由斷路器、接觸器、EMI濾波器、18脈波自耦變壓器、三相整流橋、輸出濾波電路、浪涌抑制及控制檢測電路和儲能電容組成。

圖5 模塊實驗測試波形

模塊的輸出電壓、三相輸入電流與三相輸入電壓測試波形如圖5所示，可見輸出電壓穩(wěn)定在280 V左右，輸入電流波形為由18個臺階構(gòu)成的正弦波。滿載時測得模塊的功率因數(shù)為0.998、輸入電流的總諧波畸變率為6.9%、轉(zhuǎn)換效率為0.968，輸入電壓的畸變系數(shù)為0.0321，滿足 GJB181A－2003對用電設(shè)備的指標(biāo)要求。

4 結(jié) 論

本文對P型18脈波自耦變壓整流器進(jìn)行了詳細(xì)的原理分析，分析了輸入電流特性，并針對機(jī)載用電設(shè)備完成了9 kW18脈波自耦變壓整流模塊設(shè)計和硬件實驗。結(jié)果表明，滿載時該模塊的功率因數(shù)為0.998、輸入電流的總諧波畸變率為6.9%、轉(zhuǎn)換效率為0.968，滿足GJB181A－2003對用電設(shè)備的指標(biāo)要求。

［1］ 張 浩，許龍虎.有源功率因數(shù)校正技術(shù)及控制方式分析［J］.上海電力學(xué)院學(xué)報，2009，25（3）：201－207.

［2］ 唐 欣，羅 安.基于重復(fù)控制的有源濾波器的三態(tài)滯環(huán)控制方法［J］.電工技術(shù)學(xué)報，2009，24（9）：134－139.