使用六繞組隔離變壓器的大電流整流器研究

孟凡剛 徐曉娜 高蕾 楊威 楊世彥

摘 要：為提高整流器的電流輸出能力，設(shè)計(jì)了一種基于六繞組隔離變壓器的大電流整流器。該整流器使用六繞組隔離變壓器作為移相變壓器，隔離變壓器的原邊繞組采用三角形聯(lián)結(jié)，副邊繞組相互獨(dú)立，輸出三組相位依次相差120°的單相電壓，分別為三組單相整流橋供電，可有效增大電流輸出能力。理論分析、仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該大電流整流器的輸入側(cè)和負(fù)載側(cè)的電能質(zhì)量與傳統(tǒng)的雙反星形整流器相同，但電流輸出能力為雙反星形整流器的1.5倍；另外，該大電流整流器所用隔離變壓器的容量要小于雙反星形整流器所用變壓器的容量，這在一定程度上可以提高該整流器的功率密度。

關(guān)鍵詞：大電流整流器；隔離變壓器；繞組結(jié)構(gòu)；平衡電抗器

DOI：10.15938/j.emc.（編輯填寫(xiě)）

中圖分類(lèi)號(hào)： TM461.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1007 -449X（2017）00-0000-00

A large current rectifier based on six windings isolated transformer

MENG Fan-gang， XU Xiao-na， GAO Lei， YANG Wei， YANG Shi-yan

（School of Electrical Engineering and Automation， Harbin Institute of Technology，Harbin150001， China）

Abstract：In order to enlarge the output current of the rectifier， a large current rectifier based on six windings isolated transformer is proposed. The proposed rectifier uses the six windings isolated transformer to be the phase-shift transformer， and the primary windings of the transformer are connected in delta， the secondary windings are independent and provide three groups of single phase voltage with 120° phase shiftin turn to feed three single-phase rectifiers； the three windingsof the inter phase reactor connect the output positive electrode of the three single-phase rectifiers， respectively， which can increase the ability of output current. Theoretical analysis， simulation and experimental results indicate that the power quality on the input side and load side of the large current rectifier is the same as the double-star rectifier， and the output current is 1.5 times of the double-star rectifier. In addition，the kVA rating of the isolated transformer is smaller than that of the transformer in the double-star rectifier，which can improve the power density of the proposed rectifier to some degree.

Keywords： large current rectifier；isolated transformer； winding configuration； inter-phase reactor

0 引言

大電流整流器廣泛應(yīng)用于電化學(xué)、航空電源、船舶動(dòng)力推進(jìn)等領(lǐng)域[1-2]。如何提高大電流整流器的電流輸出能力和功率密度一直是該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一[3]。

常用的大電流整流器主要有并聯(lián)型多脈波整流器和帶平衡電抗器的雙反星形整流器[4-5]。這兩類(lèi)整流器的共同特點(diǎn)是均使用移相變壓器和平衡電抗器。移相變壓器和平衡電抗器是大電流整流器的主要磁性器件，二者的體積在很大程度上決定著大電流整流器的功率密度[6-7]。移相變壓器的主要作用是輸出幾組存在合適相位差的三相電壓對(duì)整流橋供電[8]。常用的移相變壓器主要分為自耦型和隔離型兩大類(lèi)，自耦型移相變壓器主要應(yīng)用于輸入與輸出電壓等級(jí)差別不大的場(chǎng)合，其通過(guò)磁耦合傳遞的功率僅占負(fù)載消耗功率的一小部分，這可以在一定程度上提高整流器的功率密度[6]。在輸入與輸出電壓等級(jí)差別較大的場(chǎng)合，從安全角度考慮，需要使用隔離型移相變壓器[4]。帶平衡電抗器的雙反星形整流器使用隔離型雙反星形變壓器作為移相變壓器，是低電壓、大電流場(chǎng)合常用的整流器[9-10]。隔離型雙反星形變壓器的容量約為負(fù)載輸出功率的127%，這會(huì)導(dǎo)致雙反星形整流器的功率密度較低。變壓器的繞組結(jié)構(gòu)對(duì)隔離型移相變壓器的容量有著較大影響。本文提出了一種使用六繞組隔離變壓器的大電流整流器，該變壓器的容量?jī)H為負(fù)載功率的111%，這有利于提高整流器的功率密度。平衡電抗器用于吸收整流橋輸出電壓的瞬時(shí)差，保證整流橋能夠獨(dú)立并聯(lián)工作。平衡電抗器所接的整流橋個(gè)數(shù)越多，整流器的電流輸出能力越強(qiáng)。本文提出的大電流整流器包含三個(gè)整流橋，電流輸出能力是雙反星形整流器的1.5倍。

1 六繞組隔離變壓器的繞組結(jié)構(gòu)

圖1所示為使用六繞組隔離變壓器的大電流整流器結(jié)構(gòu)示意圖。該大電流整流電路主要由隔離變壓器、三組單相整流橋和平衡電抗器組成。圖1中，隔離變壓器的作用是產(chǎn)生三組相位相差120°的單相交流電源，為三組單相整流橋供電。

圖1使用六繞組隔離變壓器的大電流整流器

Fig. 1 Large current rectifier using the isolated-transformer with six windings

圖2所示為六繞組隔離變壓器的繞組結(jié)構(gòu)。該隔離變壓器由三個(gè)芯柱組成，每個(gè)芯柱上有一個(gè)原邊繞組和一個(gè)副邊繞組。三個(gè)原邊繞組采用三角形聯(lián)結(jié)方式，能夠?yàn)?倍頻諧波提供回路；三個(gè)副邊繞組相互獨(dú)立，輸出三組相位依次相差120°的單相電壓為整流電路供電。

假設(shè)整流器輸入三相電壓為：

（1）

式中E為輸入相電壓的有效值。

根據(jù)圖2，隔離變壓器原邊繞組電壓可以表示為：

（2）

設(shè)變壓器變比 ，則變壓器副邊繞組輸出的三組單相電壓為：

（3）

2 整流器輸入電流與負(fù)載電壓分析

為便于分析，做以下假設(shè)：

1）忽略隔離變壓器漏感和繞組電阻；

2）忽略平衡電抗器的電感和繞組電阻；

3）單相整流橋所接二極管為理想器件；

4）系統(tǒng)工作在大電感負(fù)載狀態(tài)。

2.1 整流器輸入電流分析

在大電感負(fù)載條件下，負(fù)載電流近似為恒定值，假設(shè)負(fù)載電流為Id，則單相整流橋直流側(cè)輸出電流為

（4）

為方便分析，引入開(kāi)關(guān)函數(shù)的概念，假設(shè)三組單相整流橋的開(kāi)關(guān)函數(shù)分別為S1、S2和S3，則S1、S2和S3滿(mǎn)足：

（5）

（6）

根據(jù)單相全橋整流原理，可得單相整流橋交、直流側(cè)的電流關(guān)系為：

（7）

假設(shè)變壓器原邊繞組匝數(shù)為N1，副邊繞組匝數(shù)為N2。圖2中，由安匝平衡原理可得：

（8）

式中，i1、i2、i3為原邊繞組的每相電流，如圖1所示。

隔離變壓器原邊繞組電流可表示為：

（9）

由基爾霍夫定律，可得大電流整流器輸入電流為：

（10）

式中ia、ib、ic為整流器輸入線(xiàn)電流，如圖1所示。

圖3所示為交流源a相輸入電流ia及其頻譜圖。

由圖3可知，輸入電流近似為六階梯波，THD值為31.12%。

2.2 負(fù)載電壓分析

由前面對(duì)隔離變壓器參數(shù)的分析，可以得到三組單相整流橋的輸入電壓如式（3）所示。根據(jù)整流電路的原理，可以得到三組單相整流橋的輸出電壓為：

（11）

由圖1，可得負(fù)載電壓為

（12）

負(fù)載電壓的平均值為

（13）

根據(jù)式（12）可以得到負(fù)載電壓如圖4所示。由圖4可知，負(fù)載電壓在一個(gè)周期內(nèi)存在6個(gè)波頭，這表明本文所設(shè)計(jì)的大電流整流器可以實(shí)現(xiàn)6脈波整流。

圖4 負(fù)載電壓

Fig.4 Load voltage

3 平衡電抗器的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

為保證三組整流橋能夠獨(dú)立并聯(lián)工作，本文使用平衡電抗器吸收三組整流橋輸出電壓的瞬時(shí)差。圖5所示為平衡電抗器的繞組結(jié)構(gòu)。圖5中，平衡電抗器由三個(gè)芯柱組成，三個(gè)繞組分別繞在三個(gè)芯柱上，三個(gè)繞組的輸入端分別連接三組單相整流橋的輸出陽(yáng)極端，用來(lái)消除三組單相整流橋輸出電壓的瞬時(shí)差，確保三組單相整流橋能夠獨(dú)立并聯(lián)工作。

圖5 平衡電抗器繞組結(jié)構(gòu)圖

Fig.5 Winding configuration of the inter-phase reactor

為使平衡電抗器能夠完全吸收三組整流橋輸出電壓的瞬時(shí)差，需要使平衡電抗器的電感值大于某一臨界值[11-13]。下面以芯柱（1）上的繞組為例，計(jì)算平衡電抗器的臨界電感值。由圖1和圖5可得芯柱（1）繞組的端電壓滿(mǎn)足：

（14）

假設(shè)平衡電抗器繞組的臨界電感值為L(zhǎng)p，則有

（15）

當(dāng)平衡電抗器繞組的電感值大于Lp時(shí)，平衡電抗器能夠完全吸收三組整流橋輸出電壓的瞬時(shí)差。

為節(jié)省篇幅，本文僅分析一個(gè)周期內(nèi)平衡電抗器繞組的電壓和電流關(guān)系。當(dāng)ωt∈[0， π/3]時(shí)，由式（14）和式（15），可得平衡電抗器的繞組電流為

（16）

式中K1是積分常數(shù)。

當(dāng)ωt∈[π/3， 2π/3]時(shí)，由式（14）和式（15），可得平衡電抗器的繞組電流為

（17）

式中K2是積分常數(shù)。

當(dāng)ωt∈[2π/3， π]時(shí)，由式（14）和式（15），可得平衡電抗器的繞組電流為

（18）

式中K3是積分常數(shù)。

由電流的連續(xù)性，可得ip11、ip12、ip13滿(mǎn)足：

（19）

綜合式（16）、式（17）、式（18）和式（19）可得：

（20）

由式（20）計(jì)算解得：

（21）

因?yàn)橐粋€(gè)周期內(nèi)勵(lì)磁電流ip1平均值為0，所以

（22）

解得

（23）

聯(lián)立式（21）和式（23）可以得到：

（24）

所以，平衡電抗器的繞組電流可以表示為：

（25）

根據(jù)式（25），可得平衡電抗器的電流峰值大小為

（26）

由于負(fù)載電流為Id，根據(jù)式（26），可得直流側(cè)電流有效值為

（27）

根據(jù)式（27），解得

（28）

當(dāng)平衡電抗器繞組的電感值大于式（28）時(shí)，平衡電抗器才能完全吸收三組整流橋輸出電壓的瞬時(shí)差。

4 磁性器件容量分析

圖1所示的大電流整流器中包含隔離變壓器和平衡電抗器兩種磁性器件，下面分析這兩種磁性器件的容量。

4.1 隔離變壓器的容量

由式（2）和式（3）可得，原邊繞組端電壓有效值為 ，副邊繞組端電壓有效值為 。

在大電感負(fù)載條件下，變壓器副邊繞組電流滿(mǎn)足式（7）。由式（4）、式（5）、式（6）和式（7）可知，副邊繞組電流有效值為

（29）

原邊繞組電流滿(mǎn)足式（9），則原邊繞組電流有效值為

（30）

由式（13）可得

（31）

因此，隔離變壓器的容量為

（32）

將式（31）代入式（32）并整理，可得

（33）

定義負(fù)載功率為

（34）

由式（33）和式（34）可得，隔離變壓器的容量為負(fù)載功率的1.11倍。

在大電感負(fù)載下，雙反星形變壓器的容量約為負(fù)載功率的127%。因此，與雙反星形變壓器相比，本文所提出的六繞組隔離變壓器的容量較小，這會(huì)使大電流整流器具有較高的功率密度。

4.2 平衡電抗器的容量

由式（15）可得，平衡電抗器兩端電壓的有效值為

（35）

流過(guò)平衡電抗器繞組的電流等于整流橋的輸出電流，即

（36）

所以，平衡電抗器的容量為

（37）

由式（37）可得，平衡電抗器容量約為負(fù)載輸出功率的18.51%。

5 仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證上述理論分析的正確性，本文設(shè)計(jì)了一套采用六繞組隔離變壓器的大電流整流器，并進(jìn)行了相應(yīng)的仿真與實(shí)驗(yàn)。仿真和實(shí)驗(yàn)條件如下：1）輸入相電壓為150V；2）負(fù)載為阻性負(fù)載，負(fù)載電阻為5Ω；3）變壓器變比等于0.583，即K=0.583。

圖6所示為大電流整流器輸入電流，為節(jié)省篇幅，僅給出a相的輸入電流及其頻譜；圖6（a）為仿真結(jié)果，由于變壓器漏感和平衡電抗器電感的濾波作用，輸入電流的THD值要比理論值小；圖6（b）為實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其有效值分別為4.73A、4.71A、4.65A。由圖6可知，在一個(gè)周期內(nèi)，輸入電流含有6個(gè)階梯波，這與理論分析一致。

圖7所示為負(fù)載電壓和負(fù)載電流。阻性負(fù)載下，負(fù)載電壓和負(fù)載電流在一個(gè)周期內(nèi)均含有6個(gè)等寬波頭。因此，從輸出側(cè)看，所設(shè)計(jì)的整流器實(shí)現(xiàn)了6脈波整流。實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，負(fù)載電壓和負(fù)載電流平均值分別為74.7V和14.4A，經(jīng)計(jì)算負(fù)載功率為1.076kW。

圖8所示為變壓器原邊繞組電流和電壓。其中，圖8（a）為單個(gè)原邊繞組電流的仿真結(jié)果；圖8（b）為原邊繞組電流和電壓的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其有效值分別為2.08A、2.06A、2.06A。

圖9所示為變壓器副邊繞組端電壓與電流。為節(jié)省篇幅，圖中僅給出了繞組a1a2的端電壓和電流。實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，繞組電壓有效值為87.6V，電流有效值為5.73A。

假設(shè)隔離變壓器結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)，由圖8和圖9可得隔離變壓器的容量為1.195kW，為負(fù)載輸出功率的1.11倍，與理論分析值相符。

圖10所示為平衡電抗器端電流和端電壓，實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，其端電流有效值為3.96A，端電壓有效值為40.1V。

圖11所示為整流橋輸出電壓和電流，整流橋輸出電壓在一個(gè)周期內(nèi)含有2個(gè)波頭，輸出電流平均值為4.78A。

Fig.11 Output current and voltage of diode bridge rectifier

假設(shè)系統(tǒng)對(duì)稱(chēng)，則三組單相全橋整流電路輸出電流相等。由圖10和圖11可得平衡電抗器的容量為218W。因此，平衡電抗器的容量為輸出功率的20.26%，在誤差允許范圍內(nèi)，與理論分析值相符。

5.2 與雙反星形整流器的對(duì)比

綜合理論分析、仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可得本文所設(shè)計(jì)的整流器與雙反星形整流器相比，具有如下特點(diǎn)：

1）輸入側(cè)和負(fù)載側(cè)的電能質(zhì)量與雙反星形整流器相同；

2）電流輸出能力是雙反星形性整流器的1.5倍；

3）所用隔離變壓器的容是負(fù)載功率的111%，要小于雙反星形隔離變壓器；

4）由于本文所設(shè)計(jì)的整流器使用的整流器件為雙反星形整流器所使用整流器件的2倍，且每周期導(dǎo)通的電角度為180o，因此導(dǎo)通損耗要大于雙反星形整流器，約為雙反星形整流器的2.45倍。

6 結(jié)論

本文提出了一種使用六繞組隔離變壓器的大電流整流器，該整流器主要包括隔離變壓器、三組單相全橋和平衡電抗器。六繞組隔離變壓器的原邊繞組采用三角形聯(lián)結(jié)方式，副邊繞組相互獨(dú)立，輸出三組相位依次相差120°的單相電壓；三組單相整流橋通過(guò)平衡電抗器的三個(gè)繞組實(shí)現(xiàn)并聯(lián)聯(lián)結(jié)，使負(fù)載輸出電壓為6脈波。理論分析、仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，變壓器容量約為負(fù)載功率的111%。與并聯(lián)型多脈波整流器以及雙反星形整流器相比，本文所設(shè)計(jì)的大電流整流器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且具有更強(qiáng)的電流輸出能力。該電路目前還存在諧波抑制性能不佳的問(wèn)題，在后續(xù)的研究中，會(huì)通過(guò)加入輔助電路的方式，來(lái)抑制輸入電流諧波，降低電路總諧波畸變率，提高電能質(zhì)量。

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