多脈波整流電路缺相檢測問題研究

張 斐，王 斌，黃君濤，余俊宏

（中國電子科技集團公司第29研究所，四川 成都610031）

0 引 言

為減小諧波電流引起的污染和損耗等問題，滿足GJB181A－2003等標準對用電設備的網側電流諧波不大于10%的要求，研究人員開發(fā)了無源濾波、有源濾波和低諧波整流電路等多種諧波電流抑制技術［1－3］。

對于機載電子設備，特殊的航空應用場合對系統(tǒng)的可靠性、過載能力和體積重量會提出苛刻的要求。多脈波整流電路可有效地降低用電設備的輸入電流諧波，解決開關電源類負載與交流發(fā)電機的匹配問題，具有結構簡單、可靠性高、效率高、過載能力強等顯著的優(yōu)點，且用于航空中頻供電場合時變壓器的體積重量會明顯降低。因此在民用與軍用機載電源系統(tǒng)上得到了廣泛應用［4－7］。

當多脈波整流電路應用于機載場合時，為保證用電系統(tǒng)的可靠性，GJB181A－2003等標準要求用電設備在供電缺相時不工作并上報故障，因此需設計多脈波整流電路的缺相檢測電路。受體積重量的限制，多脈波整流電路采用自耦變壓器實現(xiàn)，自耦變壓器的特性導致傳統(tǒng)缺相檢測電路無法直接應用，需進行適應性改進。本文分析了多脈波整流電路在缺相時的工作特性，提出了一種簡單的、可應用于多脈波整流電流缺相檢測方法針，對自耦變壓器提出了設計約束條件，最后進行了仿真與實驗驗證。

1 多脈波整流器電路

多脈波整流電路就是利用不同的匝比變換和繞組聯(lián)結（如三角形聯(lián)結和星形等）來構造得到相位不同的電壓矢量，使得網側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。根據階梯波抵消原理，當相位不同的電壓矢量數增加時，合成電流波形的階梯數越多，網側電流波形越趨于正弦化，輸入電流的總諧波畸變率（Total Harmonic Distortion，THD）也越小，如表1所示。

表1 多脈波整流器電流諧波分析結果

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，使得一部分輸出功率無需通過磁場耦合來傳輸，則可有效減小變壓器的等效容量、材料消耗和成本，有利于減小變壓器的體積、重量。而一部分功率可直接傳輸使得自耦變壓器比隔離變壓器效率更高，有利于提高系統(tǒng)的效率。因此，目前多脈波整流電路大多采用18脈波自耦變壓器實現(xiàn)。圖1給出了P型18脈波自耦變壓器整流電路圖，其中與電網輸入電壓同向的主三相電壓（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)后向負載供電。其中，P型18脈波自耦變壓器的每個鐵心柱有五個繞組，按如圖2方法繞制。

令NP為變壓器繞組總匝數，當自耦變壓器的各個繞組滿足式（1）時，由自耦變壓器產生的另外兩組輔三相電壓分別超前和滯后于輸入三相電壓37°、幅值為輸入相電壓幅值的0.767倍，實現(xiàn)18脈波整流。

圖1 18脈波自耦變壓器整流電路圖

圖2 P型18脈波自耦變壓器繞制圖

2 缺相工作特性

由圖2可知，與隔離變壓器相比，自耦變壓器的每個繞組之間既有磁耦合又有電耦合。令電網輸入相電壓矢量長度為Us，其中相電壓（UA，UB，UC）與線電壓（UAB，UBC，UCA）可分別表示為：

由圖2可知，對于每個鐵心磁柱，根據變壓器原副邊感應電動勢相同原理可得：

將式（1）代入上式可知：

當自耦變壓器缺 A相時，UA＝Us／2∠270°，此時：

當自耦變壓器缺B相時，UB＝Us／2∠150°，此時：

當自耦變壓器缺C相時，VC＝Us／2∠30°，此時：

由式（2）～（4）可知，當自耦變壓器缺相時，由于變壓器各個繞組間存在電耦合，使自耦變壓器的缺相端仍然存在感應電壓。該感應電壓幅值為額定電壓的一半、相位反向。且該感應電壓導致供電線上線電壓的幅值與相位也發(fā)生變化，如圖3所示。

圖3 缺相時相電壓與線電壓矢量關系圖

3 缺相檢測方法

機載交流用電設備采用三相三線制供電。當三相輸入存在缺相時，根據GJB181A－2003標準要求，用電設備應具備缺相檢測功能并采取相應的保護措施。傳統(tǒng)缺相檢測技術是針對所缺的相呈現(xiàn)懸空特性，利用缺相端與另兩相之間無法形成回路的原理來構造檢測電路［8］。該電路復雜成本高，且應用到多脈波整流電路時，由于自耦變壓器在缺相端產生感應電壓，使相電壓與線電壓均無法呈現(xiàn)有無狀態(tài)，導致該電路無法識別出缺相狀態(tài)。

由式（2）～（4）可知多脈波整流電路缺相時，自耦變壓器雖然在缺相端會產生感應電壓，但該電壓的幅值降低了一半。當相電壓與線電壓降低后，會導致整流橋的輸出電壓降低，因此可以采用檢測整流橋輸出電壓的方法來檢測多脈波整流電壓是否處于缺相狀態(tài)。當整流橋輸出電壓低于額定輸出電壓時，可判斷為供電缺相?；魻杺鞲衅鳈z測電壓值電路均很成熟可靠，具體電路設計不再贅述。

4 自耦變壓器設計約束條件

自耦變壓器利用輔助繞組的接線關系與匝比關系形成輔助三相電壓，通過整流橋與輸入電壓疊加后形成多脈波整流。接線關系錯誤或匝比關系偏差較大均會引起輔助電壓的幅值與相位發(fā)生變化，進而引起波形疊加錯位或移相，引起電流諧波抑制效果變差。

因為，變壓器各個繞組之間通過磁芯存在磁路耦合關系。通常自耦變壓器采用E型磁芯對接而成，磁芯內部磁路僅存在磁路路徑區(qū)別，兩邊磁路略長于中間磁路，但由于磁芯的磁導率很大，該磁路長度區(qū)別對變壓器輔助電壓幅值與相位的影響可忽略。但對于E型磁芯的對接接觸面，由于空氣的磁導率遠低于磁芯，使得在接觸面產生較大的漏磁通。當該接觸面不平整時將導致三相磁芯產生的漏磁通不一致，進而引起輔助電壓的幅值與相位發(fā)生變化，引起電流諧波抑制效果變差。

因此，以P型18脈波自耦變壓器為例，在設計加工自耦變壓器時需滿足以下三個約束條件：

（1）自耦變壓器各個繞組的接線關系需滿足圖2的要求；

（2）自耦變壓器各個繞組的匝比關系需滿足式（1）的要求；

（3）自耦變壓器的磁芯接觸面需平整，以保證各個橋臂的漏磁通一致。

5 仿真與實驗結果

基于Saber仿真電路與工程實驗電路，對P型18脈波自耦變壓器整流電路工作于缺相時進行了測試，分別測試了供電不缺相與缺相時的線電壓UAB、UBC與采用光耦缺相檢測電路的輸出，如圖4～圖7所示。

圖4 供電不缺相

圖5 供電缺A相

圖6 供電缺B相

圖7 供電缺C相

根據圖4～圖7可知，當多脈波整流電路供電缺相時，由于自耦變壓器存在電磁耦合關系，導致缺相端仍然存在感應電壓，合成的線電壓關系滿足式（2）～（4）。若采用光耦缺相檢測電路進行缺相檢測時，判斷條件不能以有無進行判斷，需采用幅值進行判斷。雖然本文實驗測試的光耦缺相檢測電路通過在光耦輸入端串聯(lián)瞬態(tài)抑制二極管預設了擊穿電壓值，可以識別出缺相狀態(tài)，當檢測電路輸出恒為高電平時判斷為缺相狀態(tài)。但是當變壓器端面不平整時，由于漏磁通不一致導致自耦變壓器的感應電壓幅值與相位發(fā)生了變化，極端情況下導致缺相檢測電路無法識別出缺相狀態(tài)，如圖7（c）所示。

不論變壓器端面是否平整，當供電缺相時線電壓降低，進而整流后的輸出電壓也降低。因此，采用直接檢測整流橋輸出電壓值的方法可以更有效地檢測出是否缺相狀態(tài)，當整流輸出電壓低于額定值時，即可判斷為供電缺相。

6 結 論

本文對自耦變壓器構成的多脈波整流電路在缺相狀態(tài)下進行了分析，提出了一種簡單的缺相檢測方法，并明確了自耦變壓器的設計約束條件，最后進行了仿真與實驗驗證。結果表明，自耦變壓器的特性將導致傳統(tǒng)采用有無判斷策略的缺相檢測電路無法正常工作，需采用電壓值檢測判斷策略。此外，自耦變壓器的磁芯接觸面產生的漏磁通對缺相工作特性影響較大，需在加工過程中進行參數控制。