一種帶隔離變壓器的串聯(lián)型18脈波整流器

張華強(qiáng) 李泉慧 孟凡剛 高蕾 楊世彥

摘 要：為解決多脈波整流器中電流不平衡的問題，并提高負(fù)載電壓，提出一種帶隔離變壓器的串聯(lián)型18脈波整流器。根據(jù)整流器形成18脈波的原理，確定了移相變壓器的相量圖以及移相變壓器的繞組結(jié)構(gòu)和匝比關(guān)系;建立了整流器的等效模型，并由等效模型得到了整流器的工作模態(tài);定義了三組三相整流橋的開關(guān)函數(shù)，利用開關(guān)函數(shù)分析了整流器輸入電壓，得到了輸入電壓和負(fù)載電壓的定量關(guān)系。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該整流器可以實(shí)現(xiàn)18脈波整流，且負(fù)載電壓和電流近似恒定。

關(guān)鍵詞：串聯(lián)型18脈波整流器;隔離變壓器;恒壓負(fù)載;電流源型變換器

DOI：10.15938/j.emc.2019.12.000

中圖分類號(hào)：TM 461.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1007-449X（2019）12-0000-00

Abstract：In order to solve the problem of current unbalance of parallelconnected multipulse rectifier and increase load voltage， a seriesconnected 18pulse rectifier is proposed. in order to obtain the operating characteristics of 18pulse rectifier based on isolation transformer with constantvoltage load， an 18pulse isolation transformer is designed according to the process of the forming of 18pulse wave. This paper gives a definition of the switching function of threephase bridge rectifiers， through the description of the structure of the rectifier， the equivalent model of the rectifier is established， by analyzing the switching function of threephase bridge rectifiers the working method of the rectifier is obtained. The simulation and experimental results show that the device is an 18pulse rectifier， the load voltage and load current reach a permanent state.

Keywords：18pulse rectifier; isolation autotransformer; constantvoltage load; current source converter

0 引 言

多脈波整流器是大功率電力電子裝置與交流電網(wǎng)的常用接口，具有輸入電流諧波含量低、負(fù)載電壓紋波小等優(yōu)點(diǎn)[1-3]。該整流器通過移相多重聯(lián)結(jié)多個(gè)全橋整流電路對(duì)同一負(fù)載供電，使每周期直流側(cè)輸出電壓脈波數(shù)多于六個(gè)[4]。通過整流電路的移相多重聯(lián)結(jié)，可使一組整流橋產(chǎn)生的諧波被其他整流橋消除，達(dá)到抑制電流諧波、提高功率因數(shù)的目的[5-6];通過輸出多組存在相位差的三相電壓，使一組整流橋的輸出波峰和其他組整流橋輸出的波谷對(duì)應(yīng)，多組整流橋的輸出相互疊加，降低負(fù)載電壓紋波系數(shù)[7]。在實(shí)現(xiàn)移相多重聯(lián)結(jié)的過程中，移相變壓器是多脈波整流器中的必需器件，其作用主要是產(chǎn)生幾組存在一定相位差的三相電壓。常見的移相變壓器分為兩種，一種是自耦變壓器，另一種是隔離變壓器[8]。文獻(xiàn)[9]提出一種基于自耦變壓器的18脈波整流器，原、副邊沒有電氣隔離，存在安全隱患，且繞組之間連接復(fù)雜，設(shè)計(jì)困難，存在變壓器輸出電壓不平衡等問題。文獻(xiàn)[10]提出一種基于隔離變壓器的18脈波整流器，變壓器由3個(gè)芯柱構(gòu)成，每個(gè)芯柱上有8個(gè)繞組，變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積大。

多脈波整流器整流側(cè)采用二極管整流，與PWM整流相比，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，不需要復(fù)雜的控制[11]，成本低，可靠性高，系統(tǒng)損耗低[12]，避免了由于開關(guān)器件開通關(guān)斷產(chǎn)生的諧波，通過多個(gè)二極管整流橋并聯(lián)或串聯(lián)，負(fù)載側(cè)可輸出大電流或高電壓，廣泛應(yīng)用于大功率場(chǎng)合[13]。多脈波整流器的輸入電壓或電流階梯數(shù)等于輸出電壓或電流的脈波數(shù)[14]，輸入電壓或電流的階梯數(shù)越多，輸入側(cè)電能質(zhì)量越高[15]。提高多脈波整流器的電能質(zhì)量的關(guān)鍵在于提高整流器的輸出脈波數(shù)[16]，提高整流器的輸出脈波數(shù)主要分為3個(gè)方向，第一種是設(shè)計(jì)移相變壓器，增加移相變壓器的輸出相數(shù)，第二種是設(shè)計(jì)直流側(cè)諧波抑制電路，第三種是設(shè)計(jì)交流側(cè)諧波抑制電路[5]。

多脈波整流技術(shù)主要分為并聯(lián)型多脈波整流技術(shù)和串聯(lián)型多脈波整流技術(shù)。并聯(lián)型多脈波整流技術(shù)負(fù)載電流大，但是三相整流橋輸出電流不平衡;與并聯(lián)型多脈波整流器相比，串聯(lián)型多脈波整流器的三相整流橋串聯(lián)連接，解決了并聯(lián)型多脈波整流器各整流橋輸出電流不平衡的問題，輸出電壓更高，適用于高電壓場(chǎng)合。為了增加多脈波整流器的輸出脈波數(shù)，提高輸入側(cè)電能質(zhì)量，本文提出一種串聯(lián)型18脈波整流器。為了解決自耦變壓器帶來的安全問題、輸出電壓不平衡等問題，設(shè)計(jì)了18脈波隔離變壓器，與文獻(xiàn)[10]相比，每個(gè)芯柱上的繞組數(shù)量減少兩個(gè)，降低了變壓器的體積;建立了整流器的等效模型，由等效模型得到整流器的工作模態(tài);定義了3組三相整流橋的開關(guān)函數(shù)，利用開關(guān)函數(shù)法得到整流器輸入電壓和負(fù)載電壓的定量關(guān)系，對(duì)擴(kuò)展18脈波整流器的應(yīng)用場(chǎng)合具有重要意義。

根據(jù)圖2和式（2）、式（3）可知，移相變壓器輸出電壓U·a1和U·a3為輸出電壓U·a2的三相電壓矢量合成。本文所提出的移相變壓器由3個(gè)芯柱組成，每個(gè)芯柱上有1個(gè)原邊繞組和5個(gè)副邊繞組，圖3為其繞組結(jié)構(gòu)圖。其中，N為輸入繞組匝數(shù)，N11、N12為與整流橋A相連的2組輸出繞組匝數(shù)，N22為與整流橋B相連的輸出繞組匝數(shù)，N31、N32為與整流橋C相連的2組輸出繞組匝數(shù)。

根據(jù)圖2和圖3，為使整流器的輸出電壓為18脈波，以變壓器輸出電壓U·a2為基準(zhǔn)，U·a1和U·a3分別滯后和超前U·a220°，且U·a1、U·a2、U·a3有效值相等，根據(jù)式（2）、式（3）、圖4可計(jì)算出移相變壓器的匝比關(guān)系，計(jì)算結(jié)果用小數(shù)表示，N：N11：N12：N21：N31：N32=3：0.742：0.395：1：0.742：0.395。

2 整流器工作模態(tài)分析

帶恒壓負(fù)載的串聯(lián)型18脈波整流器如圖4所示。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）忽略輸入電感的電阻;3）輸出電容為大電容，且3個(gè)電容容量相等，負(fù)載電壓無紋波，負(fù)載近似等效為恒壓負(fù)載。

為分析整流器的工作模態(tài)，根據(jù)圖4可將整流器等效為電流源型變換器，用3個(gè)電流源等效代替3組3相整流橋，3個(gè)等效電流源串聯(lián)連接，為使其流過的電流大小相同，每個(gè)等效電流源兩端并聯(lián)一個(gè)二極管，等效模型如圖5所示。

根據(jù)變壓器的聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)和匝比關(guān)系，可以得到3組等效電流源為平均值相等、瞬時(shí)值存在20°的6脈波，等效電流源波形如圖6所示。

由圖6可知，在一個(gè)電源周期內(nèi)每個(gè)二極管導(dǎo)通140°，任意時(shí)刻有7個(gè)二極管同時(shí)導(dǎo)通，每個(gè)電源周期內(nèi)整流器有18種工作模態(tài)，如表1所示。

4 仿真與實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證上述理論分析的正確性，設(shè)計(jì)了18脈波隔離變壓器，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220 V;2）負(fù)載為阻性負(fù)載，負(fù)載電阻為60 Ω，輸出電容為3 300 μF;3）隔離變壓器容量為2 kVA，由于實(shí)驗(yàn)條件有限，變壓器實(shí)際設(shè)計(jì)為5倍降壓變壓器，匝比為N∶ N11∶ N12∶ N21∶ N31∶ N32=53∶ 0.742∶ 0.395∶ 1∶ 0.742∶ 0.395。

圖9所示為整流器輸入電壓。其中，圖9（a）為輸入相電壓的仿真結(jié)果;圖9（b）為實(shí)驗(yàn)結(jié)果，圖中3個(gè)階梯波從上到下分別為a、b、c相輸入電壓，其波形為18階梯波，所設(shè)計(jì)的整流器實(shí)現(xiàn)了18脈波整流，THD理論值為11.5%，由于變壓器漏感的存在，THD的實(shí)驗(yàn)值為6.44%。

圖10所示為電感Ls兩端電壓uLs波形，由圖6可知，uLs=usa-uAn1，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析相符。

圖11所示為負(fù)載電壓和電流。由圖11可知，由于電容的穩(wěn)壓作用，負(fù)載電壓和電流幾乎恒定。

圖12所示為整流橋輸入電流ia1，圖13所示為二極管D11正向壓降。由圖12和圖13可知，整流橋每個(gè)二極管在一個(gè)電源周期內(nèi)導(dǎo)通140°。

圖14所示為電壓uFP和電壓uST的仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，由圖14可知，電壓uFP為+8.44 V，-4.22 V的6倍頻方波，電壓uST為+4.22 V，-8.44 V的6倍頻方波。

5 結(jié) 論

根據(jù)整流器形成18脈波的過程，設(shè)計(jì)了18脈波變壓器，根據(jù)變壓器的繞組結(jié)構(gòu)和匝比關(guān)系，得到整流器的等效模型以及等效模型的輸出電流波形，對(duì)整流器的工作模態(tài)進(jìn)行分析，得到整流器輸入電壓各階梯與負(fù)載電壓的定量關(guān)系。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，整流橋中每個(gè)二極管在一個(gè)電源周期內(nèi)導(dǎo)通140°，整流器輸入電壓為18階梯波，其THD值為6.44%左右，相比于串聯(lián)型12脈波整流器，其THD降低3%左右，負(fù)載電壓提高約1/3，帶載能力更強(qiáng)。

參 考 文 獻(xiàn)：

[1] P PEJOVIC， J W KOLAR.An analysis of threephase rectifiers with constant voltage loads[C]//Belgrade： The 5th European Conference on Circuits and Systems for Communications， 2010： 119-126.

[2] 孟凡剛， 楊世彥， 楊威. 多脈波整流技術(shù)綜述[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備， 2012， 32（2）： 9.

MENG Fangang， YANG Shiyan， YANG Wei. Summary of Multipulse rectifier[J]. Electric Power Automation Equipment， 2012， 32（2）： 9.

[3] NGUYEN T H，LEE D.A seriesconnected topology of a diode rectifier and a voltagesource converter for an HVDC transmission system [J]. IEEE Transactions on Power Electronics， 2014， 29（4）： 1579.

[4] ZHANG Y，QU C，GAO J.Performance improvement of direct power control of PWM rectifier under unbalanced network [J]. IEEE Transactions on Power Electronics， 2017， 32（3）： 2319.

[5] SINGH B，GAIROLA S，SINGH B N，et al. Multipulse ACDC converters for improving power quality： a review [J]. IEEE Transactions on Power Electronics， 2008， 23（1）： 260.

[6] 倪靖猛， 方宇， 邢巖， 孫農(nóng). 基于優(yōu)化負(fù)載電流前饋控制的400Hz三相PWM航空整流器[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)， 2011， 26（2）： 141.

NI Jingmeng， FANG Yu， XING Yan，et al. Threephase 400 Hz PWM rectifier based on optimized feedforward control for aeronautical application [J]. Transactions of China Electrotechnical Society， 2011， 26（2）：141.

[7] RAHOUI A，BECHOUCHE A，SEDDIKI H，et al. Grid voltages estimation for threephase PWM rectifiers control without AC voltage sensors [J]. IEEE Transactions on Power Electronics， 2018， 33（1）： 859.

[8] MOSTAFA S HAMAD，MAHMOUD I MASOUD，BARRY W WILLIAMS.Mediumvoltage 12pulse converter： output voltage harmonic compensation using a series APF[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2014， 61（1）：43.

[9] 陳杰， 申朋朋， 陳新， 龔春英. 新型可變升壓比18脈波自耦變壓整流器研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)， 2018， 33（15）： 3607.

CHEN Jie， SHEN Pengpeng， CHEN Xin，et al. Research on a novel variable stepup ratio 18pulse autotransformer rectifier unit [J]. Transactions of China Electrotechnical Society， 2018， 33（15）： 3607.

[10] YONG Chungming， WU Shengfeng， YEH Weishan，et al. A DCSide current injection method for improving AC line condition applied in the 18pulse converter system[J].IEEE Transactions on Power Electronics， 2014， 29（1）： 99.

[11] R Kalpana， G Bhuvaneswari， Bhim Singh. Autoconnectedtransformerbased 20pulse ACDC converter for telecommunication power supply[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2013， 60（10）： 4178.

[12] XIA J，GUO Y，DAI B，et al.Sensor fault diagnosis and system reconfiguration approach for an electric traction PWM rectifier based on sliding mode observer[J]. IEEE Transactions onIndustry Applications， 2017， 53（5）： 4768.

[13] 張鵬真， 陳乾宏， 毛浪. 一種18脈沖隔離型變壓整流器[J]. 南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)， 2014， 46（1）： 129.

ZHANG Pengzhen， CHEN Qianhong， MAO Lang. A type 18pulse isolation transformer [J]. Journal of Nanjing University of Aeronautics & Astronautics， 2014， 46（1）： 129.

[14] MENG Fangang， YANG Shiyan， YANG Wei. Modeling for a multitap interphase reactor in a multipulse diode bridge rectifier. IEEE Transactions on Power Electronics， 2009， 24（9）： 2171.

[15] Sanzhong Bai， Srdjan M. Lukic. New method to achieve AC harmonic elimination and energy storage integration for 12pulse diode rectifiers[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2013， 60（7）： 2547.

[16] MENG Fangang，YANG Wei，YANG Shiyan. Active harmonic suppression of paralleled 12pulse rectifier at DC side [J]. Science China： Technological Sciences， 2011， 54（12）：3320.

（編輯：張 楠）