24脈波移相整流變壓器技術(shù)研究綜述*

孫玉偉 潘天雄 嚴(yán)新平 袁成清 湯旭晶 潘鵬程

(武漢理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院1) 武漢 430063) (武漢理工大學(xué)國家水運(yùn)安全工程技術(shù)研究中心可靠性工程研究所2) 武漢 430063) (武漢理工大學(xué)交通部船舶動力工程技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室3) 武漢 430063)

0 引 言

整流變換作為最常用的電能變換之一，已廣泛應(yīng)用于直流電機(jī)、電鍍、新能源、航天等各個領(lǐng)域，而整流器件的強(qiáng)非線性給電網(wǎng)帶來了大量的諧波污染[1-2],為此許多國家都相繼制定了限制電力系統(tǒng)諧波的標(biāo)準(zhǔn)，如IEC555-2,IEEE519等[3].大功率整流工程實(shí)踐中主要采用LC濾波、功率因數(shù)校正、PWM整流和多脈波整流等諧波控制方法，其中：尤以具有諧波抑制率高、低噪聲、低電磁干擾(EMI)和射頻干擾(RFI)、實(shí)現(xiàn)簡單、可靠性高等特點(diǎn)的多脈波整流技術(shù)應(yīng)用最為廣泛.隨著多脈波整流技術(shù)的發(fā)展，整流系統(tǒng)脈波數(shù)增多，電網(wǎng)總諧波畸變率(total harmonic distortion，THD)得以有效控制，但脈波數(shù)過多會使系統(tǒng)過于復(fù)雜，制造精度和對稱性難以得到保證[4].24脈波整流系統(tǒng)在兼顧了設(shè)備復(fù)雜度和成本等因素的同時，具有良好的系統(tǒng)諧波抑制能力，而成為多脈波整流技術(shù)發(fā)展的主流[5].

本文首先闡述了24脈波整流技術(shù)的原理及分類，從移相變壓器的結(jié)構(gòu)形式出發(fā)，分別介紹了基于隔離型、自耦型、直線式和圓形移相變壓器24脈波整流系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和變換原理，并對其結(jié)構(gòu)和性能做了對比分析，最后對該領(lǐng)域進(jìn)行了總結(jié)和展望.

1 24脈波整流技術(shù)原理及分類

24脈波整流器通常由移相變壓器和多個整流橋構(gòu)成，在一個三相電源系統(tǒng)中，輸出直流電壓在一個交流周期內(nèi)有24個波頭[6-7].其原理是通過移相變壓器，實(shí)現(xiàn)交流線電壓移相，多相輸出到若干個三相整流橋，通過各整流橋的諧波疊加抵消，抑制輸入電流中23次以下的諧波，從而減小交流輸入系統(tǒng)中的諧波含量和直流輸出電壓中的波紋[8].

24脈波整流器的類型很多，根據(jù)不同的特性可以作如下歸類：根據(jù)內(nèi)置移相變壓器有無電隔離可以分為隔離型和非隔離型，根據(jù)整流器中電力電子器件是否可控可以分為可控型和不控型[9].移相變壓器是其中的關(guān)鍵設(shè)備，原邊繞組與副邊繞組的聯(lián)結(jié)方式有很多種，包括△/Y、延邊三角形、曲折形、多邊形等[10].其移相原理都是通過繞組的不同聯(lián)結(jié)方式，改變原副邊繞組電壓的相位，圖1和表1分別介紹了幾種繞組的聯(lián)結(jié)方式和相應(yīng)的原副邊匝數(shù)計算公式.限于篇幅，本文主要以延邊三角形接法為例介紹相應(yīng)的整流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).

圖1 移相變壓器的原副邊繞組聯(lián)結(jié)方式

表1 移向變壓器原副邊匝數(shù)比關(guān)系及相角度[10]

△/YN2=n·3·N1±30°3·sin α·N3=sin(30°-α)·N2N2+2·N3=2·n·cos α·N130°-30°<α<30°sin α·N2=sin(60°-α)·N3(n·N1)2+N22-N32=2·n·N1·N2·cos α60°-60°<α<60°sin α=k·sin(120°-α)·(n·N1)2+N22-(k·N2)2=2·cos α·n·N1·N2-60°<α<60°

注：n-變壓器的變壓比;α-移相角;N1-原邊匝數(shù);N2、N3-副邊匝數(shù);“k”-多邊形繞組上抽頭兩端繞組的匝數(shù)比.2 基于隔離變壓器的24脈波整流技術(shù)概況

2.1 24脈波隔離式不控型整流器

24脈波不控型整流器目前已廣泛應(yīng)用于國內(nèi)城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)，這種整流裝置可靠性更高，更加經(jīng)濟(jì)，缺點(diǎn)是電能只能單向流動且整流器體積龐大，圖2為幾種典型的不控型24脈波整流系統(tǒng).圖2a)整流機(jī)組主要由兩臺12脈波軸向雙分裂式牽引整流變壓器和四組全波整流橋組成，變壓器原邊采用延邊三角形，副邊繞組分別采用△，Y接法，輸出4組線電壓相位差15°，通過整流橋整流后實(shí)現(xiàn)了24脈波整流[11-13].該系統(tǒng)采用的軸向雙分裂式結(jié)構(gòu)的變壓器，增大了其抗干擾能力，原邊采用延邊三角形移相，一次側(cè)3次諧波電流不注入電網(wǎng)，二次側(cè)形成多脈波輸出，使直流波形更加平緩，諧波含量更低.圖2b)4組整流橋?yàn)榇?lián)聯(lián)結(jié)，該電路的副邊相比圖2a)的對稱性更好，它們共同的缺點(diǎn)是變壓器體積龐大且效率低[14].圖2c)，變壓器采用Y/Y/△聯(lián)結(jié)，兩個副邊繞組的交流線電壓相位相差30°，引入變抽頭均衡電抗器后，產(chǎn)生不流經(jīng)負(fù)載的附加環(huán)流以11、13次諧波為主要成分，與網(wǎng)側(cè)11，13次諧波相位相反，從而相互抵消形成24脈波整流[15-17].該系統(tǒng)在設(shè)計變壓器時，要求副邊兩繞組對稱性好，必須注意鐵芯結(jié)構(gòu)及副邊三角形繞組和星形繞組的匝數(shù)設(shè)計，變抽頭均衡電抗器起電壓均衡、電流平波等作用，合理的均衡電抗器設(shè)計能提高并聯(lián)雙橋的利用率，維持電流連續(xù)及減小直流脈動.圖2d)經(jīng)過整流橋和2抽頭變換器形成24脈波整流，該整流變壓器副邊都采用延邊三角形聯(lián)結(jié)，從而對稱性更好，更有利于諧波的抑制.

圖2 隔離式不控型24脈波整流系統(tǒng)

2.2 24脈波隔離式可控型整流器

24脈波隔離式可控型整流器主要應(yīng)用于大功率場所，如高壓直流輸電 (high-voltage direct current，HVDC)、大型直流電機(jī)驅(qū)動、可再生能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)等.圖3a)移相變壓器原邊繞組為△，Y接法，副邊繞組采用4組延邊三角形接法，分別移相-22.5°，-7.5°，+7.5°，+22.5°[19].圖3b)2抽頭變換器采用晶閘管取代了二極管，通過晶閘管的閉環(huán)控制，使2個整流橋輸出的電流平均值相等，從而避免了抽頭變換器飽和，減小了抽頭變換器的電感值[20].

圖3 隔離式可控型24脈波整流系統(tǒng)

3 基于自耦變壓器的24脈波整流技術(shù)概況

隔離型的多脈波整流器實(shí)現(xiàn)了輸入輸出的隔離，結(jié)構(gòu)比較簡單，但是其輸入的能量完全通過磁耦合到輸出端，導(dǎo)致變壓器等效容量大，造成整流器的體積龐大.在不要求電氣隔離的情況下采用自耦變壓器，通過變壓器磁耦合的能量僅占輸出功率能量的一小部分，從而減小變壓器容量，減小整流器的體積與成本.

圖4a)為一種采用自耦變壓器的24脈波整流系統(tǒng)[21]，其特點(diǎn)是采用的單臺自耦變壓器，輸入端電流經(jīng)過變壓器移相后，形成四組三相電路線電壓依次相差15°，四組整流橋電路分別通過平衡電抗器并聯(lián)聯(lián)結(jié)，輸出24脈波直流.此電路中采用的自耦變壓器的等效容量僅為輸出功率的17.3%，整流器體積大大減小，在大功率整流場合下優(yōu)勢尤為顯著.圖4b)為三角形連接自耦變壓器24脈波整流系統(tǒng)[22]，與圖4a)不同的是，它由兩臺12脈波自耦變壓整流器并聯(lián)構(gòu)成，通過相間變壓器分別移相±7.5°，分別接入兩臺延邊三角形變壓器，輸出4組相位依次相差15°，幅值相等的整流橋輸入電壓.此方案的自耦變壓器等效容量為輸出功率的17.04%，且其變壓器結(jié)構(gòu)對稱，易于諧波抑制.

圖4 自耦變壓器24脈波整流系統(tǒng)

4 基于直線式移相變壓器的24脈波整流系統(tǒng)

孫盼等[23-24]設(shè)計了一種基于直線式移相變壓器的多脈波整流器，提出了一種基于直線感應(yīng)電機(jī)原理的直線式移相變壓器拓?fù)?圖5為3相/12相直線式移相變壓器結(jié)構(gòu)圖.圖中陰影部分構(gòu)成了一次側(cè)A相繞組，一次側(cè)與二次側(cè)鐵心長度、寬度尺寸相同，分別采用短距繞組和整距繞組，各開有12個槽和12套繞組，其極對數(shù)為1.一次側(cè)12個繞組采取60°相帶分相，將對稱的三相交流電通入一次側(cè)三相繞組，在變壓器氣隙間將生成一個平移的正弦磁場，二次側(cè)的 12 套繞組感應(yīng)出相位依次相差30°的電動勢，將產(chǎn)生的12相輸出分成4組三相電源，并聯(lián)后接入至整流橋向負(fù)載供電，輸出的電壓含有24個脈波，與傳統(tǒng)的隔離式柱形24脈波整流系統(tǒng)相比，其諧波畸變率THD更低.

圖5 直線式移相變壓器結(jié)構(gòu)[25]

5 基于圓形移相變壓器的24脈波整流系統(tǒng)

王鐵軍等[25]設(shè)計了應(yīng)用于24脈波整流系統(tǒng)的圓形移相變壓器，采用圓柱式鐵芯結(jié)構(gòu)，利用旋轉(zhuǎn)磁場實(shí)現(xiàn)多組移相.圖6為圓形移相變壓器結(jié)構(gòu)示意圖，其機(jī)構(gòu)與感應(yīng)電機(jī)相似，變壓器原邊固定，放置一組星形連接的3相對稱繞組，副邊(即定子)放置4組星形連接的3相繞組，副邊a1至a4相位依次相差15°，槽口位子見圖6，各繞組的b，c相對應(yīng)于a相上相移120°和240°.根據(jù)旋轉(zhuǎn)磁場原理，通電后原邊繞組在鐵芯內(nèi)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，副邊繞組將依次產(chǎn)生四組15°移相的三相感應(yīng)電動勢，將四組三相輸出分別接入橋式整流電路，4組整流橋串聯(lián)疊加后得到24脈波直流輸出.

圖6 3相/12相圓形變壓器結(jié)構(gòu)[26]

6 整流變壓器的對比分析

傳統(tǒng)的柱形移相變壓器為了保持輸出三相的對稱性并實(shí)現(xiàn)正確的移相，需要特殊設(shè)計繞組的匝數(shù)比、聯(lián)結(jié)方式和串聯(lián)次序等.變壓器的結(jié)構(gòu)隨著脈波數(shù)的增多更復(fù)雜，體積更龐大，且不同的聯(lián)結(jié)方式只能實(shí)現(xiàn)一種角度的移相.

基于直線電機(jī)結(jié)構(gòu)的直線式移相變壓器，其繞組布設(shè)更為方便，除了可以用于整流外，還可以用于逆變電路，通過模塊的疊加能應(yīng)用于大功率整流場合.該變壓器內(nèi)部的鐵芯存在縱向和橫向兩個邊端，產(chǎn)生邊端效應(yīng)，會影響其效率和諧波分量[27].通過減小氣隙寬度和增加邊齒寬度削弱邊端效應(yīng)，使直線式移相變壓器工作在最佳狀態(tài)，其效率和電壓調(diào)整率與柱形變壓器相比稍低，但抑制諧波效果更好.

圓形移相變壓器因其采用圓形電機(jī)式鐵芯結(jié)構(gòu)，原副邊繞組均勻分布于鐵芯內(nèi)部，磁路更加緊湊和對稱，移相更為準(zhǔn)確.該變壓器同側(cè)匝數(shù)相同，原副邊匝數(shù)比計算更為簡單，電壓調(diào)整率較大，適合于可控整流.在效率、功率因數(shù)等方面，其性能較柱形變壓器略低，在電磁設(shè)計方面仍有進(jìn)一步改善的空間.

7 結(jié) 論

1) 移相變壓器是24脈波整流系統(tǒng)的必需器件，采用自耦變壓器大大減小了整流器的體積，提高了整流器的整體性能，但其非隔離因素和相對復(fù)雜的繞組結(jié)構(gòu)使其成為大范圍應(yīng)用的一個瓶頸.

2) 隨著多脈波整流技術(shù)的發(fā)展，通過改進(jìn)移相變壓器的電磁結(jié)構(gòu)，基于直線式移相變壓器和圓形移相變壓器等新型的整流裝置，減少了設(shè)備元件數(shù)量，降低了設(shè)計和制造成本.

3) 在24脈波整流電路理論設(shè)計的基礎(chǔ)上，將其與直流側(cè)有源諧波抑制方法相結(jié)合，可得到更好的波形.