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一种不对称型18脉冲自耦变压整流器的分析

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  • 更新日期:2012-05-09 15:01
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详细介绍
本文对一种不对称型18脉冲自耦变压整流器进行了详细的理论分析。与传统的12脉冲变压整流器相比,不对称型18脉冲自耦变压整流器具有更好的输入特性,自耦变压器的使用大大减小了整流器的体积与成本。实验结果验证了理论分析的正确性。

摘要:  本文对一种不对称型18脉冲自耦变压整流器进行了详细的理论分析。与传统的12脉冲变压整流器相比,不对称型18脉冲自耦变压整流器具有更好的输入特性,自耦变压器的使用大大减小了整流器的体积与成本。实验结果验证了理论分析的正确性。

关键字:  谐波,多脉冲整流,自耦变压器,18脉冲整流

l 引言
近年来,由于电力电子装置的应用日益广泛,使得谐波问题引起人们越来越多的关注。大容量整流器减少谐波的主要方法是采用多脉冲整流,通过增加整流的脉冲数来减少输入电流中的谐波含量。传统的12脉冲整流器由Y—Y/Δ联结的隔离变压器和两路三相整流桥构成,这种整流器结构简单,但是变压器的容量为输出功率的1.03倍,所以这种整流器的体积庞大。在不要求电气隔离的情况下,通常采用自耦变压器代替隔离变压器。文献[1]介绍的12脉冲自耦变压整流器中的变压器容量仅为输出功率的0.1834倍,大大减小了整流器的体积与成本。
本文分析了两种18脉冲自耦变压整流器的工作原理,并采用不对称型18脉冲自耦变压整流器结构,设计了一台三相115V,400Hz交流输入,270V直流输出,6kW的自耦式变压整流器。输入电流THD为6.9%,整机效率98%。
2 对称型18脉冲自耦变压整流器
多脉冲整流器由移相变压器和多路三相整流桥构成。18脉冲自耦变压整流器由自耦变压器和三路三相整流桥组成。根据每个整流桥传输的功率是否相等,18脉冲自耦变压整流器可分为对称型和不对称型两种。
2.1 带平衡电抗器的对称型18脉冲自耦变压整流器
图1所示为带平衡电抗器的对称型18脉冲自耦变压整流器系统结构图。自耦变压器产生三组三相电压,其中一组三相电压(Va, Vb, Vc)与输入电压同相位,其它两组三相电压(Va', Vb', Vc')(Va", Vb", Vc")分别超前与滞后于输入电压20°。相电压幅值与输入相电压幅值相等。三组电压分别与三路整流桥相连,整流桥输出通过平衡电抗器并联输出到负载。平衡电抗器保证整流桥之间的独立工作。这种带平衡电抗器的对称型18脉冲自耦变压整流器相当于三组6脉冲整流器同时工作,只是相位相差20°。每个整流桥传输功率相等(为1/3的输出功率),所以称之为对称型18脉冲自耦变压整流器。
2.2 不带平衡电抗器的对称型18脉冲自耦变压整流器
不带平衡电抗器的对称型18脉冲自耦变压整流器系统结构图如图2所示,整流桥输出直接并联到负载。自耦变压器也产生三组三相电压,只是相位依次相差40°,相电压幅值与输入相电压幅值相等。整流器相当于一个9相整流器,整流桥之间是相互作用的,每一时刻有两个整流桥流过负载电流。每个整流桥同样传输1/3的输出功率。
3 不对称型18脉冲自耦变压整流器
3.1 工作原理
18脉冲自耦变压整流器的三组三相电压中,其中一组与输入电压相位相同,其它两组分别超前与滞后于输入电压一定的相位。为了使输出功率更多地从输入电源直接传输到负载,而不是通过移相过的自耦变压器。文献[2]介绍了一种不对称型18脉冲自耦变压整流器,其电路图如图3所示。
自耦变压器副边绕组产生另外两组三相电压(Va', Vb', Vc')(VVa", Vb", Vc"),分别超前与滞后于输入电压37°,相电压幅值为输入相电压幅值的0.767倍。变压器电压矢量图如图4所示,线电压幅值相等,相位依次相差20°。当主线电压最大时(如Vab),主桥中对应的二极管导通,负载功率直接通过主桥从输入电源端传输到负载,只有主桥中流过负载电流。当复合线电压(如Vab")最大时,主桥和辅桥中对应的二极管导通,两个桥中均流过负载电流。主桥在整个过程中连续工作,每个二极管导通80°,传输2/3的输出功率。剩余的输出功率通过两个辅桥传输,辅桥中的每个二极管只导通20°。[#page#]
3.2 自耦变压器的设计
图5所示为不对称型18脉冲自耦变压整流器的变压器绕组图,如图5所示可以由主相电压(Va, Vb, Vc)和线电压(Vab, Vbc, Vca等)产生另外两组三相电压。
设:Va'=Va+k1Vca+k2Vcb;Va"=Va+klVba+k2Vbc
通过各个相、线电压的幅值和相位可得:kl=0.259,k2=0.135。
则:Va'=Va+0.259Vca+0.135Vcb;
        Va=Va"+0.259Vba+0.135Vbc
同理:Vb'=Vb+0.259Vab+0.135Vac;
     Vb"=Vb+0.259Vcb+0.135Vca;
     Vc'=Vc+0.259Vbc+0.135Vba;
     Vc'=Vc+0.259Vac+0.135Vab
所以满足以上各式,可产生两组相电压分别超前与滞后于输入电压37°,相电压幅值为输入相电压幅值的0.767倍。
综上所述,如图5所示,变压器每个铁芯柱有三个绕组,原边绕组三角形联结,两个副边绕组匝数为原边绕组匝数的0.135倍。在距原边绕组两端0.259倍原边匝数的地方引出两个抽头,用于连接其他两个铁芯柱上的副边绕组。变压器如上绕制,可以产生满足不对称18脉冲自耦变压整流的三组三相电压。
3 实验结果
在以上理论分析的基础上,设计了一台6kVA的不对称型18脉冲自耦变压整流器。自耦变压器原边绕组167匝,两个副边绕组均为23匝。输入三相115VAC,400Hz,输入滤波电感50μH,输出270VDC。如图6(a)所示主桥二极管导通80°,图6(b)所示辅桥二极管只导通20°,图6(c)所示为变压器输入电流波形,THD为6.9%。整机效率98%。
4 结语
介绍了两种18脉冲自耦变压整流器,分析了一种不对称型18脉冲自耦变压整流器的工作原理及自耦变压器的设计。实验结果表明,这种整流器结构简单,体积小,可靠性高,具有良好的输入特性。

参考文献
[1] S.Choi,P.Enjeti,and I.Pitel,Polyphase Transformer Arrangements With Reduced kVA Capacities for Harmonic Current Reduction in Rectifier-Type Utility Interface,in IEEE Trans.on Pow.Elec,11(5):680-690,Sep.1996.
[2] G.Kamath,D. Benson,and R.Wood,A Novel Autotrans-former Based 18-pulse Rectifier Circuit,in Proceed.IEEE APEC02,vol.2,795—801,Mar.2000.
[3] D.Paice.Power Electronic Converter Harmonics-Multipulse Methods for Clean Power.IEEE Press,Piscataway,NJ,1996.
作者简介
任志新,南京航空航天大学电机与电器专业,硕士研究生。
马义林,男,硕士研究生。
张方华,男,副教授,博士。

 
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