18脉波自耦型无源功率因数校正技术

陈根余，卓 沛，张 斐

（中国电子科技集团公司第29研究所，四川 成都 610036）

谐波电流抑制方法可分为滤波和新的低谐波整流两类发展方向，而滤波可以分为无源和有源滤波。无源滤波方法采用L、C和其他无源元件组成滤波电路，简单可靠，可消除特定谐波的影响［1］。有源滤波需要从补偿对象中检测谐波电流，补偿无功及谐波电流，该方法需要DSP或者FPGA等高速逻辑器件，来实现谐波电流的检测与快速计算。本文对几种多脉波整流器方案进行了比较，在综合考虑谐波电流、体积重量和工艺要求下选用P型18脉波自耦变压整流方案。详细分析了电路的工作原理，推导了电路的输出电压和输入电流的特性，给出了P型自耦变压器的设计依据。最后完成了9 kW18脉波自耦型无源功率因数校正模块设计。

1 多脉波整流器原理简介及方案选取

1.1 多脉波整流器原理简介

多脉波整流电路就是利用不同的匝比变换和绕组联结（如三角形联结和星形等）来构造得到相位不同的电压矢量，使得网侧电流由不同相位的电流矢量叠加而成，包含不同电压矢量的信息，最终使得传统三相桥式整流电路的方波电流变为叠加而成的阶梯波电流。

1.2 18脉波变压整流方案选取

通过移相变压器构造电压矢量是最简单有效的方法。当不要求电气隔离时，可用自耦变压器代替传统的隔离变压器。由于自耦变压器不仅有磁路上的耦合而且还有电路上的连接，有利于减小变压器的体积、重量，且提高系统的效率。因此，目前多采用18脉波自耦变压整流器。

18脉波自耦变压器有多种绕组实现方式，如图1所示。变压器在相同条件下，输入电流的THD相同，在结构绕组上P型简单、便于加工设计。因此，本文以P型18脉波自耦变压器进行设计。

图1 18脉波自耦变压器

2 P型18脉波自耦变压整流器

2.1 电路拓扑

图2给出了P型18脉冲自耦变压器整流电路图，其中与电网输入电压同相的主三相电压（UA、UB、UC）直接供电给主整流桥，另外两组辅助电压（UA1、UB1、UC1）和（UA2、UB2、UC2）分别供电给两组辅助整流桥，三个整流桥的输出电压并联后向负载供电。

图2 18脉波自耦变压器整流电路图

2.2 变压器设计

根据18脉波自耦变压器绕组图（图3），每个铁心柱有五个绕组，每个铁芯柱对应为一个原边绕组，在其基础上自耦产生四个副边绕组，从原边绕组引出两个抽头用于连接相应的整流桥，由自耦变压器产生另外两组辅三相电压，以A相为例，产生的辅助相电压UA1和UA2。

图3 18脉波自耦变压器绕组图

令原边绕组总匝数为Np，其中短绕组匝数为Np1、长绕组匝数为Np2，副边绕组总匝数为2Ns，其中每个副边绕组的匝数为Ns。令电网输入相电压矢量长度为Us，其中主三相电压（UA，UB，UC）可表示为：

同理可以求得其余辅相电压的大小，它们可以分别表示为：

则由三组三相电压矢量合成可以产生三组线电压：

（1）主线电压（UAB，UBC，UCA）由主三相电压直接得到：

（2）辅助线电压（UAB1，UBC1，UCA1）、（UAB2，UBC2，UCA2）由主三相电压和辅三相电压矢量合成得到：

在三角形PBB1中，∠B1BP＝120°－（180°－20°）／2＝40°，∠BPB1＝120°，∠BB1P＝20°，应用正弦定理可得：

因此可得短绕组和长绕组的电压矢量长度为：

则根据绕组电压，可求得各绕组匝比为（其中NP＝2NP1＋NP2）：

综上所述，18脉冲自耦变压器各铁芯柱有五个绕组，从原边绕组引出两个抽头用于连接相应的整流桥，四个副边绕组匝数为原边绕组匝数的0.159，0.159，0.299，0.402，0.299倍。

2.3 输入电流分析

将变压器匝比与各节点的电流关系代入磁势平衡等式可得A相电流的表达式为：

根据18脉波自耦变压器的工作原理，假设负载电流为恒定的Id，则可得（ia、ib、ic）、（ia1、ib1、ic1）与（ia2、ib2、ic2）的工作波形。

2.4 输出电压与变压器容量分析

在一个交流周期内，自耦变压器输出电压为18脉波，所以整流器输出电压为：

则输出直流电压平均值Ud为：

结合变压器匝比关系可得变压器原边绕组电压有效值为：

变压器副边绕组电压有效值为：

则可计算得到P型18脉波自耦变压器的容量Pdtr为：

即P型18脉波自耦变压器的等效容量仅为输出功率的0.274倍。

3 9 kW18脉波自耦变压整流模块

3.1 参数计算

输入电压为三相115 V交流输入，Us＝115 V，可得直流输出电压平均值为：

对于Po＝9 kW的负载功率，由于P型18脉波自耦变压器的等效容量仅为输出功率的0.274倍，则可得P型18脉波自耦变压器的总容量为Pttr＝0.274Po＝2 466 W，Id＝Po／Ud＝32.1 A，则所有匝数为Ns和NP1的绕组有效值电流均为0.262Id＝8.4 A，所有匝数为NP2的绕组有效值电流均为0.145Id＝4.6 A。

选取整流二极管时，应考虑到电压应力，取输入线电压的最大值，即：

二极管的电压定额为：

流过二极管的最大电流为负载电流Id，则主二极管有效电流为：

主二极管的电流定额应为：

辅助二极管有效电流为：

辅助二极管的电流定额应为：

3.2 仿真分析

利 用 Mtalab／Simulink／SimPowerSystems 库 可以搭建P型18脉波自耦变压器整流电路，通过仿真选用三相115 V／400 Hz交流输入滤波器参数为：L＝300μH、C＝2μF，选用直流输出滤波器参数为：L＝1 mH、C＝17μF。

稳态仿真结果如图4所示，由图可知P型18脉波自耦变压器整流电路的交流输入电流在一个线频周期内呈现出18个脉波，滤波后的输入电流总谐波畸变率THD＝2.86%，主整流桥输出功率为负载功率的2／3，两个辅助整流桥的输出功率均为负载功率的1／6，仿真结果与上节的理论分析结果相一致。

图4 18脉波自耦变压整流电路稳态仿真波形

3.3 实验样机

根据理论分析与仿真结果，完成了9 kW18脉波自耦变压整流模块设计，由断路器、接触器、EMI滤波器、18脉波自耦变压器、三相整流桥、输出滤波电路、浪涌抑制及控制检测电路和储能电容组成。

图5 模块实验测试波形

模块的输出电压、三相输入电流与三相输入电压测试波形如图5所示，可见输出电压稳定在280 V左右，输入电流波形为由18个台阶构成的正弦波。满载时测得模块的功率因数为0.998、输入电流的总谐波畸变率为6.9%、转换效率为0.968，输入电压的畸变系数为0.0321，满足 GJB181A－2003对用电设备的指标要求。

4 结 论

本文对P型18脉波自耦变压整流器进行了详细的原理分析，分析了输入电流特性，并针对机载用电设备完成了9 kW18脉波自耦变压整流模块设计和硬件实验。结果表明，满载时该模块的功率因数为0.998、输入电流的总谐波畸变率为6.9%、转换效率为0.968，满足GJB181A－2003对用电设备的指标要求。

［1］ 张 浩，许龙虎.有源功率因数校正技术及控制方式分析［J］.上海电力学院学报，2009，25（3）：201－207.

［2］ 唐 欣，罗 安.基于重复控制的有源滤波器的三态滞环控制方法［J］.电工技术学报，2009，24（9）：134－139.