多脉波整流电路缺相检测问题研究

张 斐，王 斌，黄君涛，余俊宏

（中国电子科技集团公司第29研究所，四川 成都610031）

0 引 言

为减小谐波电流引起的污染和损耗等问题，满足GJB181A－2003等标准对用电设备的网侧电流谐波不大于10%的要求，研究人员开发了无源滤波、有源滤波和低谐波整流电路等多种谐波电流抑制技术［1－3］。

对于机载电子设备，特殊的航空应用场合对系统的可靠性、过载能力和体积重量会提出苛刻的要求。多脉波整流电路可有效地降低用电设备的输入电流谐波，解决开关电源类负载与交流发电机的匹配问题，具有结构简单、可靠性高、效率高、过载能力强等显著的优点，且用于航空中频供电场合时变压器的体积重量会明显降低。因此在民用与军用机载电源系统上得到了广泛应用［4－7］。

当多脉波整流电路应用于机载场合时，为保证用电系统的可靠性，GJB181A－2003等标准要求用电设备在供电缺相时不工作并上报故障，因此需设计多脉波整流电路的缺相检测电路。受体积重量的限制，多脉波整流电路采用自耦变压器实现，自耦变压器的特性导致传统缺相检测电路无法直接应用，需进行适应性改进。本文分析了多脉波整流电路在缺相时的工作特性，提出了一种简单的、可应用于多脉波整流电流缺相检测方法针，对自耦变压器提出了设计约束条件，最后进行了仿真与实验验证。

1 多脉波整流器电路

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。根据阶梯波抵消原理，当相位不同的电压矢量数增加时，合成电流波形的阶梯数越多，网侧电流波形越趋于正弦化，输入电流的总谐波畸变率（Total Harmonic Distortion，THD）也越小，如表1所示。

表1 多脉波整流器电流谐波分析结果

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，使得一部分输出功率无需通过磁场耦合来传输，则可有效减小变压器的等效容量、材料消耗和成本，有利于减小变压器的体积、重量。而一部分功率可直接传输使得自耦变压器比隔离变压器效率更高，有利于提高系统的效率。因此，目前多脉波整流电路大多采用18脉波自耦变压器实现。图1给出了P型18脉波自耦变压器整流电路图，其中与电网输入电压同向的主三相电压（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。其中，P型18脉波自耦变压器的每个铁心柱有五个绕组，按如图2方法绕制。

令NP为变压器绕组总匝数，当自耦变压器的各个绕组满足式（1）时，由自耦变压器产生的另外两组辅三相电压分别超前和滞后于输入三相电压37°、幅值为输入相电压幅值的0.767倍，实现18脉波整流。

图1 18脉波自耦变压器整流电路图

图2 P型18脉波自耦变压器绕制图

2 缺相工作特性

由图2可知，与隔离变压器相比，自耦变压器的每个绕组之间既有磁耦合又有电耦合。令电网输入相电压矢量长度为Us，其中相电压（UA，UB，UC）与线电压（UAB，UBC，UCA）可分别表示为：

由图2可知，对于每个铁心磁柱，根据变压器原副边感应电动势相同原理可得：

将式（1）代入上式可知：

当自耦变压器缺 A相时，UA＝Us／2∠270°，此时：

当自耦变压器缺B相时，UB＝Us／2∠150°，此时：

当自耦变压器缺C相时，VC＝Us／2∠30°，此时：

由式（2）～（4）可知，当自耦变压器缺相时，由于变压器各个绕组间存在电耦合，使自耦变压器的缺相端仍然存在感应电压。该感应电压幅值为额定电压的一半、相位反向。且该感应电压导致供电线上线电压的幅值与相位也发生变化，如图3所示。

图3 缺相时相电压与线电压矢量关系图

3 缺相检测方法

机载交流用电设备采用三相三线制供电。当三相输入存在缺相时，根据GJB181A－2003标准要求，用电设备应具备缺相检测功能并采取相应的保护措施。传统缺相检测技术是针对所缺的相呈现悬空特性，利用缺相端与另两相之间无法形成回路的原理来构造检测电路［8］。该电路复杂成本高，且应用到多脉波整流电路时，由于自耦变压器在缺相端产生感应电压，使相电压与线电压均无法呈现有无状态，导致该电路无法识别出缺相状态。

由式（2）～（4）可知多脉波整流电路缺相时，自耦变压器虽然在缺相端会产生感应电压，但该电压的幅值降低了一半。当相电压与线电压降低后，会导致整流桥的输出电压降低，因此可以采用检测整流桥输出电压的方法来检测多脉波整流电压是否处于缺相状态。当整流桥输出电压低于额定输出电压时，可判断为供电缺相。霍尔传感器检测电压值电路均很成熟可靠，具体电路设计不再赘述。

4 自耦变压器设计约束条件

自耦变压器利用辅助绕组的接线关系与匝比关系形成辅助三相电压，通过整流桥与输入电压叠加后形成多脉波整流。接线关系错误或匝比关系偏差较大均会引起辅助电压的幅值与相位发生变化，进而引起波形叠加错位或移相，引起电流谐波抑制效果变差。

因为，变压器各个绕组之间通过磁芯存在磁路耦合关系。通常自耦变压器采用E型磁芯对接而成，磁芯内部磁路仅存在磁路路径区别，两边磁路略长于中间磁路，但由于磁芯的磁导率很大，该磁路长度区别对变压器辅助电压幅值与相位的影响可忽略。但对于E型磁芯的对接接触面，由于空气的磁导率远低于磁芯，使得在接触面产生较大的漏磁通。当该接触面不平整时将导致三相磁芯产生的漏磁通不一致，进而引起辅助电压的幅值与相位发生变化，引起电流谐波抑制效果变差。

因此，以P型18脉波自耦变压器为例，在设计加工自耦变压器时需满足以下三个约束条件：

（1）自耦变压器各个绕组的接线关系需满足图2的要求；

（2）自耦变压器各个绕组的匝比关系需满足式（1）的要求；

（3）自耦变压器的磁芯接触面需平整，以保证各个桥臂的漏磁通一致。

5 仿真与实验结果

基于Saber仿真电路与工程实验电路，对P型18脉波自耦变压器整流电路工作于缺相时进行了测试，分别测试了供电不缺相与缺相时的线电压UAB、UBC与采用光耦缺相检测电路的输出，如图4～图7所示。

图4 供电不缺相

图5 供电缺A相

图6 供电缺B相

图7 供电缺C相

根据图4～图7可知，当多脉波整流电路供电缺相时，由于自耦变压器存在电磁耦合关系，导致缺相端仍然存在感应电压，合成的线电压关系满足式（2）～（4）。若采用光耦缺相检测电路进行缺相检测时，判断条件不能以有无进行判断，需采用幅值进行判断。虽然本文实验测试的光耦缺相检测电路通过在光耦输入端串联瞬态抑制二极管预设了击穿电压值，可以识别出缺相状态，当检测电路输出恒为高电平时判断为缺相状态。但是当变压器端面不平整时，由于漏磁通不一致导致自耦变压器的感应电压幅值与相位发生了变化，极端情况下导致缺相检测电路无法识别出缺相状态，如图7（c）所示。

不论变压器端面是否平整，当供电缺相时线电压降低，进而整流后的输出电压也降低。因此，采用直接检测整流桥输出电压值的方法可以更有效地检测出是否缺相状态，当整流输出电压低于额定值时，即可判断为供电缺相。

6 结 论

本文对自耦变压器构成的多脉波整流电路在缺相状态下进行了分析，提出了一种简单的缺相检测方法，并明确了自耦变压器的设计约束条件，最后进行了仿真与实验验证。结果表明，自耦变压器的特性将导致传统采用有无判断策略的缺相检测电路无法正常工作，需采用电压值检测判断策略。此外，自耦变压器的磁芯接触面产生的漏磁通对缺相工作特性影响较大，需在加工过程中进行参数控制。