一种带隔离变压器的串联型18脉波整流器

张华强 李泉慧 孟凡刚 高蕾 杨世彦

摘 要：为解决多脉波整流器中电流不平衡的问题，并提高负载电压，提出一种带隔离变压器的串联型18脉波整流器。根据整流器形成18脉波的原理，确定了移相变压器的相量图以及移相变压器的绕组结构和匝比关系;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态;定义了三组三相整流桥的开关函数，利用开关函数分析了整流器输入电压，得到了输入电压和负载电压的定量关系。仿真和实验结果表明，该整流器可以实现18脉波整流，且负载电压和电流近似恒定。

关键词：串联型18脉波整流器;隔离变压器;恒压负载;电流源型变换器

DOI：10.15938/j.emc.2019.12.000

中图分类号：TM 461.3文献标志码：A文章编号：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

多脉波整流器是大功率电力电子装置与交流电网的常用接口，具有输入电流谐波含量低、负载电压纹波小等优点[1-3]。该整流器通过移相多重联结多个全桥整流电路对同一负载供电，使每周期直流侧输出电压脉波数多于六个[4]。通过整流电路的移相多重联结，可使一组整流桥产生的谐波被其他整流桥消除，达到抑制电流谐波、提高功率因数的目的[5-6];通过输出多组存在相位差的三相电压，使一组整流桥的输出波峰和其他组整流桥输出的波谷对应，多组整流桥的输出相互叠加，降低负载电压纹波系数[7]。在实现移相多重联结的过程中，移相变压器是多脉波整流器中的必需器件，其作用主要是产生几组存在一定相位差的三相电压。常见的移相变压器分为两种，一种是自耦变压器，另一种是隔离变压器[8]。文献[9]提出一种基于自耦变压器的18脉波整流器，原、副边没有电气隔离，存在安全隐患，且绕组之间连接复杂，设计困难，存在变压器输出电压不平衡等问题。文献[10]提出一种基于隔离变压器的18脉波整流器，变压器由3个芯柱构成，每个芯柱上有8个绕组，变压器结构复杂，体积大。

多脉波整流器整流侧采用二极管整流，与PWM整流相比，实现简单，不需要复杂的控制[11]，成本低，可靠性高，系统损耗低[12]，避免了由于开关器件开通关断产生的谐波，通过多个二极管整流桥并联或串联，负载侧可输出大电流或高电压，广泛应用于大功率场合[13]。多脉波整流器的输入电压或电流阶梯数等于输出电压或电流的脉波数[14]，输入電压或电流的阶梯数越多，输入侧电能质量越高[15]。提高多脉波整流器的电能质量的关键在于提高整流器的输出脉波数[16]，提高整流器的输出脉波数主要分为3个方向，第一种是设计移相变压器，增加移相变压器的输出相数，第二种是设计直流侧谐波抑制电路，第三种是设计交流侧谐波抑制电路[5]。

多脉波整流技术主要分为并联型多脉波整流技术和串联型多脉波整流技术。并联型多脉波整流技术负载电流大，但是三相整流桥输出电流不平衡;与并联型多脉波整流器相比，串联型多脉波整流器的三相整流桥串联连接，解决了并联型多脉波整流器各整流桥输出电流不平衡的问题，输出电压更高，适用于高电压场合。为了增加多脉波整流器的输出脉波数，提高输入侧电能质量，本文提出一种串联型18脉波整流器。为了解决自耦变压器带来的安全问题、输出电压不平衡等问题，设计了18脉波隔离变压器，与文献[10]相比，每个芯柱上的绕组数量减少两个，降低了变压器的体积;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态;定义了3组三相整流桥的开关函数，利用开关函数法得到整流器输入电压和负载电压的定量关系，对扩展18脉波整流器的应用场合具有重要意义。

根據图2和式（2）、式（3）可知，移相变压器输出电压U·a1和U·a3为输出电压U·a2的三相电压矢量合成。本文所提出的移相变压器由3个芯柱组成，每个芯柱上有1个原边绕组和5个副边绕组，图3为其绕组结构图。其中，N为输入绕组匝数，N11、N12为与整流桥A相连的2组输出绕组匝数，N22为与整流桥B相连的输出绕组匝数，N31、N32为与整流桥C相连的2组输出绕组匝数。

根据图2和图3，为使整流器的输出电压为18脉波，以变压器输出电压U·a2为基准，U·a1和U·a3分别滞后和超前U·a220°，且U·a1、U·a2、U·a3有效值相等，根据式（2）、式（3）、图4可计算出移相变压器的匝比关系，计算结果用小数表示，N：N11：N12：N21：N31：N32=3：0.742：0.395：1：0.742：0.395。

2 整流器工作模态分析

带恒压负载的串联型18脉波整流器如图4所示。为便于分析，做以下假设：1）忽略隔离变压器漏感和绕组电阻;2）忽略输入电感的电阻;3）输出电容为大电容，且3个电容容量相等，负载电压无纹波，负载近似等效为恒压负载。

为分析整流器的工作模态，根据图4可将整流器等效为电流源型变换器，用3个电流源等效代替3组3相整流桥，3个等效电流源串联连接，为使其流过的电流大小相同，每个等效电流源两端并联一个二极管，等效模型如图5所示。

根据变压器的联结结构和匝比关系，可以得到3组等效电流源为平均值相等、瞬时值存在20°的6脉波，等效电流源波形如图6所示。

由图6可知，在一个电源周期内每个二极管导通140°，任意时刻有7个二极管同时导通，每个电源周期内整流器有18种工作模态，如表1所示。

4 仿真与实验

为验证上述理论分析的正确性，设计了18脉波隔离变压器，并进行了相应的仿真与实验。仿真和实验条件如下：1）输入相电压为220 V;2）负载为阻性负载，负载电阻为60 Ω，输出电容为3 300 μF;3）隔离变压器容量为2 kVA，由于实验条件有限，变压器实际设计为5倍降压变压器，匝比为N∶ N11∶ N12∶ N21∶ N31∶ N32=53∶ 0.742∶ 0.395∶ 1∶ 0.742∶ 0.395。

图9所示为整流器输入电压。其中，图9（a）为输入相电压的仿真结果;图9（b）为实验结果，图中3个阶梯波从上到下分别为a、b、c相输入电压，其波形为18阶梯波，所设计的整流器实现了18脉波整流，THD理论值为11.5%，由于变压器漏感的存在，THD的实验值为6.44%。

图10所示为电感Ls两端电压uLs波形，由图6可知，uLs=usa-uAn1，仿真和实验结果与理论分析相符。

图11所示为负载电压和电流。由图11可知，由于电容的稳压作用，负载电压和电流几乎恒定。

图12所示为整流桥输入电流ia1，图13所示为二极管D11正向压降。由图12和图13可知，整流桥每个二极管在一个电源周期内导通140°。

图14所示为电压uFP和电压uST的仿真和实验结果，由图14可知，电压uFP为+8.44 V，-4.22 V的6倍频方波，电压uST为+4.22 V，-8.44 V的6倍频方波。

5 结 论

根据整流器形成18脉波的过程，设计了18脉波变压器，根据变压器的绕组结构和匝比关系，得到整流器的等效模型以及等效模型的输出电流波形，对整流器的工作模态进行分析，得到整流器输入电压各阶梯与负载电压的定量关系。仿真和实验结果表明，整流桥中每个二极管在一个电源周期内导通140°，整流器输入电压为18阶梯波，其THD值为6.44%左右，相比于串联型12脉波整流器，其THD降低3%左右，负载电压提高约1/3，带载能力更强。

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（編辑：张 楠）