两种12脉波整流变压器分析与仿真

葛笑寒

（三门峡职业技术学院，河南 三门峡 472000）

近年来电力电子技术的发展，使得大功率整流设备普遍应用。兼具变换电压和隔离作用的整流变压器的应用逐渐增多。但是，随之带了谐波污染，导致电网波形畸变。减小谐波的办法主要有有缘电力滤波器、感应滤波技术和多重化整流技术三种[1]。在大功率整流领域，一般都采用多脉波的整流变压器降低谐波，12脉波整流变压器是经典的整流变压器[2]。但是，随着电源容量的增大，电压的提升及调压的需求，另外一种12脉波整流变压器也迅速应用。这种新的12脉波整流变压器的主要特点是，内部整流变压器和调压器绕组共油箱，即高压绕组采用自耦多级调压，低压绕组采用双分裂的独立铁芯的4套绕组，一次采用延边三角形实现移相，阀侧采用三角形接入整流绕组。本文主要介绍这两种结构的整流变压器，并进行比较。

一、方案一整流变压器结构

（一）脉波整流变压器的联结组别

目前，常用轴向分裂变压器。高压绕组星型或者延边三角形连接，低压绕组形成双分裂的星型和三角形联结的绕组接入整流柜，形成12脉波整流[3]。工业中常把两个12脉波电路并联，形成24脉波电流。如图1所示1号变压器采用Dy11d0联结，移相7.5°。2号变压器采用Dy1d2联结，移相-7.5°。都在高压侧移相，这样两台变压器就有了15°的相位差。而每一台变压器采用裂相运行，低压侧分裂成星型和三角形联结的两个绕组，自然形成了30°的相位差，这样就形成了12脉波整流。通过这种处理，四组整流桥并列运行就形成24脉波直流电。

图1 方案一整流系统拓扑

（二）整流变压器的结构

该12脉波整流变压器，在结构上是一台的独立的变压器。他们共铁芯，共油箱。常采用上下分裂结构，即高低压均由上下2个绕组组成。如图2示，高压分主绕组和移相绕组，移相绕组实现7.5°和-7.5°的移相。低压绕组是星形连接的绕组和三角形联结的绕组，直接和整流器相连，低压侧常用y11d0和y1d2联结。

图2 方案一整流变的结构及联结形式

（三）方案一整流变压器主要特点

方案一的12脉波整流变压器的主要特点有：

1.+7.5°与-7.5°都在高压侧移相。

2.采用分裂式结构有利于改善整流侧电流分配不均问题，但需要注意晶闸管的安全运行。

3.铁芯利用率高，体积小，成本较低。

4.该结构的24脉波整流变压器的缺点是不能用变压器实现粗调压。

5.阀侧采用星型接法会形成三次谐波干扰。

二、方案二12脉波整流变压器结构

（一）方案二12脉波整流变压器的联结组别

该种变压器结构的结构如图3所示，电源侧有调压绕组，能够实现多级调压，实现电压的粗调[4]。经调压绕组后，轴向分裂为两套全是三角形联结的绕组。整流变压器一次侧采用延边三角形联结，实现相位移动，阀侧采用三角形联结。目前该结构主要采用以下标识：Yd-d连接，（-22.5°，+7.5°）；（+22.5°，-7.5°）；（+3.75°，-26.25°）；（-11.25°，+18.75°）；（-3.75°，+26.25°），（+11.25°，-18.75°）。以（-22.5°，+7.5°）移相为例，即1号变压器整流变的电源侧两套延边三角形绕组分别移相（-22.5°，+7.5°）。而一号变的阀侧均为三角形联结，相位不变，故在阀侧形成了30°的相位差，形成12脉波整流。2号整流变网侧移相（+22.5°，-7.5°）就可以形成另外一组12脉波整流，两组并网后形成24脉波整流。

图3 方案二整流系统拓扑

（二）整流变压器的结构

在这种联结组别中，多出一个绕组，直接和电源联结的是自耦调压绕组，即图4中的星型联结三相电源ABC可以自耦粗调压。然后分裂为两套角型连接整流绕组。整流绕组一次为延边三角形连接，阀侧也为三角形接法。移相相量图如图4所示。在这种结构中，整流一次分别移相22.5°，-7.5°），组整流装置相差30°，则可形成12输出，两套机构并联形成24脉波整流。

图4 方案二 整流变的结构及联结形式

（三）方案二变压器的的主要特点有：

1.每台12脉波变压器由1台采用自藕升压接线方式的调压变压器和整流变压器构成。

2.高压侧的自耦调压器不移相，只是实现多级粗调压。

3.整流变压器网侧两个绕组采用延边三角是实现移相，阀侧两绕组全部角型连接。

4.整流变压器一、二次侧均采用三角形接线可以有效地消除三次谐波。

5.自耦调压器的存在，可以实现灵活调压。

6.成本增加，高度增加。适用于负荷变动较大的场合。

三、谐波分析与仿真

（一）谐波分析

方案一的变压器制造商常采用DyDd的联结组方式构成24脉波整流变压器，网侧延边三角形联结实现移相，阀侧星型或者三角形联结。网络三角形联结，3倍次的谐波不会流入交流侧，减小对电网的危害[5-6]；方案二的变压器制造商常采Yd-d连接，高压网侧星型自耦调压绕组，整流分高压和低压绕组。整流的高压侧分裂为延边三角形联结，分别移相实现相位差，阀侧均为三角形联结。该种接法可实现两组整流的30度相位差。由于整流变全为三角形联结，故3倍次谐波同样不会流入交流侧。

交流侧A相电流傅里叶表达式为：

输出电压的傅里叶展开式为：

综合分析可以看出，24脉波整流电网侧只含有24K1(K=1，2，3，4…)次谐波电流，而三次谐波由变压器三角形结构消除，5、7、17、19…等谐波完全抵消；直流输出侧电压和电流主要是24K(K=1，2，3，4…)。可以看出多重化整流降低了谐波。有利于大功率系统的稳定运行。

（二）仿真分析

使用Matlab/Simulink建立仿真模型，为分析方便变压器电压比设为1:1，变压器容量1MVA，负载电阻10欧姆，仿真停止时间0.06秒。首先对方案一进行仿真，结果如图5、图6所示，网侧电流的THD值为1.11%，网侧电流主要是23，25，47,49等次谐波；直流侧主要是24,48次谐波；方案二的结果如图7、图8所示，网侧电流的THD值为0.39%，网侧电流不含低次谐波，直流输出电压的谐波主要是24,48次谐波。两种方案的结果基本一致。随着设备容量的增加，后期48脉波整流，更接近稳定的直流电压。

图5 方案一网侧电流频谱图

图6 方案一直流输出电压频谱图

图7 方案二电源侧电流频谱图

图8 方案二直流输出电压频谱图

四、结语

通过对两种12脉波整流变压器设计方法的分析比较可知，两种结构的12脉波整流变压器各有优缺点。方案一可以提供稳定的直流高压，且利用阀侧的星三角自动形成30度的移相，电源侧采用延边三角形移相，但是电压可调性差。此种变压器结构简单，造价较低，可用于铁路牵引等需要固定稳定电压的领域。方案二电源侧采用自耦调压绕组，整流分裂为高低压两套绕组，延边三角形在整流变高压侧，且都为三角形联结。在整流绕组的高压侧实现相位的左右移相。变压器绕组增多，结构复杂，高度也比方案一高，故造价较高，多用于需要频繁调压，大电流中低电压的电解铜、电解铝等领域。两种方案在谐波抑制方面基本相同。再具体使用时，用户可以根据负载的要求选择合适的整流方式。