24脉波移相整流变压器技术研究综述*

孙玉伟 潘天雄 严新平 袁成清 汤旭晶 潘鹏程

(武汉理工大学能源与动力工程学院1) 武汉 430063) (武汉理工大学国家水运安全工程技术研究中心可靠性工程研究所2) 武汉 430063) (武汉理工大学交通部船舶动力工程技术交通行业重点实验室3) 武汉 430063)

0 引 言

整流变换作为最常用的电能变换之一，已广泛应用于直流电机、电镀、新能源、航天等各个领域，而整流器件的强非线性给电网带来了大量的谐波污染[1-2],为此许多国家都相继制定了限制电力系统谐波的标准，如IEC555-2,IEEE519等[3].大功率整流工程实践中主要采用LC滤波、功率因数校正、PWM整流和多脉波整流等谐波控制方法，其中：尤以具有谐波抑制率高、低噪声、低电磁干扰(EMI)和射频干扰(RFI)、实现简单、可靠性高等特点的多脉波整流技术应用最为广泛.随着多脉波整流技术的发展，整流系统脉波数增多，电网总谐波畸变率(total harmonic distortion，THD)得以有效控制，但脉波数过多会使系统过于复杂，制造精度和对称性难以得到保证[4].24脉波整流系统在兼顾了设备复杂度和成本等因素的同时，具有良好的系统谐波抑制能力，而成为多脉波整流技术发展的主流[5].

本文首先阐述了24脉波整流技术的原理及分类，从移相变压器的结构形式出发，分别介绍了基于隔离型、自耦型、直线式和圆形移相变压器24脉波整流系统的拓扑结构和变换原理，并对其结构和性能做了对比分析，最后对该领域进行了总结和展望.

1 24脉波整流技术原理及分类

24脉波整流器通常由移相变压器和多个整流桥构成，在一个三相电源系统中，输出直流电压在一个交流周期内有24个波头[6-7].其原理是通过移相变压器，实现交流线电压移相，多相输出到若干个三相整流桥，通过各整流桥的谐波叠加抵消，抑制输入电流中23次以下的谐波，从而减小交流输入系统中的谐波含量和直流输出电压中的波纹[8].

24脉波整流器的类型很多，根据不同的特性可以作如下归类：根据内置移相变压器有无电隔离可以分为隔离型和非隔离型，根据整流器中电力电子器件是否可控可以分为可控型和不控型[9].移相变压器是其中的关键设备，原边绕组与副边绕组的联结方式有很多种，包括△/Y、延边三角形、曲折形、多边形等[10].其移相原理都是通过绕组的不同联结方式，改变原副边绕组电压的相位，图1和表1分别介绍了几种绕组的联结方式和相应的原副边匝数计算公式.限于篇幅，本文主要以延边三角形接法为例介绍相应的整流拓扑结构.

图1 移相变压器的原副边绕组联结方式

表1 移向变压器原副边匝数比关系及相角度[10]

△/YN2=n·3·N1±30°3·sin α·N3=sin(30°-α)·N2N2+2·N3=2·n·cos α·N130°-30°<α<30°sin α·N2=sin(60°-α)·N3(n·N1)2+N22-N32=2·n·N1·N2·cos α60°-60°<α<60°sin α=k·sin(120°-α)·(n·N1)2+N22-(k·N2)2=2·cos α·n·N1·N2-60°<α<60°

注：n-变压器的变压比;α-移相角;N1-原边匝数;N2、N3-副边匝数;“k”-多边形绕组上抽头两端绕组的匝数比.2 基于隔离变压器的24脉波整流技术概况

2.1 24脉波隔离式不控型整流器

24脉波不控型整流器目前已广泛应用于国内城市轨道交通牵引供电系统，这种整流装置可靠性更高，更加经济，缺点是电能只能单向流动且整流器体积庞大，图2为几种典型的不控型24脉波整流系统.图2a)整流机组主要由两台12脉波轴向双分裂式牵引整流变压器和四组全波整流桥组成，变压器原边采用延边三角形，副边绕组分别采用△，Y接法，输出4组线电压相位差15°，通过整流桥整流后实现了24脉波整流[11-13].该系统采用的轴向双分裂式结构的变压器，增大了其抗干扰能力，原边采用延边三角形移相，一次侧3次谐波电流不注入电网，二次侧形成多脉波输出，使直流波形更加平缓，谐波含量更低.图2b)4组整流桥为串联联结，该电路的副边相比图2a)的对称性更好，它们共同的缺点是变压器体积庞大且效率低[14].图2c)，变压器采用Y/Y/△联结，两个副边绕组的交流线电压相位相差30°，引入变抽头均衡电抗器后，产生不流经负载的附加环流以11、13次谐波为主要成分，与网侧11，13次谐波相位相反，从而相互抵消形成24脉波整流[15-17].该系统在设计变压器时，要求副边两绕组对称性好，必须注意铁芯结构及副边三角形绕组和星形绕组的匝数设计，变抽头均衡电抗器起电压均衡、电流平波等作用，合理的均衡电抗器设计能提高并联双桥的利用率，维持电流连续及减小直流脉动.图2d)经过整流桥和2抽头变换器形成24脉波整流，该整流变压器副边都采用延边三角形联结，从而对称性更好，更有利于谐波的抑制.

图2 隔离式不控型24脉波整流系统

2.2 24脉波隔离式可控型整流器

24脉波隔离式可控型整流器主要应用于大功率场所，如高压直流输电 (high-voltage direct current，HVDC)、大型直流电机驱动、可再生能源转换系统等.图3a)移相变压器原边绕组为△，Y接法，副边绕组采用4组延边三角形接法，分别移相-22.5°，-7.5°，+7.5°，+22.5°[19].图3b)2抽头变换器采用晶闸管取代了二极管，通过晶闸管的闭环控制，使2个整流桥输出的电流平均值相等，从而避免了抽头变换器饱和，减小了抽头变换器的电感值[20].

图3 隔离式可控型24脉波整流系统

3 基于自耦变压器的24脉波整流技术概况

隔离型的多脉波整流器实现了输入输出的隔离，结构比较简单，但是其输入的能量完全通过磁耦合到输出端，导致变压器等效容量大，造成整流器的体积庞大.在不要求电气隔离的情况下采用自耦变压器，通过变压器磁耦合的能量仅占输出功率能量的一小部分，从而减小变压器容量，减小整流器的体积与成本.

图4a)为一种采用自耦变压器的24脉波整流系统[21]，其特点是采用的单台自耦变压器，输入端电流经过变压器移相后，形成四组三相电路线电压依次相差15°，四组整流桥电路分别通过平衡电抗器并联联结，输出24脉波直流.此电路中采用的自耦变压器的等效容量仅为输出功率的17.3%，整流器体积大大减小，在大功率整流场合下优势尤为显著.图4b)为三角形连接自耦变压器24脉波整流系统[22]，与图4a)不同的是，它由两台12脉波自耦变压整流器并联构成，通过相间变压器分别移相±7.5°，分别接入两台延边三角形变压器，输出4组相位依次相差15°，幅值相等的整流桥输入电压.此方案的自耦变压器等效容量为输出功率的17.04%，且其变压器结构对称，易于谐波抑制.

图4 自耦变压器24脉波整流系统

4 基于直线式移相变压器的24脉波整流系统

孙盼等[23-24]设计了一种基于直线式移相变压器的多脉波整流器，提出了一种基于直线感应电机原理的直线式移相变压器拓扑.图5为3相/12相直线式移相变压器结构图.图中阴影部分构成了一次侧A相绕组，一次侧与二次侧铁心长度、宽度尺寸相同，分别采用短距绕组和整距绕组，各开有12个槽和12套绕组，其极对数为1.一次侧12个绕组采取60°相带分相，将对称的三相交流电通入一次侧三相绕组，在变压器气隙间将生成一个平移的正弦磁场，二次侧的 12 套绕组感应出相位依次相差30°的电动势，将产生的12相输出分成4组三相电源，并联后接入至整流桥向负载供电，输出的电压含有24个脉波，与传统的隔离式柱形24脉波整流系统相比，其谐波畸变率THD更低.

图5 直线式移相变压器结构[25]

5 基于圆形移相变压器的24脉波整流系统

王铁军等[25]设计了应用于24脉波整流系统的圆形移相变压器，采用圆柱式铁芯结构，利用旋转磁场实现多组移相.图6为圆形移相变压器结构示意图，其机构与感应电机相似，变压器原边固定，放置一组星形连接的3相对称绕组，副边(即定子)放置4组星形连接的3相绕组，副边a1至a4相位依次相差15°，槽口位子见图6，各绕组的b，c相对应于a相上相移120°和240°.根据旋转磁场原理，通电后原边绕组在铁芯内产生旋转磁场，副边绕组将依次产生四组15°移相的三相感应电动势，将四组三相输出分别接入桥式整流电路，4组整流桥串联叠加后得到24脉波直流输出.

图6 3相/12相圆形变压器结构[26]

6 整流变压器的对比分析

传统的柱形移相变压器为了保持输出三相的对称性并实现正确的移相，需要特殊设计绕组的匝数比、联结方式和串联次序等.变压器的结构随着脉波数的增多更复杂，体积更庞大，且不同的联结方式只能实现一种角度的移相.

基于直线电机结构的直线式移相变压器，其绕组布设更为方便，除了可以用于整流外，还可以用于逆变电路，通过模块的叠加能应用于大功率整流场合.该变压器内部的铁芯存在纵向和横向两个边端，产生边端效应，会影响其效率和谐波分量[27].通过减小气隙宽度和增加边齿宽度削弱边端效应，使直线式移相变压器工作在最佳状态，其效率和电压调整率与柱形变压器相比稍低，但抑制谐波效果更好.

圆形移相变压器因其采用圆形电机式铁芯结构，原副边绕组均匀分布于铁芯内部，磁路更加紧凑和对称，移相更为准确.该变压器同侧匝数相同，原副边匝数比计算更为简单，电压调整率较大，适合于可控整流.在效率、功率因数等方面，其性能较柱形变压器略低，在电磁设计方面仍有进一步改善的空间.

7 结 论

1) 移相变压器是24脉波整流系统的必需器件，采用自耦变压器大大减小了整流器的体积，提高了整流器的整体性能，但其非隔离因素和相对复杂的绕组结构使其成为大范围应用的一个瓶颈.

2) 随着多脉波整流技术的发展，通过改进移相变压器的电磁结构，基于直线式移相变压器和圆形移相变压器等新型的整流装置，减少了设备元件数量，降低了设计和制造成本.

3) 在24脉波整流电路理论设计的基础上，将其与直流侧有源谐波抑制方法相结合，可得到更好的波形.