CN104993720A - 不对称式p型12脉冲自耦变压整流器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了不对称式P型12脉冲自耦变压整流器,包括不对称式P型自耦变压器,主整流桥和辅整流桥。不对称式P型自耦变压器包括A、B、C三相,每相有一个原边绕组和一个副边绕组,且均具有中心抽头。合理设计匝比,通过副边电压与原边电压相量之和构造主、辅两组三相电压,不同时区,不同的主、辅电压矢量之和构成12相输出电压,经整流桥并联输出。主、辅整流桥按照输出矢量的切换顺序依次选通,不需要平衡电抗器。本发明既保持了自耦式结构体积小、重量轻的优点,又省去了平衡电抗器的使用,是一种具有最简结构的12脉变压整流器。
Description
技术领域
本发明属于电能变换领域,具体涉及一种不对称式的P型12脉冲自耦变压整流器。
背景技术
传统的隔离型12脉变压整流器,利用副边绕组的星型连接和三角形连接方式,构成两组相位相差30度的三相交流电压,整流后经平衡电抗器并联输出。其输入电流为12阶梯波,仅含有12k±1次谐波,减小了输入电流总谐波含量(THD);该方案简单可靠,缺点是变压器等效容量为输出功率的1.03倍,导致系统体积重量较大。
学者Sewan Choi提出采用自耦变压器代替隔离变压器的方法,如差接△绕组结构的12脉自耦变压整流器。通过变压器的自耦连接,产生两组相差30度的三相电压。由于自耦变压器等效容量小,仅为隔离变压器的18%,有助于变压整流系统的小型化。但是在这种拓扑中,变压器副边绕组直接与整流桥中二极管串联,加大了二极管的换向电感,使得换向角增大,不利用航空航天应用。将变压器绕组连接成封闭的多边形(polygon),可大大减小二极管的换向电感,从而得到P型12脉自耦变压整流器。
无论是差接△还是P型绕组结构的12脉变压整流器,都需要平衡电抗器将两组整流桥并联,使得两组桥均能独立工作,从而输出12相线电压矢量。然而,平衡电抗器的加入增大了系统的复杂度和体积重量。
发明内容
发明目的:针对上述现有技术,提出一种不对称式P型12脉冲自耦变压整流器,简化12脉自耦变压整流器的结构。
技术方案:不对称式P型12脉冲自耦变压整流器,包括不对称式P型移相自耦变压器、主三相整流桥和辅三相整流桥;所述不对称式P型移相自耦变压器包括A相、B相、C相,每相原边有一个绕组并且中心抽头,三相输入电源与对应相原边中心抽头相连;每相副边有一个绕组并且中心抽头;A相原边绕组首端与B相副边绕组首端相连,A相原边绕组末端与C相副边绕组末端相连,A相副边绕组首端与C相原边绕组首端相连,A相副边绕组末端与B相原边绕组末端相连,B相原边绕组首端与C相副边绕组首端相连,B相副边绕组末端与C相原边绕组末端相连;A、B、C三相原边中心抽头作为变压器主三相电压输出端,三相副边中心抽头作为变压器辅三相电压输出端;所述主三相电压输出端与主三相整流桥的三相输入端对应相连,所述辅三相电压输出端与辅三相整流桥的三相输入端对应相连;主、辅三相整流桥的正端相连,作为变压整流器的正输出端;主、辅三相整流桥的负端相连,作为变压整流器的负输出端。
进一步的,所述自耦变压器A相原边绕组和副边绕组的匝比为1∶2.73。
进一步的,所述自耦变压器B相原边绕组和副边绕组的匝比为1∶2.73。
进一步的,所述自耦变压器C相原边绕组和副边绕组的匝比为1∶2.73。
有益效果:本发明的不对称式P型12脉冲自耦变压整流器通过副边电压与原边电压相量之和构造主、辅两组三相电压,不同时区,不同的主、辅电压矢量之和构成12相输出电压,经整流桥并联输出含12个脉动的直流电压。与现有P型自耦连接的12脉冲变压整流器相比,本发明结构十分简单,变压器绕组少、所有绕组截面积相同,且保持了自耦变压器容量小的特点;12相输出线电压矢量经整流桥并联输出,二极管依据电压矢量的切换顺序依次选通,不需要平衡电抗器。
附图说明
图1为本发明的结构示意图;
图2为本发明三相绕组的电压合成示意图;
图3为本发明三相绕组的电流合成示意图;
图4为本发明A相输入电流的理论波形图;
图5为本发明输出电压和输入电流的仿真波形;
图6为本发明A相输入电流频谱分析图;
上面附图中的主要符号说明:A相绕组:ap-原边绕组,as-副边绕组,B/C相与A相相同;Va、Vb、Vc-a/b/c相输入相电压,Va1、Vb1、Vc1-主三相电压,Va2、Vb2、Vc2-辅三相电压,isa、isb、isc-a相、b相、c相输入电流,ia1/ia2/ib1/ib2/ic1/ic2-a1/a2/b1/b2/c1/c2端输出电流,il~i9-变压器各绕组电流;B1-主三相整流桥,B2-辅三相整流桥,Vout-整流器输出电压。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1所示,不对称式P型12脉冲自耦变压整流器,包括不对称式P型移相自耦连接的变压器、主三相整流桥和辅三相整流桥。其中,不对称式P型移相自耦变压器包括A相、B相、C相,A、B、C三相变压器原边均包含一个绕组并且该绕组中心抽头,三相输入电源连接对应相原边中心抽头。每相副边同样包含一个绕组且该绕组中心抽头。A相原边绕组ap首端与B相副边绕组bs首端相连,A相原边绕组ap末端与C相副边绕组cs末端相连,A相副边绕组as首端与C相原边绕组cp首端相连,A相副边绕组as末端与B相原边绕组bp末端相连,B相原边绕组bp首端与C相副边绕组cs首端相连,B相副边绕组bs末端与C相原边绕组cp末端相连。A、B、C三相原边中心抽头a1、b1、c1作为变压器主三相电压输出端,A、B、C三相副边中心抽头a2、b2、c2作为变压器辅三相电压输出端。三相变压器的原边中心抽头a1、b1、c1连接主三相整流桥的三相输入端,三相变压器的副边中心抽头a2、b2、c2连接辅三相整流桥的三相输入端,主整流桥和辅整流桥直接并联输出。
通过合理设计匝比:每相原边绕组和副边绕组的匝比均为1∶2.73,使自耦变压器移相产生一组主三相交流电压Va1、Vb1、Vc1和一组辅三相交流电压Va2、Vb2、Vc2,两组电压矢量相位相反,并且辅矢量的幅值为主矢量的0.732倍,从而在不同时区,主辅矢量之和构造12相输出电压。
基于上述变压器绕组结构和匝比关系,自耦变压器电压合成关系如附图2所示。主矢量间的线电压构成6相输出电压矢量,主矢量与对应相位相反的辅矢量构成其余6相输出线电压矢量;各输出线电压矢量长度相等,相邻矢量间隔为30度。以A相为例,Va1b1、Va1a2、Va1c1和Va2a1四个输出矢量给负载供电。变压整流器输出平均电压Vd与输入相电压有效值Vin之间的关系满足:
当三相输入相电压为115V时,变压整流器的输出为278V,适用于航空270V高压直流系统(稳态电压要求250-280V)。
主三相整流桥每个二极管的导通时间为90度,辅三相整流桥每个二极管的导通时间为30度。即主桥流过3/4输出功率,辅桥流过1/4输出功率,两组整流桥的功率不对称,主整流桥流过的功率为辅整流桥的3倍。
自耦变压整流器的绕组电流关系如图3所示。假设负载为大电感负载(二极管电流波形为理想的方波),利用基尔霍夫电流定律(KCL)和磁势平衡定律,可以合成三相输入电流的理论波形如图4(横坐标为电角度,纵坐标从上至下依次为电流i1,i6和isa,纵坐标数值为负载电流的倍数)所示。输入电流波形含12个阶梯,有效地消除了5次、7次等谐波含量。
特别地,本发明的变压器每一相只有两个绕组,并且所有绕组的电流有效值均相同,因此该变压器绕组仅需要一种规格的导线,大大简化了自耦变压器的结构和设计过程。经计算,变压器的等效容量仅为输出功率的25%,保持了自耦变压器体积小重量轻的优点,有助于整流系统的小型化。
为验证本发明的有效性,以附图1中不对称式P型12脉冲自耦变压整流器为例进行仿真实验。在115V/400Hz输入,270V 100A纯阻性负载输出时,变压整流系统的输出电压和A相输入电流波形如图5所示(图5的横坐标为时间,纵坐标为电压和电流),输出电压含12个脉动,输入电流为12阶梯波,并且A相输入电流与输入A相电压(图5中虚线所示)相位保持一致,具有高功率因数。图6(横坐标为频率,纵坐标为电流)为A相输入电流的频谱分析,可见主要谐波为11、13次等12k±1谐波,总谐波含量为15.22%,与传统的12脉变压整流器一致。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.不对称式P型12脉冲自耦变压整流器,其特征在于:包括不对称式P型移相自耦变压器、主三相整流桥和辅三相整流桥;所述不对称式P型移相自耦变压器包括A相、B相、C相,每相原边有一个绕组并且中心抽头,三相输入电源与对应相原边中心抽头相连;每相副边有一个绕组并且中心抽头;A相原边绕组首端与B相副边绕组首端相连,A相原边绕组末端与C相副边绕组末端相连,A相副边绕组首端与C相原边绕组首端相连,A相副边绕组末端与B相原边绕组末端相连,B相原边绕组首端与C相副边绕组首端相连,B相副边绕组末端与C相原边绕组末端相连;A、B、C三相原边中心抽头作为变压器主三相电压输出端,三相副边中心抽头作为变压器辅三相电压输出端;所述主三相电压输出端与主三相整流桥的三相输入端对应相连,所述辅三相电压输出端与辅三相整流桥的三相输入端对应相连;主、辅三相整流桥的正端相连,作为变压整流器的正输出端;主、辅三相整流桥的负端相连,作为变压整流器的负输出端。
2.根据权利要求1所述不对称式P型12脉冲自耦变压整流器,其特征在于:所述自耦变压器A相原边绕组和副边绕组的匝比为1∶2.73。
3.根据权利要求1所述不对称式P型12脉冲自耦变压整流器,其特征在于:所述自耦变压器B相原边绕组和副边绕组的匝比为1∶2.73。
4.根据权利要求1所述不对称式P型12脉冲自耦变压整流器,其特征在于:所述自耦变压器C相原边绕组和副边绕组的匝比为1∶2.73。
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