CN104993720A

CN104993720A - 不对称式p型12脉冲自耦变压整流器

Info

Publication number: CN104993720A
Application number: CN201510404297.2A
Authority: CN
Inventors: 陈思; 葛红娟; 姜帆; 赵�权; 杨光
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2015-07-10
Filing date: 2015-07-10
Publication date: 2015-10-21
Anticipated expiration: 2035-07-10
Also published as: CN104993720B

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

不对称式P型12脉冲自耦变压整流器

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V_d与输入相电压有效值V_in之间的关系满足：

V_{d} = \frac{12}{π} {&Integral;}_{0}^{π / 12} \cos w t d w t * \sqrt{6} V_{a 1} = 2.42 V_{i n}

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

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。