CN105006982A - 一种p型24脉冲航空自耦变压整流器 - Google Patents

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陈思
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本发明公开了一种P型24脉冲航空自耦变压整流器，包括P型自耦变压器和第一～第四三相整流桥，P型自耦变压器的原边和副边分别由3个绕组组成，比三角形24脉自耦变压器减少了一个绕组，使绕组的复杂度降低，其绕组的封闭式连接相比三角形24脉自耦变压器绕组的非封闭式连接，漏感小，有利于提高功率因数，降低整流二极管在换向过程中的电压应力。本发明通过合理设计匝数，利用副边电压与原边电压相量之和实现4组三相交流输出，相邻两组之间相位相差15°，输出电压含有24脉波。

Description

一种P型24脉冲航空自耦变压整流器
技术领域
本发明属于电能变换技术领域，特别涉及了一种P型24脉冲航空自耦变压整流器。
背景技术
在工频整流领域，多脉冲整流技术是减小网侧电流谐波含量的一种重要方法。传统的12脉冲变压整流器，利用隔离变压器副边连接形式的不同使两组三相电压产生30°相移，经不控整流后，并联输出含12个脉波的直流电源，消除了输入电流中的5、7次谐波分量。这种方案结构简单，可靠性高，不过其变压器等效容量较大，为输出功率的1.03倍。采用自耦变压器代替隔离变压器，其等效容量仅为输出功率的18％左右，可有效减小变压整流系统的体积和重量。
无论是隔离式还是自耦式12脉整流器，其输入电流总谐波含量(THD)达15％，难以满足日益提高的输入电流谐波要求，如民航适航标准RTCA DO-160E和国军标GJB 181A-2003均规定交流用电设备总畸变电流的均方根值不应超过基波电流有效值的10％。增加脉冲数可进一步降低输入谐波含量和输出脉动系数，在12脉整流器的基础上，18脉变压整流系统进一步优化了谐波含量，然而其输入电流THD理论值为10.11％，仍然超出谐波标准的要求。现有的差接三角形绕组结构的24脉冲变压整流系统，输入电流含24阶梯波，可进一步减小输入电流THD，然而变压器每相绕组数量较多(7组)，连接较为复杂。在实际应用中，其差接绕组直接输出到整流桥，增加了变压器本身的漏感，使整流桥在换相期间产生压降，增大了整流二极管在换向过程中的电压应力，增大了输出电压纹波，同时也增大了输入电流谐波分量。
发明内容
为了解决上述背景技术提出的技术问题，本发明旨在提供一种P型24脉冲航空自耦变压整流器，减小变压器漏感，提高功率因素，降低整流二极管在换向过程中的电压应力。
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：
一种P型24脉冲航空自耦变压整流器，包括P型自耦变压器和第一～第四三相整流桥，所述P型自耦变压器包括A相、B相、C相，所述A相、B相、C相均包含3个原边绕组，将这3个原边绕组依次定义为第一～第三原边绕组，所述A相、B相、C相均包含3个副边绕组，将这3个副边绕组依次定义为第一～第三副边绕组，A相第一原边绕组的首端输入A相交流电，A相第一原边绕组的末端连接A相第二原边绕组的首端和第四三相整流桥的A相输入端，A相第二原边绕组的末端连接A相第三原边绕组的首端和第一三相整流桥的B相输入端，A相第三原边绕组的末端连接C相第三副边绕组的末端，B相第一原边绕组的首端输入B相交流电，B相第一原边绕组的末端连接B相第二原边绕组的首端和第四三相整流桥的B相输入端，B相第二原边绕组的末端连接B相第三原边绕组的首端和第一三相整流桥的C相输入端，B相第三原边绕组的末端连接A相第三副边绕组的末端，C相第一原边绕组的首端输入C相交流电，C相第一原边绕组的末端连接C相第二原边绕组的首端和第四三相整流桥的C相输入端，C相第二原边绕组的末端连接C相第三原边绕组的首端和第一三相整流桥的A相输入端，C相第三原边绕组的末端连接B相第三副边绕组的末端，A相第一副边绕组的首端输入C相交流电，A相第一副边绕组的末端连接A相第二副边绕组的首端和第三三相整流桥的C相输入端，A相第二副边绕组的末端连接A相第三副边绕组的首端和第二三相整流桥的C相输入端，B相第一副边绕组的首端输入A相交流电，B相第一副边绕组的末端连接B相第二副边绕组的首端和第三三相整流桥的A相输入端，B相第二副边绕组的末端连接A相第三副边绕组的首端和第二三相整流桥的A相输入端，C相第一副边绕组的首端输入B相交流电，C相第一副边绕组的末端连接C相的第二副边绕组的首端和第三三相整流桥的B相输入端，C相第二副边绕组的末端连接C相第三副边绕组的首端和第二三相整流桥的B相输入端。
进一步地，上述A相第二原边绕组与A相第一原边绕组的匝数比为1:0.064，A相第二原边绕组与A相第三原边绕组的匝数比为1:0.064，A相第二原边绕组与A相第一副边绕组的匝数比为1:0.175，A相第二原边绕组与A相第二副边绕组的匝数比为1:0.214，A相第二原边绕组与A相第三副边绕组的匝数比为1:0.175。
进一步地，上述B相第二原边绕组与B相第一原边绕组的匝数比为1:0.064，B相第二原边绕组与B相第三原边绕组的匝数比为1:0.064，B相第二原边绕组与B相第一副边绕组的匝数比为1:0.175，B相第二原边绕组与B相第二副边绕组的匝数比为1:0.214，B相第二原边绕组与B相第三副边绕组的匝数比为1:0.175。
进一步地，上述C相第二原边绕组与C相第一原边绕组的匝数比为1:0.064，C相第二原边绕组与C相第三原边绕组的匝数比为1:0.064，C相第二原边绕组与C相第一副边绕组的匝数比为1:0.175，C相第二原边绕组与C相第二副边绕组的匝数比为1:0.214，C相第二原边绕组与C相第三副边绕组的匝数比为1:0.175。
进一步地，还包括第一～第六平衡电抗器，所述第一三相整流桥的正输出端经第一平衡电抗器与第三三相整流桥的正输出端连接，第一三相整流桥的负输出端经第三平衡电抗器与第三三相整流桥发的负输出端连接，第二整流桥的正输出端经第二平衡电抗器与第四三相整流桥的正输出端连接，第二三相整流桥的负输出端经第四平衡电抗器与第四三相整流桥的负输出端连接，所述第五平衡电抗器的两端分别连接连接第一平衡电抗器的中心抽头和第二平衡电抗器的中心抽头，所述第六平衡电抗器的两端分别连接第三平衡电抗器的中心抽头和第四平衡电抗器的中心抽头，第五平衡电抗器的中心抽头作为整流器的正输出端，第六平衡电抗器的中心抽头作为整流器的负输出端。
采用上述技术方案带来的有益效果：
与现有的P型连接的18脉冲自耦变压器相比，本发明每相仅增加1个绕组便能构成24脉冲变压整流系统，并且绕组连接方式简单；与三角形24脉自耦变压整流器相比，本发明中P型自耦变压器的绕组少，且其绕组的封闭式连接结构比三角形自耦变压器绕组的非封闭式连接结构减小了变压器漏感，有利于提高功率因素，降低整流二极管在换向过程中的电压应力。
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为本发明通过平衡电抗器将4个整流桥并联输出的结构示意图；
图4为本发明绕组电流合成示意图；
图5为本发明A相输入电流和电压仿真波形图；
图6为本发明A相输入电流的频谱分析图；
图7为本发明输出电压的仿真波形图。
标号说明：ap1/bp1/cp1、ap2/bp2/cp2、ap3/bp3/cp3：变压器A相、B相、C相的第一～第三原边绕组；as1/bs1/cs1、as2/bs2/cs2、as3/bs3/cs3：变压器A相、B相、C相的第一～第三副边绕组；Lp1～Lp6：第一～第六平衡电抗器；A、B、C：变压器A相、B相、C相的第一原边绕组的首端；ia、ib、ic：A、B、C三相输入电流；a1/a2/a3/a4：第一～第四三相整流桥的A相输入端；b1/b2/b3/b4：第一～第四三相整流桥的B相输入端；c1/c2/c3/c4：第一～第四三相整流桥的C相输入端。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示本发明的结构示意图，一种P型24脉冲航空自耦变压整流器，包括P型自耦变压器和第一～第四三相整流桥。所述P型自耦变压器包括其自耦变压器的A相，B相，C相，所述A相、B相、C相均包含3个原边绕组，原边的连接方式以A相为例说明：3个原边绕组ap1、ap2、ap3顺次连接，其中绕组ap1和绕组ap2的公共端引出到第四三相整流桥的a4端，绕组ap2和绕组ap3的公共端引出到第一三相整流桥的b1端，绕组ap1的首端与变压器原边的A端相接，绕组ap3的末端与C相变压器副边的a端相接。B、C相原边的连接方式与A相类似，见图1；所述A相、B相、C相均包含3个副边绕组，副边的连接方式以A相为例说明：3个副边绕组as1、as2、as3顺次连接，其中绕组as1和绕组as2的公共端引出到第三三相整流桥的c3端，绕组as2和绕组as3的公共端引出到第二三相整流桥的c2端，绕组as1的首端与变压器原边的C端相接，绕组as3的末端与B相变压器副边的b端相接。B、C相副边的连接方式与A相类似，如图1所示(为了保持图1的清晰，图1省略了P型自耦变压器与第一～第四三相整流桥之间的连接线)。
本发明要产生24脉冲，则必须使第一～第四整流桥的三相输入电压分别产生15°移相的方法，即a1、a2、a3、a4的相位分别差15°，b1、b2、b3、b4的相位分别差15°，c1、c2、c3、c4的相位分别差15°。原边3个绕组与副边3个绕组的匝数必须有固定变比，才能达到对应的公共引出端相位互差15°。以A相为例，说明其变比关系：第二原边绕组ap2与第一原边绕组ap1的匝数之比为1:0.064；第二原边绕组ap2与第三原边绕组ap3的匝数比为1:0.064；第二原边绕组ap2与第一副边绕组as1的匝数比为1:0.175；第二原边绕组ap2与第二副边绕组as2的匝数比为1:0.214；第二原边绕组ap2与第三副边绕组as3的匝数比为1:0.175；B、C相绕组的匝数之比与A相一致。
根据上述连接方式和匝比关系,第一整流桥输入端a1、b1、c1超前原边三相A、B、C)41.62°；b1、b2、b3超前26.62°；c1、c2、c3超前11.62°；d1、d2、d3滞后3.38°，变压整流器电压合成关系如图2所示。从而变压器输出端相电压Vai与输入相电压Vin满足方程： V a i = V i n sin 82.5 × sin 70.88 = 0.953 V i n .
在本实施例中，如图3所示，整流器还包括第一～第六平衡电抗器LP1～LP6，所述第一三相整流桥的正输出端经第一平衡电抗器与第三三相整流桥的正输出端连接，第一三相整流桥的负输出端经第三平衡电抗器与第三三相整流桥发的负输出端连接，第二整流桥的正输出端经第二平衡电抗器与第四三相整流桥的正输出端连接，第二三相整流桥的负输出端经第四平衡电抗器与第四三相整流桥的负输出端连接，所述第五平衡电抗器的两端分别连接连接第一平衡电抗器的中心抽头和第二平衡电抗器的中心抽头，所述第六平衡电抗器的两端分别连接第三平衡电抗器的中心抽头和第四平衡电抗器的中心抽头，第五平衡电抗器的中心抽头作为整流器的正输出端，第六平衡电抗器的中心抽头作为整流器的负输出端。
自耦变压器的电流关系如图4所示，自耦变压器的移相作用会使每个整流桥产生的谐波之间存在相位差，其中频率和幅值相同、相位相反的谐波电流可以抵消，该次数的谐波电流将不会出现在整个系统的输入电流中，降低了系统的谐波含量
4组整流桥通过平衡电抗器并联输出时，每组整流桥独立工作，均输出6相线电压并且自然换向；整流器输出矢量即为24相线电压，每两相线电压之间皆为15°夹角。故输出电压的平均值为：
为验证本发明的有效性，以图1中含平衡电抗器的24脉冲自耦变压整流系统为例进行仿真实验。在115V/400Hz输入，250V 230A阻性负载输出时，变压整流系统的输入电流波形和输入电压波形如图5(横坐标为时间，纵坐标为电压和电流)所示，输入电流含24阶梯波，并且输入电流与输入电压相位基本保持一致，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，可见高次谐波的含量较小，主要谐波为23、25次谐波，总谐波含量为与理论计算值符合，且完全满足谐波标准的要求。图7(横坐标为时间，纵坐标为电压)为直流输出电压波形，电压纹波小、电压脉动系数仅为0.11％，输出电压平稳。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.一种P型24脉冲航空自耦变压整流器，其特征在于：包括P型自耦变压器和第一～第四三相整流桥，所述P型自耦变压器包括A相、B相、C相，所述A相、B相、C相均包含3个原边绕组，将这3个原边绕组依次定义为第一～第三原边绕组，所述A相、B相、C相均包含3个副边绕组，将这3个副边绕组依次定义为第一～第三副边绕组，A相第一原边绕组的首端输入A相交流电，A相第一原边绕组的末端连接A相第二原边绕组的首端和第四三相整流桥的A相输入端，A相第二原边绕组的末端连接A相第三原边绕组的首端和第一三相整流桥的B相输入端，A相第三原边绕组的末端连接C相第三副边绕组的末端，B相第一原边绕组的首端输入B相交流电，B相第一原边绕组的末端连接B相第二原边绕组的首端和第四三相整流桥的B相输入端，B相第二原边绕组的末端连接B相第三原边绕组的首端和第一三相整流桥的C相输入端，B相第三原边绕组的末端连接A相第三副边绕组的末端，C相第一原边绕组的首端输入C相交流电，C相第一原边绕组的末端连接C相第二原边绕组的首端和第四三相整流桥的C相输入端，C相第二原边绕组的末端连接C相第三原边绕组的首端和第一三相整流桥的A相输入端，C相第三原边绕组的末端连接B相第三副边绕组的末端，A相第一副边绕组的首端输入C相交流电，A相第一副边绕组的末端连接A相第二副边绕组的首端和第三三相整流桥的C相输入端，A相第二副边绕组的末端连接A相第三副边绕组的首端和第二三相整流桥的C相输入端，B相第一副边绕组的首端输入A相交流电，B相第一副边绕组的末端连接B相第二副边绕组的首端和第三三相整流桥的A相输入端，B相第二副边绕组的末端连接A相第三副边绕组的首端和第二三相整流桥的A相输入端，C相第一副边绕组的首端输入B相交流电，C相第一副边绕组的末端连接C相的第二副边绕组的首端和第三三相整流桥的B相输入端，C相第二副边绕组的末端连接C相第三副边绕组的首端和第二三相整流桥的B相输入端。
2.根据权利1所述新型P型24脉冲航空自耦变压整流器，其特征在于：所述A相第二原边绕组与A相第一原边绕组的匝数比为1:0.064，A相第二原边绕组与A相第三原边绕组的匝数比为1:0.064，A相第二原边绕组与A相第一副边绕组的匝数比为1:0.175，A相第二原边绕组与A相第二副边绕组的匝数比为1:0.214，A相第二原边绕组与A相第三副边绕组的匝数比为1:0.175。
3.根据权利1所述新型P型24脉冲航空自耦变压整流器，其特征在于：所述B相第二原边绕组与B相第一原边绕组的匝数比为1:0.064，B相第二原边绕组与B相第三原边绕组的匝数比为1:0.064，B相第二原边绕组与B相第一副边绕组的匝数比为1:0.175，B相第二原边绕组与B相第二副边绕组的匝数比为1:0.214，B相第二原边绕组与B相第三副边绕组的匝数比为1:0.175。
4.根据权利1所述新型P型24脉冲航空自耦变压整流器，其特征在于：所述C相第二原边绕组与C相第一原边绕组的匝数比为1:0.064，C相第二原边绕组与C相第三原边绕组的匝数比为1:0.064，C相第二原边绕组与C相第一副边绕组的匝数比为1:0.175，C相第二原边绕组与C相第二副边绕组的匝数比为1:0.214，C相第二原边绕组与C相第三副边绕组的匝数比为1:0.175。
5.根据权利要求1所述新型P型24脉冲航空自耦变压整流器，其特征在于：还包括第一～第六平衡电抗器，所述第一三相整流桥的正输出端经第一平衡电抗器与第三三相整流桥的正输出端连接，第一三相整流桥的负输出端经第三平衡电抗器与第三三相整流桥发的负输出端连接，第二整流桥的正输出端经第二平衡电抗器与第四三相整流桥的正输出端连接，第二三相整流桥的负输出端经第四平衡电抗器与第四三相整流桥的负输出端连接，所述第五平衡电抗器的两端分别连接连接第一平衡电抗器的中心抽头和第二平衡电抗器的中心抽头，所述第六平衡电抗器的两端分别连接第三平衡电抗器的中心抽头和第四平衡电抗器的中心抽头，第五平衡电抗器的中心抽头作为整流器的正输出端，第六平衡电抗器的中心抽头作为整流器的负输出端。
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