CN105471283A

CN105471283A - 一种升降压式12脉冲自耦变压整流器

Info

Publication number: CN105471283A
Application number: CN201510943796.9A
Authority: CN
Inventors: 姜帆; 葛红娟; 杨光; 吴双; 陈舒文; 林怡
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2015-12-17
Filing date: 2015-12-17
Publication date: 2016-04-06
Anticipated expiration: 2035-12-17
Also published as: CN105471283B

Abstract

本发明公开了一种升降压式12脉冲自耦变压整流器，包括升降压式12脉冲自耦变压器，两组整流桥和两个平衡电抗器。所述升降压式12脉冲自耦变压器每相3个绕组，其中原边是1个具有两个中间抽头的绕组，副边有2个绕组；合理连接其原副边绕组，改变自耦变压器原副边绕组的匝数比，即改变原边和副边绕组上的电压矢量和，可实现固定幅值的两组相位相差30°的三相交流电压输出；有效解决了现有差接三角型12脉自耦变压整流器输出电压不可调的问题。本发明在保证12脉冲自耦变压整流器性能的基础上使自耦变压器的输出电压实现对输入电压0.557～1.115倍的宽范围调整。

Description

一种升降压式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，具体指一种升降压式12脉冲自耦变压整流器。

背景技术

多脉冲整流技术按照输出电压脉冲数可以分为12脉冲，18脉冲，24脉冲，30脉冲等，使得网侧电流变为相应脉冲数，脉冲数越多相应的交流侧电流THD值越低，但是变压器结构越复杂且整流桥组数越多。目前航空上使用最广泛的是12脉变压整流器，其体积小重量轻，技术成熟。隔离式多脉冲变压整流器通过合理设计变压器原副边绕组的变比可以实现28V直流输出，通过输入端无源滤波便可满足航空上对谐波的要求，结构简单，可靠性强，但是变频输入情况下输出电压调整率变化大且其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。采用自耦变压器代替隔离变压器，可有效减小变压整流系统的体积和重量，同时功率传输效率更高。现有的差接三角型12脉冲自耦变压整流器输出电压偏高且不可调，使其的应用具有一定的限制性。

发明内容

本发明的目的是实现对12脉自耦变压整流器输出电压的升降压调节，提供一种宽范围输出的12脉冲自耦变压整流器。

为实现上述目的，本发明采用的方案为：

一种升降压式12脉冲自耦变压整流器。使12脉自耦变压器的输出电压实现对输入电压0.557～1.115倍的宽范围调节。

一种升降压式12脉冲自耦变压整流器，包括升降压式12脉冲自耦变压器，两组整流桥(后续自耦变压整流器与整流桥均为三相)和两个平衡电抗器。升降压式12脉冲自耦变压整流器实现对输入电压的升降压调节，自耦变压器每相原副边绕组之间满足一定的匝比关系，以A相为例，说明具体的匝比关系：设原边绕组(ab)总匝数为Np，由两个中间绕组(a1、a2)分成三段(aa1、a1a2、a2b)，匝数分别是Np1、Np2、Np3，副边绕组(c2a″、b’b1)的匝数分别为Ns1、Ns2。定义自耦变压器输出相电压U_a′N与输入相电压U_AN之比为升降压比K_u(K_u＝U_a′N/U_AN＝U_a′b′/U_AB)；定义绕组匝数Np1与原边总绕组匝数Np之比为K_Np1(K_Np1＝Np1/Np)；定义绕组匝数Np2与原边总绕组匝数Np之比为K_Np2(K_Np2＝Np2/Np)；定义绕组匝数Np3与原边总绕组匝数Np之比为K_Np3(K_Np3＝Np3/Np)；定义绕组匝数Ns1与原边总绕组匝数Np之比为K_Ns1(K_Ns1＝Ns1/Np)；定义绕组匝数Ns2与原边总绕组匝数Np之比为K_Ns2(K_Ns2＝Ns2/Np)；其推导过程如下：

说明书附图1是自耦变压器的电压矢量图(K_u＝0.557～0.707)，取其a相矢量进行分析，其中，a_m是原边绕组的中点，N是输入三相交流电压矢量的中点，是输入相电压矢量，令矢量长度为1，故可求出aa_m＝0.866，是输出相电压矢量，故矢量长度为K_u，且与的夹角为15°，在三角形Naa′中，根据余弦定理，可求出aa′的长度：

再由余弦定理，可求出∠Naa′为：

&angle; {Naa}^{'} = a r c c o s (\frac{2 - 1.932 K_{u}}{2 \sqrt{{K_{u}}^{2} + 1 - 1.932 K_{u}}})

又已知∠aa1a′＝120°，故三角形aa′a1中各个角度便可求出如下：

&angle; a^{'} a a 1 = 30 - &angle; {Naa}^{'} = 30 - a r c c o s (\frac{2 - 1.932 K_{u}}{2 \sqrt{{K_{u}}^{2} + 1 - 1.932 K_{u}}})

&angle; {aa}^{'} a 1 = 180 - 120 - (30 - &angle; {Naa}^{'}) = 30 + a r c c o s (\frac{2 - 1.932 K_{u}}{2 \times 1 \times \sqrt{{K_{u}}^{2} + 1 - 1.932 K_{u}}})

进一步的，在三角形aa′a1，可由正弦定理得：

进一步可求得任意边长：

a a 1 = \frac{\sqrt{{K_{u}}^{2} + 1 - 1.932 K_{u}} \cdot s i n &angle; {aa}^{'} a 1}{\sin 120} = \frac{\sqrt{{K_{u}}^{2} + 1 - 1.932 K_{u}} \cdot s i n (30 + a r c c o s (\frac{2 - 1.932 K_{u}}{2 \sqrt{{K_{u}}^{2} + 1 - 1.932 K_{u}}}))}{0.866}

a^{'} a 1 = \frac{\sqrt{{K_{u}}^{2} + 1 - 1.932 K_{u}} \cdot s i n &angle; a^{'} a a 1}{\sin 120} = \frac{\sqrt{{K_{u}}^{2} + 1 - 1.932 K_{u}} \cdot s i n (30 - a r c c o s (\frac{2 - 1.932 K_{u}}{2 \sqrt{{K_{u}}^{2} + 1 - 1.932 K_{u}}}))}{0.866}

其匝比表达式分别如下：

K_Np2＝1-2K_NP1；

当Ku＝0.707～1.115时其副边绕组矢量方向相反，但其绕组匝比关系不变，为：

自耦变压器副边输出电压与原边电压比在K_u＝0.557～0.707范围内时，绕组的连接方式为：一种升降压式12脉冲自耦变压器，每相原边有一个绕组(ab、bc、ca)，每相副边有两个绕组(c2a″、b’b1，a2b″、c’c1，b2c″、a’a1)，原边接输入三相电压(U_AN、U_BN、U_CN)，副边输出两组三相电压(U_a′N、U_b′N、U_c′N、U_a″N、U_b″N、U_c″N)，副边输出线电压由4个原副边矢量合成(如)。以A相为例，自耦变压器原边绕组(ab)由两个中间抽头(a1、a2)分成三段(aa1、a1a2、a2b)，副边有两个绕组(c2a″、b’b1)。原边绕组的首端(a)为A相电压输入端，连接输入电压源(U_AN)；中间抽头(a1)与C相副边绕组(a’a1)的末端(a1)相连接；中间抽头(a2)与B相副边绕组(a2，b″)的首端(a2)相连接；原边绕组的末端(b)与B相原边绕组(bc)的首端(b)和输入电压源(U_BN)相连接；副边绕组(c2a″)的首端(c2)与C相中间抽头(c2)相连接，副边绕组(c2a″)的末端(a″)作为输出电压引出端(a″)；副边绕组(b’b1)的首端(b’)作为输出电压引出端(b’)，副边绕组(b’b1)的末端(b1)与B相中间抽头(b1)相连接；B相和C相的连接方式与A相相似。

进一步地，一种升降压式12脉冲自耦变压整流器，自耦变压器副边输出电压与原边电压比在K_u＝0.707～1.115范围内时，绕组的连接方式为：以A相为例，自耦变压器原边绕组(ab)由两个中间抽头(a1、a2)分成三段(aa1、a1a2、a2b)，副边有两个绕组(b1b’、a″c2)。原边绕组的首端(a)为A相电压输入端，连接输入电压源(U_AN)；中间抽头(a1)与C相副边绕组(a1a’)的首端(a1)相连接；中间抽头(a2)与B相副边绕组(b″a2)的末端(a2)相连接；原边绕组的末端(b)与B相原边绕组(bc)的首端(b)和输入电压源(U_BN)相连接；副边绕组(b1b’)的首端(b1)与B相中间抽头(b1)相连接，副边绕组(b1b’)的末端(b’)作为输出电压引出端(b’)；副边绕组(a″c2)的首端(a″)作为输出电压引出端(a″)，副边绕组(a″c2)的末端(c2)与C相中间抽头(c2)相连接；B相和C相的连接方式与A相相似。

采用上述技术方案带来的有益效果：

与现有的差接三角型12脉冲自耦变压整流器相比，本发明提供的升降压式12脉冲自耦变压整流器保证低谐波输入，低纹波输出性能的同时，不需要降压电路，只改变自身绕组结构便可对输入电压进行升降压，解决了原有自耦变压整流器输出电压偏高且不可调的问题，可以实现在150V-300V宽范围的直流电压输出，并且给出了变比与匝比之间的公式，拓宽了变压整流器的应用范围。

附图说明

附图1为K_u＝0.557～0.707时自耦变压器电压矢量图；

附图2为K_u＝0.557～0.707时自耦变压整流器电路图；

附图3为K_u＝0.557～0.707时自耦变压器绕组连接图；

附图4为自耦变压器副边两相输出电压仿真波形图；

附图5为系统输出电压仿真波形图；

附图6为系统A相输入电流仿真波形图；

附图7为系统A相输入电流的频谱分析图；

上面附图中的主要符号说明：U_AN，U_BN，U_CN——网侧三相输入相电压，i_a，i_b，i_c——三相输入电流，N_p1，N_p2，N_p3——每相原边绕组的匝数，a₁，a₂——A相原边绕组的两个中间抽头引出点，b1，b2——B相原边绕组的两个中间抽头引出点，c1，c2——C相原边绕组的两个中间抽头引出点，N_s1，N_s2——每相副边绕组的匝数，a′、b′、c′，a″、b″、c″——两组三相整流桥的输入端，Lp1，Lp2——两个平衡电抗器，U_o——输出电压

方案的实施与验证

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例：一种升降压式12脉冲自耦变压整流器，包括升降压式12脉冲自耦变压器，两组整流桥(后续自耦变压整流器与整流桥均为三相)和两个平衡电抗器。每相原边有一个绕组(ab、bc、ca)，每相副边有两个绕组(c2a″、b’b1，a2b″、c’c1，b2c″、a’a1)，原边接输入三相电压(U_AN、U_BN、U_CN)，副边输出两组三相电压(U_a′N、U_b′N、U_c′N、U_a″N、U_b″N、U_c″N)，副边输出线电压由4个原副边矢量合成(如)，自耦变压器副边与原边电压比在K_u＝0.557～0.707范围内时，电压矢量图见附图1。附图2是对应的12脉自耦变压整流器电路图，以A相为例，该自耦变压器的绕组结构及绕组具体连接方式为：自耦变压器原边绕组(ab)由两个中间抽头(a1、a2)分成三段(aa1、a1a2、a2b)，副边有两个绕组(c2a″、b’b1)。原边绕组的首端(a)为A相电压输入端，连接输入电压源(U_AN)；中间抽头(a1)与C相副边绕组(a’a1)的末端(a1)相连接；中间抽头(a2)与B相副边绕组(a2，b″)的首端(a2)相连接；原边绕组的末端(b)与B相原边绕组(bc)的首端(b)和输入电压源(U_BN)相连接；副边绕组(c2a″)的首端(c2)与C相中间抽头(c2)相连接，副边绕组(c2a″)的末端(a″)作为输出电压引出端(a″)；副边绕组(b’b1)的首端(b’)作为输出电压引出端(b’)，副边绕组(b’b1)的末端(b1)与B相中间抽头(b1)相连接；B相和C相的连接方式与A相相似。

升降压式12脉冲自耦变压整流器实现对输入电压的升降压调节，自耦变压器每相原副边绕组之间满足一定的匝比关系，为验证本发明有效性，令降压比K_u＝0.557，即系统输出电压为150V进行分析。以A相为例，说明具体的匝比关系：设原边绕组(ab)总匝数为Np，由两个中间绕组(a1、a2)分成三段(aa1、a1a2、a2b)，匝数分别是Np1、Np2、Np3，副边绕组(c2a″、b’b1)的匝数分别为Ns1、Ns2。定义自耦变压器输出相电压U_a′N与输入相电压U_AN之比为升降压比K_u(K_u＝U_a′N/U_AN＝U_a′b′/U_AB)；定义绕组匝数Np1与原边总绕组匝数Np之比为K_Np1(K_Np1＝Np1/Np)；定义绕组匝数Np2与原边总绕组匝数Np之比为K_Np2(K_Np2＝Np2/Np)；定义绕组匝数Np3与原边总绕组匝数Np之比为K_Np3(K_Np3＝Np3/Np)；定义绕组匝数Ns1与原边总绕组匝数Np之比为K_Ns1(K_Ns1＝Ns1/Np)；定义绕组匝数Ns2与原边总绕组匝数Np之比为K_Ns2(K_Ns2＝Ns2/Np)；其匝比分别如下：

K_Np2＝1-2K_NP1＝0.526；

附图3是升降压式12脉冲自耦变压器在K_u＝0.557～0.707时的绕组图，说明各相绕组的具体连接形式以及绕组电流流向，当K_u＝0.707～1.115时，其接法不变，仅副边绕组的同名端相反。为验证本发明的有效性，令降压比为0.557时，即副边输出相电压为U_a′＝0.557×115＝64.1V，用上述计算的匝比参数在Saber仿真软件中进行仿真，设置输入为三相115V/400Hz，副边输出电压U_a′N和U_a″N的波形如附图4(横坐标为时间，纵坐标为电压)所示，测得副边电压有效值为64.278V，与理论值相符；且测得U_a″N滞后U_a′N的时间为208.45μs，换算成对应滞后的角度为0.000208×400×360＝29.952°，与理论值30°相符。系统的输出电压波形如附图5(横坐标为时间，纵坐标为电压)所示，输出电压为149.4V，在一个周期内有12个脉波，输出端无滤波电容时输出电压平稳且纹波小，为0.79V。附图6(横坐标为时间，纵坐标为电流)为系统A相输入电流波形图，在源侧加滤波电感后，输入电流为12阶梯波，正弦性较好，测得主要谐波为11、13次等12k±1谐波，如附图7(横坐标为频率，纵坐标为电流)所示，其THD(totalharmonicdistortion，总谐波失真)仅为9.88％，系统在降压的同时良好的保证了变压整流器的优势，性能稳定。

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

1.一种升降压式12脉冲自耦变压整流器，及其变压器原副边绕组匝数关系；自耦变压整流器特征在于：包括升降压式12脉冲自耦变压器，两组整流桥(后续自耦变压整流器与整流桥均为三相)和两个平衡电抗器；其自耦变压器原副边绕组匝数关系特征在于：以A相为例，说明具体的匝比关系；设原边绕组(ab)总匝数为Np，由两个中间绕组(a1、a2)分成三段(aa1、a1a2、a2b)，匝数分别是Np1、Np2、Np3，副边绕组(c2a″、b’b1)的匝数分别为Ns1、Ns2。定义自耦变压器输出相电压U_a′N与输入相电压U_AN之比为升降压比K_u(K_u＝U_a′N/U_AN＝U_a′b′/U_AB)；定义绕组匝数Np1与原边总绕组匝数Np之比为K_Np1(K_Np1＝Np1/Np)；定义绕组匝数Np2与原边总绕组匝数Np之比为K_Np2(K_Np2＝Np2/Np)；定义绕组匝数Np3与原边总绕组匝数Np之比为K_Np3(K_Np3＝Np3/Np)；定义绕组匝数Ns1与原边总绕组匝数Np之比为K_Ns1(K_Ns1＝Ns1/Np)；定义绕组匝数Ns2与原边总绕组匝数Np之比为K_Ns2(K_Ns2＝Ns2/Np)；其表达式分别如下：

K_Np2＝1-2K_Np1；

2.自耦变压器副边输出电压与原边电压比在K_u＝0.557～0.707范围内时，绕组的连接方式特征在于：自耦变压器每相原边有一个绕组(ab、bc、ca)，每相副边有两个绕组(c2a″、b’b1，a2b″、c’c1，b2c″、a’a1)，原边接输入三相电压(U_AN、U_BN、U_CN)，副边输出两组三相电压(U_a′N、U_b′N、U_c′N、U_a″N、U_b″N、U_c″N)，副边输出线电压矢量由4个原副边矢量合成(如)；以A相为例，该自耦变压器的绕组结构及绕组具体连接方式为：自耦变压器原边绕组(ab)由两个中间抽头(a1、a2)分成三段(aa1、a1a2、a2b)，副边有两个绕组(c2a″、b’b1)。原边绕组的首端(a)为A相电压输入端，连接输入电压源(U_AN)；中间抽头(a1)与C相副边绕组(a’a1)的末端(a1)相连接；中

间抽头(a2)与B相副边绕组(a2，b″)的首端(a2)相连接；原边绕组的末端(b)与B相原边绕组(bc)的首端(b)和输入电压源(U_BN)相连接；副边绕组(c2a″)的首端(c2)与C相中间抽头(c2)相连接，副边绕组(c2a″)的末端(a″)作为输出电压引出端(a″)；副边绕组(b’b1)的首端(b’)作为输出电压引出端(b’)，副边绕组(b’b1)的末端(b1)与B相中间抽头(b1)相连接；B相和C相的连接方式与A相相似。

3.自耦变压器副边输出电压与原边电压比在K_u＝0.707～1.115范围内时，绕组的连接方式特征在于：以A相为例，该自耦变压器的绕组结构及绕组具体连接方式为；自耦变压器原边绕组(ab)由两个中间抽头(a1、a2)分成三段(aa1、a1a2、a2b)，副边有两个绕组(b1b’、a″c2)。原边绕组的首端(a)为A相电压输入端，连接输入电压源(U_AN)；中间抽头(a1)与C相副边绕组(a1a’)的首端(a1)相连接；中间抽头(a2)与B相副边绕组(b″a2)的末端(a2)相连接；原边绕组的末端(b)与B相原边绕组(bc)的首端(b)和输入电压源(U_BN)相连接；副边绕组(b1b’)的首端(b1)与B相中间抽头(b1)相连接，副边绕组(b1b’)的末端(b’)作为输出电压引出端(b’)；副边绕组(a″c2)的首端(a″)作为输出电压引出端(a″)，副边绕组(a″c2)的末端(c2)与C相中间抽头(c2)相连接；B相和C相的连接方式与A相相似。