CN105790606A - 混合式p型24脉冲自耦变压整流器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种混合式P型24脉冲自耦变压整流器。包括混合式P型24脉冲自耦变压器，超前整流桥组(整流桥1和整流桥2)和滞后整流桥组(整流桥3和整流桥4)。24脉自耦变压器每相原边和副边均含3个绕组，三相绕组连接成封闭的P型结构。合理设计绕组匝比，构造4组三相输出电压，送至4组整流桥。超前和滞后整流桥组分别输出两组含12脉波直流电压，并且相位相差15°电角度。超前和滞后整流桥组的输出正端和负端分别通过平衡电抗器Lp1和Lp2并联，作为变压整流器的正端和负端，输出含24脉波的直流电压。所述新型24脉冲自耦变压整流器的绕组结构简单，变压器等效容量低，输出端仅需两个平衡电抗器进行均流，系统复杂度较低。

Description

混合式P型24脉冲自耦变压整流器
技术领域
本发明属于电能变换技术领域，特别涉及了一种混合式P型24脉自耦变压整流器。
背景技术
航空变压整流器按脉冲数可分为12脉冲、18脉冲、24脉冲等，脉冲数越高，输入电流谐波含量越小，输出电压脉动越低。目前飞机上较常用的是12脉冲隔离型变压整流器和18脉冲自耦变压整流器。12脉隔离型变压整流器由于能量全部通过变压器耦合，变压器等效容量大(1.03倍输出功率)，增大了系统的体积和重量；另一方面12脉冲变压整流器理论输入电流总畸变THD为15.7％，难以航空标准要求。在先进飞机如B787，A380中，都运用了18脉冲自耦变压整流器来获得270V高压直流，自耦变压器的引入增加了直接通过导线传递的能量，节省了变压器绕组的材料，减小了整流系统的重量，然而18脉冲自耦变压整流器理论总谐波含量为为10.11％，需要借助滤波器达到10％的谐波要求。24脉冲自耦变压整流器理论THD为7.6％，现有方案如差分三角形、P型、星型结构24脉冲自耦变压整流器，结构都为对称形式，整流桥输出端必须通过众多平衡电抗器实现均流，增大了系统的复杂性。
发明内容
为解决背景中提出的技术问题，本发明旨在提供一种混合式P型24脉自耦变压整流器。
为实现上述技术目的，本发明采用的方案为：
一种混合式P型24脉自耦变压整流器，包括混合式P型24脉冲自耦变压器，超前整流桥组(整流桥1和整流桥2)和滞后整流桥组(整流桥3和整流桥4)。混合型24脉冲自耦变压器有三个输入端(A，B，C)，四组电压输出端：超前主三相输出端(ap1，bp1，cp1)，超前辅三相输出端(as1，bs1，cs1)，滞后主三相输出端(ap2，bp2，cp2)，滞后辅三相输出端(as2，bs2，cs2)。整流桥1和整流桥2输入端分别连接超前主三相端和辅三相端，输出正端和负端分别直接相连，通过不对称式矢量合成方法得到超前组12相输出电压矢量。整流桥3和整流桥4输入端连接滞后主三相端和辅三相端，输出正端和负端分别直接相连，通过不对称式矢量合成方法得到滞后组12相输出电压矢量。
进一步地，混合式P型24脉冲自耦变压器每相原边均包括三个绕组(A相：Aap1，ap1ap2，ap2m；B相：Bbp1，bp1bp2，bp2l；C相：Ccp1，cp1cp2，cp2n；)，每相副边均包括三个绕组(A相：Cas2，as2as1，as1l；B相：Abs2，bs2bs1，bs1n；C相：Bcs2，cs2cs1，cs1m)。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A相原边绕组Aap1首端(A)与B相副边绕组Abs2首端相连，原边三个绕组顺序相连，引出端ap1和ap2分别连接至整流桥1和整流桥3输入端，原边绕组ap2m末端(m)与C相副边绕组cs1m末端相连；A相副边绕组Cas2首端(C)与C相原边绕组Ccp1首端相连，A相副边三个绕组顺序相连，引出端as1和as2分别连接至整流桥2和整流桥4输入端，副边绕组as1l末端(l)与B相原边绕组bp2l末端相连。B相和C相的连接方式与A相相似。
进一步地，自耦变压器的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：原边绕组Aap1，ap1ap2，ap2m的匝数分别为Np1，Np2，Np3，副边绕组Cas2，as2as1，as1l的匝数分别为Ns1，Ns2，Ns3，绕组之间匝比满足：Np1∶Np2＝1∶2.07，Np1∶Np3＝1∶1，Np1∶Ns1＝1∶4.82，Np1∶Ns2＝1∶1.47，Np1∶Ns3＝1∶4.82。
进一步地，超前整流桥组和滞后整流桥组可分别单独为负载供电，输出电压均为含12脉波的直流电压。也可以通过平衡电抗器并联供电，具体连接如下：超前整流桥组和滞后整流桥组的输出正端通过平衡电抗器LP1并联，LP1中间抽头作为24脉冲变压整流器的输出正端，超前整流桥组和滞后整流桥组的输出负端通过平衡电抗器LP2并联，LP2中间抽头作为24脉冲变压整流器的输出负端。
由于超前、滞后整流桥组输出电压矢量相位相差15°，通过平衡电抗器实现两个整流桥组的独立供电。变压器四组输出电压在不同时区的矢量之和构成24相输出电压，各输出矢量长度相等、间隔15°，整流后输出含24个脉动的直流电压。
有益效果：与现有的24脉冲自耦变压整流器相比，本发明每一相仅需要6个绕组，并且绕组为P型结构，绕制简单；超前整流桥组和滞后整流桥组分别形成两组不对称式12脉冲直流输出，只需两个平衡电抗器进行均流，减小系统的复杂度。保持了等效容量小的优势，输入电流仍为24阶梯波，谐波含量低。
附图说明：
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明变压器绕组结构图；
图3为本发明输出电压矢量图；
图4为本发明源侧A相输入电流仿真波形图；
图5为本发明源侧A相输入电流仿真频谱分析图；
标号说明：Np1，Np2，Np3-每相原边绕组的匝数，Ns1，Ns2，Ns3-每相副边绕组的匝数，A，B，C-三相电源输入端，ap1，bp1，cp1-超前主三相输出端，as1，bs1，cs1-超前辅三相输出端，ap2，bp2，cp2-滞后主三相输出端，as2，bs2，cs2-滞后辅三相输出端。birdge1～4-整流桥1-4，Lp1，Lp2-输出正端和负端平衡电抗器。
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的说明。
实施例：混合式P型24脉自耦变压整流器，包括混合式P型24脉冲自耦变压器，超前整流桥组(整流桥1和整流桥2)和滞后整流桥组(整流桥3和整流桥4)，输出正端平衡电抗器Lp1和负端平衡电抗器Lp2。
混合式P型24脉冲自耦变压器每相原边均包括三个绕组(A相：Aap1，ap1ap2，ap2m；B相：Bbp1，bp1bp2，bp2l；C相：Ccp1，cp1cp2，cp2n；)，每相副边均包括三个绕组(A相：Cas2，as2as1，as1l；B相：Abs2，bs2bs1，bs1n；C相：Bcs2，cs2cs1，cs1m)。自耦变压器的绕组连接方式：A相原边三个绕组顺序相连，中间引出端ap1和ap2，副边三个绕组顺序相连，中间引出端as1和as2，B、C相类似；A相原边绕组Aap1首端(A)与B相副边绕组Abs2首端相连，原边绕组ap2m末端(m)与C相副边绕组cs1m末端相连；A相副边绕组Cas2首端(C)与C相原边绕组Ccp1首端相连，副边绕组as1l末端(l)与B相原边绕组bp2l末端相连，B相原边绕组Bbp1首端(B)与C相副边绕组Bcs1首端相连，C相原边绕组cp2n末端(n)与B相副边绕组bs1n末端相连，整体绕组结构为P型。
变压器超前主三相输出端(ap1，bp1，cp1)连接至整流桥1三相输入端，超前辅三相输出端(as1，bs1，cs1)连接至整流桥2三相输入端，变压器滞后主三相输出端(ap2，bp2，cp2)连接至整流桥3三相输入端，超前辅三相输出端(as2，bs2，cs2)连接至整流桥4三相输入端。整流桥1和整流桥2的输出负端直接相连，作为超前整流桥组的输出负端；整流桥3和整流桥4的输出正端直接相连，作为滞后整流桥组的输出正端；整流桥3和整流桥4的输出负端直接相连，作为滞后整流桥组的输出负端；超前整流桥组和滞后整流桥组的输出正端通过平衡电抗器LP1并联，LP1中间抽头作为24脉冲变压整流器的输出正端，超前整流桥组和滞后整流桥组的输出负端通过平衡电抗器LP2并联，LP2中间抽头作为24脉冲变压整流器的输出负端。
本发明采用一种新型的24相输出电压矢量构造方法。通过自耦变压器移相，产生四组三相交流电压：超前主三相电压Vap1、Vbp1、Vcp1，超前辅三相电压Vas1、Vbs1、Vcs1，滞后主三相电压Vap2、Vbp2、Vcp2，滞后辅三相电压Vas2、Vbs2、Vcs2。主三相电压与对应辅三相电压相位相反，辅矢量的幅值为主矢量的0.732倍。超前组电压超前滞后组电压15°电角度。为实现上述电压矢量构造，原副边的匝比满足：Np1∶Np2＝1∶2.07，Np1∶Np3＝1∶1，Np1∶Ns1＝1∶4.82，Np1∶Ns2＝1∶1.47，Np1∶Ns3＝1∶4.82。
进一步构造输出电压矢量：超前组主矢量间的线电压构成6相输出电压矢量(如)，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(如)；各输出线电压矢量长度相等，相邻矢量间隔为30度，通过这种方法合成12相输出电压。滞后组按同样的方式合成另一组12相输出电压，两组12相电压幅值相等，相位相差15°。超前组输出电压与滞后组输出电压通过平衡电抗器并联输出，即得到含24脉波的直流电压。24个输出矢量的关系如附图3所示。故输出电压的平均值为：
在超前组(或滞后组)内，birdge1(bridge3)为主整流桥，每个二极管的导通时间为90度，birdge2(bridge4)为辅整流桥，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。超前和滞后整流桥组通过平衡电抗器均流，实现独立工作，因此两个整流桥组的工作模式是对称的。故所述24脉冲ATRU为一种混合式的24脉冲自耦变压整流器。
自耦变压器的等效容量为：其中Vj为绕组两端的电压有效值，Ij为流过绕组的电流有效值。变压器铁心选取时只需按照输出功率的29.9％来考虑。为了获取良好性能，通常选择硅钢片制作变压器铁芯。根据发明内容所描述的结构、连接方式和匝数比设计混合式P型24脉自耦变压器。
为验证本发明的有效性，以附图1含平衡电抗器的混合式P型24脉冲自耦变压整流器为例，在saber仿真环境中进行仿真实验。在三相115V/400Hz输入，负载为2.5Ω纯电阻时，24脉冲自耦变压整流器的A相输入电流波形如附图4(横坐标为时间，纵坐标为电流)所示，输入电流为24阶梯波，具有良好的正弦性。附图5(横坐标为频率，纵坐标为基波含量)是A相输入电流的频谱分析，主要谐波为23、25次谐波(9.2k和10k)，总谐波含量较低，仅为6.2％，满足航空标准要求。
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 (3)

1.一种混合式P型24脉自耦变压整流器结构和绕组连接，其特征在于：包括混合型24脉冲自耦变压器，超前整流桥组(整流桥1和整流桥2)和滞后整流桥组(整流桥3和整流桥4)，两个整流桥组的输出可以单独或并联为负载供电。所述自耦变压器每相原边均包括三个绕组(A相：Aap1，ap1ap2，ap2m；B相：Bbp1，bp1bp2，bp2l；C相：Ccp1，cp1cp2，cp2n；)，每相副边均包括三个绕组(A相：Cas2，as2as1，as1l；B相：Abs2，bs2bs1，bs1n；C相：Bcs2，cs2cs1，cs1m)。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A相原边绕组Aap1首端(A)与B相副边绕组Abs2首端相连，A相原边三个绕组顺序相连，引出端ap1和ap2分别连接至整流桥1和整流桥3输入端，原边绕组ap2m末端(m)与C相副边绕组cs1m末端相连；A相副边绕组Cas2首端(C)与C相原边绕组Ccp1首端相连，A相副边三个绕组顺序相连，引出端as1和as2分别连接至整流桥2和整流桥4输入端，副边绕组as1l末端(1)与B相原边绕组bp2l末端相连。B相和C相的连接方式与A相相似。整流桥1和整流桥2的输出正端直接相连，作为超前整流桥组的输出正端；整流桥1和整流桥2的输出负端直接相连，作为超前整流桥组的输出负端；整流桥3和整流桥4的输出正端直接相连，作为滞后整流桥组的输出正端；整流桥3和整流桥4的输出负端直接相连，作为滞后整流桥组的输出负端。
2.根据权利要求1所述混合式P型24脉冲变压整流器，要实现低纹波24脉输出，其变压器各绕组之间的匝数必须满足一定的关系。以A相为例说明具体的匝比关系：原边绕组Aap1，ap1ap2，ap2m的匝数分别为Np1，Np2，Np3，副边绕组Cas2，as2as1，as1l的匝数分别为Ns1，Ns2，Ns3，绕组之间匝比满足：Np1∶Np2＝1∶2.07，Np1∶Np3＝1∶1，Np1∶Ns1＝1∶4.82，Np1∶Ns2＝1∶1.47，Np1∶Ns3＝1∶4.82。
3.根据权利要求1所述混合式P型24脉冲变压整流器，其特征在于：超前整流桥组和滞后整流桥组可通过平衡电抗器并联为负载供电。具体连接方式如下：超前整流桥组和滞后整流桥组的输出正端通过平衡电抗器LP1并联，LP1中间抽头作为24脉冲变压整流器的输出正端，超前整流桥组和滞后整流桥组的输出负端通过平衡电抗器LP2并联，LP2中间抽头作为24脉冲变压整流器的输出负端。
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