CN106100391A - 基于单副边低容量角形联结自耦变压器的12脉波整流器 - Google Patents

基于单副边低容量角形联结自耦变压器的12脉波整流器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于单副边低容量角形联结自耦变压器的12脉波整流器，它旨在提供一种应用于大功率场合的12脉波整流器，降低12脉波整流器所用自耦变压器的容量和绕组结构复杂性。该整流器采用角形联结自耦变压器作为移相变压器，由于磁耦合而需要转换的能量仅仅是输出功率的很小一部分，因而可成倍减小变压器的容量；一组三相整流桥输入端由交流电源直接供电，而不需经过自耦变压器，会使自耦变压器具有单副边结构，在减小自耦变压器的容量和体积的同时，会降低自耦变压器的绕组结构复杂性；两组三相整流桥在零序电流抑制器抑制零序电流和平衡电抗器吸收其输出电压瞬时差的作用下并联独立工作，可以增大输出电流，提高变压器的利用效率。

Description

基于单副边低容量角形联结自耦变压器的 12 脉波整流器
技术领域
本发明涉及一种基于单副边低容量角形联结自耦变压器的12脉波整流器，属于电力电子技术领域。
背景技术
多脉波整流技术是大功率整流系统抑制谐波的主要方法之一，其原理是将整流电路进行移相多重联结，使一个整流桥产生的谐波可以被其它整流桥抵消，从而达到抑制电流谐波、提高功率因数的目的。该技术具有谐波抑制效率高、电磁兼容性好以及可靠性高等优点，可以显著提高系统的电能质量。此外，与其它大功率整流技术相比，多脉波整流技术一般采用二极管整流桥作为整流器件，因而控制系统简单，实现难度低。
移相变压器是多脉波整流器的必需器件，其主要作用是产生几组存在合适相位差的三相电压对多个整流桥供电。根据输入侧与输出侧是否隔离，移相变压器可分为隔离变压器和自耦变压器。在输入与输出电压等级差别比较大的场合，从安全角度出发，通常采用隔离变压器。隔离变压器不仅容量大、成本高，且副边绕组的不同接法会引起各绕组匝数和漏抗不相等，导致三相输入电流不平衡。在输入与输出电压相差不大的场合，通常采用自耦变压器。自耦变压器的各绕组交互联结，由于磁耦合而需要转换的能量仅仅是输出功率的很小一部分，因而可成倍减小变压器的容量，同时其结构的对称性使三相输入电流对称性好，易于谐波抑制。现有绝大多数自耦变压器均采用双副边绕组结构，这会增加自耦变压器绕组结构的复杂性。
为降低自耦变压器绕组结构的复杂性，并使自耦变压器具有较小的体积和等效容量，本发明提供了一种基于单副边低容量角形联结自耦变压器的12脉波整流器。
发明内容
在大功率整流场合，为降低自耦变压器绕组结构的复杂性，降低变压器的体积和容量，本发明提供了一种基于单副边低容量角形联结自耦变压器的12脉波整流器。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于单副边低容量角形联结自耦变压器的12脉波整流器，包括：角形联结的自耦变压器、第一组三相整流桥、第二组三相整流桥、零序电流抑制器、平衡电抗器和负载；自耦变压器原边绕组输入端与三相交流电压u a、u b、u c相连，原边绕组采用角形联结，副边绕组的输入端交叉连接在相应的原边绕组上，且副边绕组的输出电压幅值与三相交流输入电压u a、u b、u c相等，相位超前三相交流输入电压30°；第一组三相整流桥的输入端与自耦变压器的副边绕组输出端相连，第二组三相整流桥的输入端与三相交流源直接相连，第一组三相整流桥和第二组三相整流桥能够独立并联工作，可以增大输出电流；零序电流抑制器的四个输入端m1、m2和m3、m4分别连接第一组三相整流桥的两个直流输出端和第二组三相整流桥的两个直流输出端；零序电流抑制器四个输出端n1、n2、n3、n4中的n2和n4连接于一个公共点上，零序电流抑制器起到抑制零序电流的作用，保证整流电路上的每个二极管都能导通120°；平衡电抗器P端与零序电流抑制器的输出端n1相连，Q端与零序电流抑制器的输出端n3相连，平衡电抗器可以吸收零序电流抑制器两端输出电压的瞬时差，从而形成12脉波整流，有效减小负载电压和电流的脉动，抑制输入电流谐波；负载一端与平衡电抗器的输出端R相连，另一端与零序电流抑制器的输出端n2和n4的公共点相连。
本发明所述的一种基于单副边低容量角形联结自耦变压器的12脉波整流器，它降低自耦变压器容量和体积的方法为：该基于单副边低容量角形联结自耦变压器的12脉波整流器采用角形联结的自耦变压器，自耦变压器各绕组交互联结，由于磁耦合而需要转换的能量仅仅是输出功率的很小一部分，因而可成倍减小变压器的容量；另外，由于第二组三相整流桥由交流电源直接供电而不经过自耦变压器，负载输出功率直接与交流源输入功率平衡，而不需经过变压器，更进一步减小了变压器的容量和体积；第一组三相整流桥和第二组三相整流桥两组三相整流桥在零序电流抑制器和平衡电抗器抑制零序电流、吸收瞬时电压差的作用下同时并联工作，电流加倍，变压器的利用效率进一步提高。
本发明所述的一种基于单副边低容量角形联结自耦变压器的12脉波整流器，它降低自耦变压器结构复杂性的方法为：
两组三相整流桥中的一组由交流电源直接供电而不经过自耦变压器，可以使自耦变压器仅存在一组副边绕组，可以降低自耦变压器的结构复杂性。
由于采用以上技术方案，本发明相比现有技术具有以下有益效果：（1）本发明在交流侧采用角形联结的自耦变压器，可以降低变压器的容量和体积，减小系统成本；（2）使用单副边自耦变压器可以降低自耦变压器的结构复杂性；（3）本发明采用两组三相整流桥并联连接组成整流系统，由于直接采用二极管作为整流器件，因而控制系统简单，实现难度低。
附图说明
图1为本发明的基于单副边低容量角形联结自耦变压器的12脉波整流器的电路结构示意图；图2为本发明所采用的单副边低容量角形联结自耦变压器的绕组结构图；图3为本发明所采用的单副边低容量角形联结自耦变压器的相量图；图1、图2、图3中i A、i B、i C为三相输入电流，i a、i b、i c为角形联结自耦变压器的输入线电流，i 1、i 2、i 3和i 11、i 22、i 33分别为流过角形联结自耦变压器原边绕组上下部分的输入电流，i a1、i b1、i c1为角形联结自耦变压器副边绕组的输出电流，也即第一组三相整流桥的输入电流，i a2、i b2、i c2为第二组三相整流桥的输入电流，i d1、i d2为平衡电抗器的两组输入电流，i d为负载电流，u a、u b、u c为三相电源电压，N 11、N 12、N 13、N 21、N 22、N 23分别为角形联结自耦变压器原边上、下绕组的匝数，N 31、N 32、N 33为角形联结自耦变压器副边绕组的匝数。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式所述的一种基于单副边低容量角形联结自耦变压器的12脉波整流器，它包括自耦变压器1、第一组三相整流桥2、第二组三相整流桥3、零序电流抑制器4、平衡电抗器5和负载6。
自耦变压器1原边绕组输入端与三相交流电压u a、u b、u c相连，原边绕组采用角形联结，副边绕组的输入端交叉连接在相应的原边绕组上，且副边绕组的输出电压幅值与三相交流输入电压u a、u b、u c相等，相位超前三相交流输入电压30°；第一组三相整流桥2的输入端与自耦变压器1的副边绕组输出端相连，第二组三相整流桥3的输入端与三相交流源直接相连，第一组三相整流桥2和第二组三相整流桥3独立并联工作，可以增大输出电流；零序电流抑制器4的四个输入端m1、m2和m3、m4分别连接第一组三相整流桥2的两个直流输出端和第二组三相整流桥3的两个直流输出端；零序电流抑制器4输出端n1、n2、n3、n4中的n2和n4连接于一个公共点上，零序电流抑制器4起到抑制零序电流的作用，保证整流电路上的每个二极管都能导通120°；平衡电抗器5 的P端与零序电流抑制器4的输出端n1相连，Q端与零序电流抑制器4的输出端n3相连，平衡电抗器5可以吸收零序电流抑制器4两端输出电压的瞬时差，从而形成12脉波整流，有效减小负载电压和电流的脉动，抑制输入电流谐波；负载6一端与平衡电抗器5的输出端R相连，另一端与零序电流抑制器4的输出端n2和n4的公共点相连。
具体实施方式二：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一的进一步限定，所述的一种基于单副边低容量角形联结自耦变压器的12脉波整流器，其降低变压器体积和容量的具体方法是：该基于单副边低容量角形联结自耦变压器的12脉波整流器采用角形联结自耦变压器1作为移相变压器，自耦变压器1各绕组交互联结，由于磁耦合而需要转换的能量仅仅是输出功率的很小一部分，因而可成倍减小变压器的容量，另外，由于第二组三相整流桥3由交流电源直接供电而不经过自耦变压器1，负载输出功率直接与交流源输入功率平衡，而不需经过变压器，更进一步减小了变压器的容量和体积；第一组三相整流桥2和第二组三相整流桥3两组三相整流桥在零序电流抑制器4和平衡电抗器5抑制零序电流、吸收瞬时电压差的作用下同时并联工作，电流加倍，变压器的利用效率进一步提高，适用于大功率的场合。
具体实施方式三：下面结合图1、图2和图3说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一的进一步限定，所述单副边低容量角形联结自耦变压器由芯柱（a）、芯柱（b）、芯柱（c）和绕组ab、绕组bc、绕组ca、绕组c'a1、绕组a'b1、绕组b'c1组成；绕组ab、绕组bc、绕组ca为自耦变压器1的原边输入绕组，采用角形联结，能够为3倍频谐波提供回路，其输入端分别与三相交流电压u a、u b、u c相连，绕组c'a1、绕组a'b1、绕组b'c1为自耦变压器1的副边输出绕组；绕组ab和绕组c'a1位于同一芯柱上，产生方向相反的磁势，绕组c'a1的输入端连接在绕组ca上点c'处，即自耦变压器c相电流i 3产生电流i 33和电流i a1；绕组bc和绕组a'b1位于同一芯柱上，产生方向相反的磁势，绕组a'b1的输入端连接在绕组ab上点a'处，即自耦变压器a相电流i 1产生电流i 11和电流i b1；绕组ca和绕组b'c1位于同一芯柱上，产生方向相反的磁势，绕组b'c1的输入端连接在绕组bc上点b'处，即自耦变压器b相电流i 2产生电流i 22和电流i c1。
本实施方式采用角形联结自耦变压器，由于磁耦合作用传递的能量仅仅是输出功率的很小的一部分，因而可成倍减小变压器的容量；该角形联结自耦变压器仅使用绕组c'a1、绕组a'b1、绕组b'c1组成一组输出副边绕组，变压器绕组结构简单。
具体实施方式四：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一的进一步限定，所述零序电流抑制器4的四个输入端m1、m2和m3、m4分别连接在第一组三相整流桥2的两个直流输出端和第二组三相整流桥3的两个直流输出端，零序电流抑制器4的输出端n1、n2、n3、n4中的n2和n4连接于一个公共点上，零序电流抑制器4起到抑制零序电流的作用，保证整流电路上的每个二极管都能导通120°。
具体实施方式五：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一的进一步限定，所述平衡电抗器5 的P端与零序电流抑制器4的输出端n1相连，Q端与零序电流抑制器4的输出端n3相连，平衡电抗器5可以吸收零序电流抑制器4两端输出电压的瞬时差，从而形成12脉波整流，有效减小负载电压和电流的脉动，抑制输入电流谐波，提高整流系统的电能质量。

Claims (6)

1.一种基于单副边低容量角形联结自耦变压器的12脉波整流器，其特征在于，它包括：自耦变压器（1）、第一组三相整流桥（2）、第二组三相整流桥（3）、零序电流抑制器（4）、平衡电抗器（5）、负载（6），
自耦变压器（1）原边绕组输入端与三相交流电压u a 、u b 、u c相连，原边绕组采用角形联结，副边绕组的输入端交叉连接在相应的原边绕组上，且副边绕组的输出电压幅值与三相交流输入电压u a 、u b 、u c相等，相位超前三相交流输入电压30°，
第一组三相整流桥（2）的输入端与自耦变压器（1）的副边绕组输出端相连，第二组三相整流桥（3）的输入端与三相交流源直接相连，第一组三相整流桥（2）和第二组三相整流桥（3）独立并联工作，可以增大输出电流，
零序电流抑制器（4）的四个输入端m1、m2和m3、m4分别连接第一组三相整流桥（2）的两个直流输出端和第二组三相整流桥（3）的两个直流输出端，零序电流抑制器（4）的输出端n1、n2、n3、n4中的n2和n4连接于一个公共点上，零序电流抑制器（4）起到抑制零序电流的作用，保证整流电路上的每个二极管都能导通120°，
平衡电抗器（5）的P端与零序电流抑制器（4）的输出端n1相连，Q端与零序电流抑制器（4）的输出端n3相连，平衡电抗器（5）可以吸收零序电流抑制器（4）两端输出电压的瞬时差，从而形成12脉波整流，有效减小负载电压和电流的脉动，抑制输入电流谐波，
负载（6）一端与平衡电抗器（5）的输出端R相连，另一端与零序电流抑制器（4）的输出端n2和n4的公共点相连。
2.根据权利要求1所述的基于单副边低容量角形联结自耦变压器的12脉波整流器，其特征在于：自耦变压器（1）由芯柱（a）、芯柱（b）、芯柱（c）和绕组ab、绕组bc、绕组ca、绕组c'a1、绕组a'b1、绕组b'c1组成，
绕组ab、绕组bc、绕组ca为自耦变压器（1）的原边输入绕组，采用角形联结，能够为3倍频谐波提供回路，其输入端分别与三相交流电压u a 、u b 、u c相连，绕组c'a1、绕组a'b1、绕组b'c1为自耦变压器（1）的副边输出绕组，
绕组ab和绕组c'a1位于同一芯柱上，产生方向相反的磁势，绕组c'a1的输入端连接在绕组ca上点c'处，即自耦变压器c相电流i 3产生电流i 33和电流i a1，
绕组bc和绕组a'b1位于同一芯柱上，产生方向相反的磁势，绕组a'b1的输入端连接在绕组ab上点a'处，即自耦变压器a相电流i 1产生电流i 11和电流i b1，
绕组ca和绕组b'c1位于同一芯柱上，产生方向相反的磁势，绕组b'c1的输入端连接在绕组bc上点b'处，即自耦变压器b相电流i 2产生电流i 22和电流i c1。
3. 根据权利要求1所述的基于单副边低容量角形联结自耦变压器的12脉波整流器，其特征在于：第一组三相整流桥（2）、第二组三相整流桥（3）均采用二极管作为整流器件，因而控制系统简单，实现难度低；第一组三相整流桥（2）和第二组三相整流桥（3）通过零序电流抑制器（4）和平衡电抗器（5）实现独立并联工作，可以增大输出电流；两组三相整流桥产生的特定次谐波可以相互抵消，在一定程度上可以起到抑制电流谐波、提高功率因数的作用。
4. 根据权利要求1所述的基于单副边低容量角形联结自耦变压器的12脉波整流器，其特征在于：零序电流抑制器（4）的输入端连接第一组三相整流桥（2）和第二组三相整流桥（3）两组整流电路的直流输出端，可以起到抑制零序电流的作用，保证整流电路上的每个二极管都能导通120°，平衡电抗器（5）的两个输入端连接在零序电流抑制器（4）的两个输出端，用于吸收零序电流抑制器（4）两端输出电压的瞬时差，从而形成12脉波整流，减小负载电流的波动，抑制输入电流谐波。
5. 根据权利要求1所述的基于单副边低容量角形联结自耦变压器的12脉波整流器，其特征在于，它降低变压器容量和体积的方法为：
该基于单副边低容量角形联结自耦变压器的12脉波整流器采用角形联结的自耦变压器（1），自耦变压器（1）各绕组交互联结，由于磁耦合而需要转换的能量仅仅是输出功率的很小一部分，因而可成倍减小变压器的容量，另外，由于第二组三相整流桥（3）由交流电源直接供电而不经过自耦变压器（1），负载输出功率直接与交流源输入功率平衡，而不需经过变压器，更进一步减小了变压器的容量和体积；第一组三相整流桥（2）和第二组三相整流桥（3）两组三相整流桥在零序电流抑制器（4）和平衡电抗器（5）抑制零序电流、吸收瞬时电压差的作用下同时并联工作，电流加倍，变压器的利用效率进一步提高，适用于大功率的场合。
6. 根据权利要求1所述的基于单副边低容量角形联结自耦变压器的12脉波整流器，其特征在于，它降低自耦变压器结构复杂性的方法为：
该单副边低容量角形联结自耦变压器仅存在一组输出副边绕组，仅第一组三相整流桥（2）由输出副边绕组供电，第二组三相整流桥（3）由交流电源直接供电而不经过自耦变压器（1），这会显著降低自耦变压器结构复杂性。
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