CN108649815A - 采用直流侧双无源谐波抑制方法的36脉波整流器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种采用直流侧双无源谐波抑制方法的36脉波整流器，属于电力电子技术领域。本发明36脉波整流器由基于星形联结自耦变压器的12脉波整流器改造而成，采用抽头变换和副边单相整流桥变换相结合的方式，使负载电压为36脉波、整流器输入电流为36阶梯波。带副边的抽头变换器的原边抽头二极管和副边绕组所连接的单相整流桥在每个负载电压周期内存在的四种工作模态，通过分析这四种模态，可以计算整流器输入电流与三相整流桥输出电流、抽头变换器匝比之间的关系式，进而得到整流器输入电流的总谐波畸变率与抽头变换器匝比之间的关系，当总谐波畸变率最小时，负载电压为36脉波，整流器输入电流变为36阶梯波。

Description

采用直流侧双无源谐波抑制方法的36脉波整流器
技术领域
本发明涉及采用直流侧双无源谐波抑制方法的36脉波整流器，属于电力电子技术领域。
背景技术
随着电力电子技术的发展，特别是功率半导体器件以及控制技术的飞速发展，电力电子装置越来越多地应用于工业现场，在节约能源、提高生产效率等方面起着重要作用，成为实现生产自动化的重要保证。整流器是应用最为广泛的电力电子装置，整流器件的强非线性使其成为主要的谐波源之一。因此，如何有效抑制整流器件产生的谐波、降低系统总谐波畸变率，成为电力电子应用技术的一个重要研究课题。
在众多谐波抑制方法中，多脉波整流技术是最为常用且有效的方法之一。多脉波整流电路指的是将两个或多个三相桥式整流电路进行移相多重连接，使直流侧输出电压脉波数多于6个的整流电路，该电路在降低输出电压纹波的同时能够抑制输入电流谐波。
在多脉波整流器中，随着脉波数的增多，负载电压纹波系数越来越小，输入电流谐波含量越来越小。因此，尽可能多的增加负载电压脉波数是多脉波整流器的主要设计目标之一。
发明内容
本发明的目的是为了增加多脉波整流器的脉波数，降低负载电压纹波系数，减小输入电流中的谐波含量的问题，进而提供采用直流侧双无源谐波抑制方法的36脉波整流器。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
采用直流侧双无源谐波抑制方法的36脉波整流器，所述采用直流侧双无源谐波抑制方法的36脉波整流器包括包括星形联结自耦变压器、第一组三相整流桥、第二组三相整流桥、零序电流抑制器、带有副边的抽头变换器、单相整流桥和负载，星形联结自耦变压器的原边绕组采用星形联结，星形联结自耦变压器的输入端与三相交流电压ua、ub、uc相连，星形联结自耦变压器的两组副边绕组输出两组存在π/6相位差的三相电压；第一组三相整流桥和第二组三相整流桥的输入端分别与星形联结自耦变压器的两组副边绕组的输出端相连，第一组三相整流桥和第二组三相整流桥独立并联工作；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，零序电流抑制器的输出端n2和n4接于负载的负端；带副边的抽头变换器的原边绕组R端与零序电流抑制器的输出端n1相连，带副边的抽头变换器的原边绕组S端与零序电流抑制器的输出端n3相连，带副边的抽头变换器的两个二极管Dp和Dq共阴极连接，该阴极接于负载的正端；单相整流桥的输入端连接带副边的抽头变换器的副边绕组输出端，单相整流桥的输出端接在负载的两端。
本发明采用直流侧双无源谐波抑制方法的36脉波整流器，所述双无源是指带有副边的抽头变换器所连接的共阴极二极管Dp和Dq以及单相整流桥中的二极管VD1、VD2、VD3、VD4均为无源器件。
本发明采用直流侧双无源谐波抑制方法的36脉波整流器，所述采用直流侧双无源谐波抑制方法的36脉波整流器中，带有副边的抽头变换器的原边绕组抽头点P或Q到绕组中点A之间的匝数与原边绕组总匝数之比am等于0.16，副边绕组的匝数Ns与原边绕组的匝数Np之比m等于10.74。
本发明采用直流侧双无源谐波抑制方法的36脉波整流器，所述星形联结自耦变压器为能够输出两组存在π/6相位差的三相电压的移相变压器。
本发明采用直流侧双无源谐波抑制方法的36脉波整流器采用双无源谐波抑制的方法，所有谐波抑制器件都是无源器件，无需控制电路，设计方法简单，易于实现；在基于星形连接自耦变压器的12脉波整流器的基础上构造的，相比基于18脉波整流器构造的36脉波整流器来说，所用器件少，电路中的磁性器件(如：变压器、零序电流抑制器、抽头变换器)的结构简单，容量较低，制作容易且成本低；本发明所提出的直流侧双无源谐波抑制方法可移植性强，可应用于其他12脉波整流器中；本发明所提出的基于直流侧双无源谐波抑制方法的36脉波整流器，通过增加负载电压的脉波数，使负载电压纹波系数减小，整流器输入电流阶梯数增多，更趋于正弦波。
附图说明
图1为本发明采用直流侧双无源谐波抑制方法的36脉波整流器的电路结构示意图。
图2为本发明中带副边的抽头变换器的绕组结构图。
图3为双无源谐波抑制方法的工作模态I的示意图。
图4为双无源谐波抑制方法的工作模态II的示意图。
图5为双无源谐波抑制方法的工作模态III的示意图。
图6为双无源谐波抑制方法的工作模态IV的示意图。
图1至图6中ia、ib、ic为三相输入电流，ia1、ib1、ic1和ia2、ib2、ic2为星形联结自耦变压器两组副边绕组的输出电流，也即第一组三相整流桥和第二组三相整流桥的输入电流，id1、id2为带副边的抽头变换器原边绕组的输入电流，is为单相整流桥的输出电流，im为带副边的抽头变换器两抽头二极管工作产生的环流，id为负载电流，ua、ub、uc为三相电源电压，ud1、ud2分别为第一组三相整流桥和第二组三相整流桥的输出电压，up、us分别为带副边的抽头变换器原边绕组和副边绕组的端电压，ud为负载电压，Np、Ns分别为带有副边的抽头变换器原边和副边绕组的匝数，am为带有副边的抽头变换器原边P或Q到中点A之间的绕组匝数与原边绕组总匝数Np的比值，m为副边绕组和原边绕组的匝比，Dp、Dq分别为带副边的抽头变换器的两个二极管，VD1、VD2、VD3、VD4分别为单相整流桥的四个二极管。
图中的附图标记，1为星形联结自耦变压器；2为第一组三相整流桥；3为第二组三相整流桥；4为零序电流抑制器；5为带有副边的抽头变换器；6为单相整流桥；7为负载。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述实施例。
实施例一：如图1所示，本实施例所涉及的一种采用直流侧双无源谐波抑制方法的36脉波整流器，包括星形联结自耦变压器、第一组三相整流桥、第二组三相整流桥、零序电流抑制器、带有副边的抽头变换器、单相整流桥和负载，星形联结自耦变压器的原边绕组采用星形联结，星形联结自耦变压器的输入端与三相交流电压ua、ub、uc相连，星形联结自耦变压器的两组副边绕组输出两组存在π/6相位差的三相电压；第一组三相整流桥和第二组三相整流桥的输入端分别与星形联结自耦变压器的两组副边绕组的输出端相连，第一组三相整流桥和第二组三相整流桥独立并联工作；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，零序电流抑制器的输出端n2和n4接于负载的负端；带副边的抽头变换器的原边绕组R端与零序电流抑制器的输出端n1相连，带副边的抽头变换器的原边绕组S端与零序电流抑制器的输出端n3相连，带副边的抽头变换器的两个二极管Dp和Dq共阴极连接，该阴极接于负载的正端；单相整流桥的输入端连接带副边的抽头变换器的副边绕组输出端，单相整流桥的输出端接在负载的两端。
零序电流抑制器起到抑制零序电流的作用；带副边的抽头变换器吸收两组三相整流桥的输出电压瞬时差，保证两组整流桥能够独立工作，同时产生环流，抵消多脉波整流系统的高次谐波。
实施例二：如图1所示，本实施例所涉及的采用直流侧双无源谐波抑制方法的36脉波整流器，所述双无源是指带有副边的抽头变换器所连接的共阴极二极管Dp和Dq以及单相整流桥中的二极管VD1、VD2、VD3、VD4均为无源器件。
实施例三：如图1和图2所示，本实施例所涉及的采用直流侧双无源谐波抑制方法的36脉波整流器，所述采用直流侧双无源谐波抑制方法的36脉波整流器中，带有副边的抽头变换器的原边绕组抽头点P或Q到绕组中点A之间的匝数与原边绕组总匝数之比am等于0.16，副边绕组的匝数Ns与原边绕组的匝数Np之比m等于10.74。
当带副边的抽头变换器的原边绕组抽头点P或Q到绕组中点A之间的匝数与原边绕组总匝数之比为0.16、带有副边的抽头变换器的副边绕组与原边绕组的匝数之比为10.74时，负载电压在每个电源周期内含有36个等宽的波头，整流器输入电流为等宽36阶梯波。
实施例四：如图1和图2所示，本实施例所涉及的采用直流侧双无源谐波抑制方法的36脉波整流器，在一个负载电压周期内，带副边的抽头变换器的二极管及副边连接的单相整流桥一共具有4种工作模态，如下：
工作模态I：结合图3进行说明，当ωt∈[0,π/18]和ωt∈[π/9,π/6]时，两组三相整流桥的输出电压ud1<ud2，抽头二极管Dq导通，产生的环流im＝amId，此时带有副边的抽头变换器的副边绕组端电压us小于负载电压ud，单相整流桥的四个二极管都不导通，即副边整流电路不工作，输出电流is等于0，这时带有副边的抽头变换器的输入电流id1、id2满足：
工作模态II：结合图4进行说明，当ωt∈[π/18,π/9]时，两组三相整流桥的输出电压ud1<ud2，抽头二极管Dq导通，此时带有副边的抽头变换器的副边绕组端电压-us大于负载电压ud，单相整流桥二极管VD2和VD3导通，VD1和VD4不导通，这时副边整流电路输出的电流is满足：
由于负载电压ud大于第一组整流桥的输出电压ud1，id1等于0，此时环流im＝-mis，即im+mis＝0，这时带有副边的抽头变换器的输入电流id1、id2满足：
工作模态III：结合图5进行说明，当ωt∈[π/6,2π/9]或ωt∈[5π/18,π/3]时，两组三相整流桥的输出电压ud1>ud2，抽头二极管Dp导通，产生的环流im＝amId，此时带有副边的抽头变换器的副边绕组端电压us小于负载电压ud，单相整流桥的四个二极管都不导通，即副边整流电路不工作，输出电流is等于0，这时带有副边的抽头变换器的输入电流id1、id2满足：
工作模态IV：结合图6进行说明，当ωt∈[2π/9,5π/18]时，两组三相整流桥的输出电压ud1>ud2，抽头二极管Dp导通，此时带有副边的抽头变换器的副边绕组端电压us大于负载电压ud，单相整流桥二极管VD1和VD4导通，VD2和VD3不导通，这时副边整流电路输出的电流为is满足：
由于负载电压ud大于第二组整流桥的输出电压ud2，id2等于0，此时环流im＝-mis，即im+mis＝0，这时带有副边的抽头变换器5的输入电流id1、id2满足：
实施例五：如图1-6所示，本实施例所涉及的一种采用直流侧双无源谐波抑制方法的36脉波整流器，所述的直流侧采用双无源谐波抑制方法的36脉波整流器，带有副边的抽头变换器的设计方法为：
假设带副边的抽头变换器的原边绕组抽头点P或Q到绕组中点A之间的匝数与原边绕组总匝数之比为am，带副边的抽头变换器的副边绕组与原边绕组的匝数之比为m；对于12脉波整流器而言，负载电压周期为π/3，在一个负载电压周期内，带副边的抽头变换器的二极管Dp和Dq及副边连接的单相整流桥共有4种工作模态，分为6个区间：
①当ωt∈[0,π/18]时，Dq导通、单相整流桥不工作，
②当ωt∈[π/18,π/9]时，Dq导通、单相整流桥中二极管VD2和VD3导通，
③当ωt∈[π/9,π/6]，Dq导通、单相整流桥不工作，
④当ωt∈[π/6,2π/9]，Dp导通、单相整流桥不工作，
⑤当ωt∈[2π/9,5π/18]，Dp导通、单相整流桥中二极管VD1和VD4导通，
⑥当ωt∈[5π/18,π/3]，Dp导通、单相整流桥不工作；
在上述六个区间内计算抽头变换器的输入电流id1和id2，然后根据三相整流桥的整流原理、安匝平衡原理和基尔霍夫电流定律，计算整流器输入电流ia、ib、ic与am、m以及id1和id2的关系表达式，根据该表达式计算整流器输入电流ia、ib、ic的总谐波畸变率，可以得到总谐波畸变率取最小时的am和m的值，解得am等于0.16、m等于10.74时，总谐波畸变率最小为5.09％，此时负载电压为36脉波，整流器输入电流ia、ib、ic为36阶梯波，更趋近于正弦波，输入电流谐波得到有效抑制。
实施例六：如图1所示，本实施例所涉及的一种采用直流侧双无源谐波抑制方法的36脉波整流器，所述星形联结自耦变压器为能够输出两组存在π/6相位差的三相电压的移相变压器。
直流侧双无源谐波抑制方法具有较强的可移植性，图1中的星形联结自耦变压器可以替换为其他类型的移相变压器，只要该移相变压器能够输出两组存在π/6相位差的三相电压即可。
该36脉波整流器由基于星形联结自耦变压器的12脉波整流器改造而成，采用抽头变换和副边单相整流桥变换相结合的方式，使负载电压为36脉波、整流器输入电流为36阶梯波。带副边的抽头变换器的原边抽头二极管和副边绕组所连接的单相整流桥在每个负载电压周期内存在的四种工作模态，通过分析这四种模态，可以计算整流器输入电流与三相整流桥输出电流、抽头变换器匝比之间的关系式，进而得到整流器输入电流的总谐波畸变率与抽头变换器匝比之间的关系，由此确定总谐波畸变率最小时的抽头变换器匝比。总谐波畸变率最小时，负载电压为36脉波，整流器输入电流变为36阶梯波。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (4)

1.采用直流侧双无源谐波抑制方法的36脉波整流器，其特征在于，所述采用直流侧双无源谐波抑制方法的36脉波整流器包括星形联结自耦变压器(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)、带有副边的抽头变换器(5)、单相整流桥(6)和负载(7)，星形联结自耦变压器(1)的原边绕组采用星形联结，星形联结自耦变压器(1)的输入端与三相交流电压ua、ub、uc相连，星形联结自耦变压器(1)的两组副边绕组输出两组存在π/6相位差的三相电压；第一组三相整流桥(2)和第二组三相整流桥(3)的输入端分别与星形联结自耦变压器(1)的两组副边绕组的输出端相连，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；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n2和n4接于负载(7)的负端；带副边的抽头变换器(5)的原边绕组R端与零序电流抑制器(4)的输出端n1相连，带副边的抽头变换器(5)的原边绕组S端与零序电流抑制器(4)的输出端n3相连，带副边的抽头变换器(5)的两个二极管Dp和Dq共阴极连接，该阴极接于负载(7)的正端；单相整流桥(6)的输入端连接带副边的抽头变换器(5)的副边绕组输出端，单相整流桥(6)的输出端接在负载(7)的两端。
2.根据权利要求1所述的采用直流侧双无源谐波抑制方法的36脉波整流器，其特征在于，所述双无源是指带有副边的抽头变换器(5)所连接的共阴极二极管Dp和Dq以及单相整流桥(6)中的二极管VD1、VD2、VD3、VD4均为无源器件。
3.根据权利要求1所述的采用直流侧双无源谐波抑制方法的36脉波整流器，其特征在于，所述采用直流侧双无源谐波抑制方法的36脉波整流器中，带有副边的抽头变换器(5)的原边绕组抽头点P或Q到绕组中点A之间的匝数与原边绕组总匝数之比am等于0.16，副边绕组的匝数Ns与原边绕组的匝数Np之比m等于10.74。
4.根据权利要求1所述的采用直流侧双无源谐波抑制方法的36脉波整流器，其特征在于，所述星形联结自耦变压器(1)为能够输出两组存在π/6相位差的三相电压的移相变压器。
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