CN110138244A - 直流侧无源谐波抑制技术的48脉变压整流器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种直流侧无源谐波抑制技术的48脉变压整流器，属于电能变换技术领域。本发明包括12脉ATRU，零序阻抗变压器(ZSBT)，均流变压器；前端12脉ATRU两个整流桥的输出端通过ZSBT连接到均流变压器的原边绕组和负载的负端；均流变压器原边绕组具有两个中间抽头，通过两个大功率二极管(D1和D2)连接到其副边绕组中间抽头，该副边绕组通过两个开关管连接到负载正端；优化控制均流变压器副边开关管(Q1和Q2)通断时序，构成四种工作模态，并合理设计均流变压器绕组匝数比，使得负载电压由48个相位差7.5°的电压矢量合成，形成48脉直流输出，本发明结构相对简单，输入电流谐波含量低。

Description

直流侧无源谐波抑制技术的48脉变压整流器
技术领域
本发明属于电能变换技术领域，特别涉及了直流侧无源谐波抑制技术的48脉变压整流 器。
背景技术
目前多采用多脉波变压整流技术对电源系统中的谐波和纹波含量进行抑制，以此来保证 飞机电源系统电能质量，提高机载电源系统的可靠性。航空变压整流器按脉波数可以分为12 脉波、18脉波、24脉波等，脉波数越多，则输入电流的谐波畸变率越小。现有的12脉波变 压整流器，其输入电流谐波含量达(THD)15.7％，难以满足航空标准要求。可以通过增加移 相变压器的输出相数来增加变压整流器的脉波数。但是，随着输出相数的增加，移相变压器 的结构越来越复杂，线圈的利用率低，设计制造困难。而且移相变压器的输出相数越多，需 要的更多三相整流桥及均流变压器就越多，系统体积和损耗增大。
发明内容
发明的目的是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直流侧无源 谐波抑制技术的48脉变压整流器，输入电流谐波含量低，结构相对简单。
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：
直流侧无源谐波抑制技术的48脉变压整流器，包括12脉ATRU，零序阻抗变压器(ZSBT)，均流变压器；前端12脉ATRU两个整流桥的输出端通过ZSBT连接到均流变压器 的原边绕组和负载的负端；均流变压器原边绕组具有两个中间抽头，通过两个大功率二极管(D1和D2)连接到其副边绕组中间抽头，该副边绕组通过两个开关管连接到负载正端。
进一步地，直流侧无源谐波抑制技术的48脉变压整流器，均流变压器绕组之间的匝数必 须满足一定的匝比关系；均流变压器原边绕组总匝数为Np，原边的两个抽头将原边绕组分成 三部分，匝数分别为Np1、Np2、Np3；副边绕组总匝数为Ns，副边中间抽头将副边绕组分成两 部分，匝数分别为Ns1、Ns2；定义均流变压器原边绕组抽头比为α，原副边变比为β。则均流 变压器抽头比α及原副边变比β为：
均流变压器原边的两个功率二极管交替导通，得到24个电压矢量，每个矢量长度相等。 进一步地通过控制副边开关管(Q1和Q2)的通断，均流变压器形成四种工作模态，得到48 个电压矢量，每个电压矢量相差7.5°，输出含有48个脉动的直流电压。负载电压ud为：
进一步地，由输出电压矢量图分析可得：均流变压器抽头比α＝0.2533，及原副边变比β ＝0.0644。即绕组之间的匝比关系为：绕组之间的匝比关系为：Np∶Np1＝1∶0.2533；Np∶Np2＝ 1∶0.4935；Np∶Np3＝1∶0.2533；Np∶Ns1＝1∶0.0644；Np∶Ns2＝1∶0.0644。
进一步地，直流侧无源谐波抑制技术的48脉变压整流器，当变压整流器输出48脉波时， 均流变压器副边的开关管的驱动信号必须与输入电压信号同相位，其周期是输入电压信号周 期的六分之一；在一个周期内开关管Q1的驱动信号用数字信号表示为[1 0 0 10 1 1 0]；开 关管Q2的驱动信号与开关管Q1的驱动信号相位相反。
采用上述技术方案带来的有益效果：
与现有的采用直流侧无源谐波抑制方法的48脉变压整流器相比，本发明结构相对简单， 系统体积小，直流侧仅需要4个开关管，保持了自耦变压器整流器体积小重量轻的优势；均 流变压器原边绕组具有两个中间抽头，副边绕组具有一个中间抽头，均流变压器绕制简单； 本发明通过优化控制半桥开关管通断时序，构成四种工作模态，并合理设计均流变压器绕组 匝数比，使得负载电压由48个相位差7.5°的电压矢量合成，形成48脉直流输出，总谐波含 量小于5％，满足谐波标准要求。
附图说明
图1为本发明的系统总体结构示意图
图2为本发明的差接三角形12脉波自耦变压器绕组电压矢量图
图3为本发明的两组三相整流桥输出电压矢量图
图4为本发明的均流变压器工作模式一示意图
图5为本发明在工作模式一时均流变压器电压矢量合成图
图6为本发明的均流变压器工作模式二示意图
图7为本发明在工作模式二时均流变压器电压矢量合成图
图8为本发明的均流变压器工作模式三示意图
图9为本发明在工作模式三时均流变压器电压矢量合成图
图10为本发明的均流变压器工作模式四示意图
图11为本发明在工作模式四时均流变压器电压矢量合成图
图12为本发明的系统输出电压ud仿真波形图
图13为本发明的A相输入电流ia仿真波形图
图14为本发明的A相输入电流ia频谱分析图
标号说明：ua、ub、uc——网侧三相输入电压，ia、ib、ic——网侧三相输入电流，a、b、c、a1、b1、c1、a2、b2、c2——电压引出端，Np、Ns、——均流变压器原副边绕组匝数，Np1、 Np2、Np3——均流变压器原边三段绕组匝数，α——均流变压器原边绕组抽头比，α＝Np1∶Np＝ Np3∶Np，ud1、ud2——三相整流桥输出电压，ud——变压整流器输出电压。
具体实施方式
下面结合附图对本发明技术方案进行详细说明。
如图1所示，直流侧无源谐波抑制技术的48脉变压整流器，包括12脉波ATRU，零序阻抗变压器(ZSBT)，均流变压器。前端12脉ATRU两个整流桥的输出端通过ZSBT连接到 均流变压器的原边绕组和负载的负端；均流变压器原边绕组具有两个中间抽头，通过两个大 功率二极管(D1和D2)连接到其副边绕组中间抽头，该副边绕组通过两个开关管连接到负载 正端。本发明的均流变压器原边为双抽头绕组，与双抽头平衡电抗器结构一致，原边绕组产生24个长度相等的电压矢量。本发明要产生48脉波，则必须在均流变压器副边绕组产生一个电压矢量，与均流变压器原边绕组输出的24个电压矢量分别进行矢量相加或矢量相减，矢 量相加或矢量相减由均流变压器副边开关管进行控制。
如图3所示，根据ud1、ud2的电压矢量，在一个周期内将均流变压器的工作时区分成12 个部分。当均流变压器工作于第1部分时，均流变压器有四种工作模态。当均流变压器处于 工作模态一时，如图4所示，ud1＞ud2，D1和Q1导通，均流变压器电压矢量图如图5所示。 当均流变压器处于工作模态二时，如图6所示，ud1＞ud2，D1和Q2导通，均流变压器电压矢 量图如图7所示。当均流变压器处于工作模态三时，如图8所示，ud1＜ud2，D2和Q1导通， 均流变压器电压矢量图如图9所示。当均流变压器处于工作模态四时，如图10所示，ud1＜ud2， D2和Q2导通，均流变压器电压矢量图如图11所示。其他部分工作模态与第一部分相同。
由图5的电压矢量图，进行几何分析可得：均流变压器抽头比α＝0.2533，及原副边变比 β＝0.0644。即绕组之间的匝比关系为：绕组之间的匝比关系为：Np∶Np1＝1∶0.2533；Np∶Np2＝1∶0.4935；Np∶Np3＝1∶0.2533；Np∶Ns1＝1∶0.0644；Np∶Ns2＝1∶0.0644。
如图4～11的所示，当变压整流器输出48脉波时，均流变压器副边开关管的驱动信号必 须与输入电压信号同相位，其周期是输入电压信号周期的六分之一；在一个周期内开关管Q1的驱动信号用数字信号表示为[1 0 0 1 0 1 1 0]；开关管Q2的驱动信号与开关管Q1的驱动信 号相位相反。
为验证本发明的有效性，在Matlab/Simulink中搭建模型进行仿真实验，系统输入为 115V/400Hz三相交流电，负载为10Ω纯电阻，自耦变压器电压变比为1，即自耦变压器输入 相电压有效值与输出相电压有效值相等。变压整流器输出电压ud仿真波形图如图12所示， 有效值为270.5V，无需进行再次变压就可直接作为航空高压直流电源，验证了理论的正确性。。 A相输入电流ia仿真波形图如图13所示，输入电流为48阶梯波，具有良好的正弦性。A相 输入电流ia频谱分析图如图14所示，主要谐波为47、49次谐波，总谐波含量低，仅为4.69％， 满足航空领域输入电流谐波标准。
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 (4)

1.直流侧无源谐波抑制技术的48脉变压整流器，其特征在于：包括12脉ATRU，零序阻抗变压器(ZSBT)，均流变压器；前端12脉ATRU两个整流桥的输出端通过ZSBT连接到均流变压器的原边绕组和负载的负端；均流变压器原边绕组具有两个中间抽头，通过两个大功率二极管(D1和D2)连接到其副边绕组中间抽头，该副边绕组通过两个开关管连接到负载正端。
2.根据权利要求1所述的直流侧无源谐波抑制技术的48脉变压整流器，其特征在于：均流变压器绕组之间的匝数必须满足一定的关系；均流变压器原边绕组总匝数为Np，原边的两个抽头将原边绕组分成三部分，匝数分别为Np1、Np2、Np3；副边绕组总匝数为Ns，副边中间抽头将副边绕组分成两部分，匝数分别为Ns1、Ns2；绕组之间的匝比关系为：Np∶Np1＝1∶0.2533；Np∶Np2＝1∶0.4935；Np∶Np3＝1∶0.2533；Np∶Ns1＝1∶0.0644；Np∶Ns2＝1∶0.0644。
3.根据权力要求一所述的直流侧无源谐波抑制技术的48脉变压整流器，其特征在于：当变压整流器输出48脉波时，均流变压器副边开关管的驱动信号必须与输入电压信号同相位，其周期是输入电压信号周期的六分之一；在一个周期内开关管Q1的驱动信号用数字信号表示为[1 0 0 1 0 1 1 0]；开关管Q2的驱动信号与开关管Q1的驱动信号相位相反。
4.一种适用于权利要求1的直流侧无源谐波抑制技术的变压整流器48脉波实现方法，其特征在于：均流变压器原边的两个大功率二极管交替导通，得到24个电压矢量，每个矢量长度相等，再通过合理控制均流变压器副边开关管(Q1和Q2)的通断时序，均流变压器构成四种工作模态，使得负载电压由48个相位差7.5°的电压矢量合成，形成48脉直流输出。输出电压表达式如式(1)所示；
式中，ud为变压整流器输出电压，α为均流变压器原边绕组抽头比，β为均流变压器原副边匝比，ud1、ud2为两组整流桥输出电压。
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