CN111786580B - 一种使用直流侧电压谐波注入法的串联型40脉波整流器 - Google Patents

一种使用直流侧电压谐波注入法的串联型40脉波整流器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种使用直流侧无源电压谐波注入法的串联型40脉波整流器，属于电力电子技术领域。本发明中，隔离变压器用于产生两组相位差为18°的五相电压，为两组五相整流电路供电；在一个电源周期内，两组五相整流电路共有20种运行模态，每个二极管导通72°，谐波注入电路在每个电源周期内存在两种运行模态，两种模态的交替运行在注入变压器原边产生一个10倍电网电压频率的方波电压，此电压方波将增加整流器输入电压的阶梯数，从而达到抑制输入电压谐波的目的。本发明能够显著提高整流器的谐波抑制能力，兼顾整流器的交、直流侧电能质量；仅使用无源器件，无需添加额外的控制电路，结构简单、易于实现，谐波抑制代价较低。

Description

一种使用直流侧电压谐波注入法的串联型40脉波整流器
技术领域
本发明涉及一种使用直流侧电压谐波注入法的串联型40脉波整流器，属于电力电子技术领域。
背景技术
在电力电子装置中，整流器是交流电网与直流侧用电设备的常用接口，其中，不控型多脉波整流器具有结构简单、易于实现、可靠性高、过载能力强等优点，已得到较为广泛的应用。然而，整流器件的强非线性，使常规的多脉波整流器仍存在一定程度的谐波污染问题，谐波将对电网和用电设备产生严重危害。如何提高整流器的谐波抑制能力，已成为当今电力电子技术领域的重要研究课题之一。
通常情况下，整流器的谐波抑制能力将随脉波数的增加而提升，提高整流器脉波数的方法主要有两种，一种是增加移相变压器的输出相数，另一种是使用直流侧无源或有源谐波抑制方法；当仅使用前一种方法时，将会导致移相变压器体积较大、绕组结构过于复杂；当仅使用直流侧谐波抑制方法时，将会造成整流器谐波抑制能力有限或控制电路设计复杂、可靠性降低等缺点。本发明在适当增加移相变压器输出相数的基础上，添加一个直流侧无源电压谐波抑制电路，即可构造串联型40脉波整流器。与常规的基于三相整流桥的主电路拓扑相比，本发明所用隔离变压器的等效容量、设计过程和绕组结构的复杂度并未明显增加；此外，本发明所用谐波抑制电路中的整流器件均为无源器件，无需额外的控制电路，谐波抑制代价较低且系统可靠性较高。
发明内容
本发明的目的是提高大功率整流器的谐波抑制能力和其交、直流侧电能质量，进而提出一种使用直流侧电压谐波注入法的串联型40脉波整流器。
本发明的技术方案是：
本发明一种使用直流侧电压谐波注入法的串联型40脉波整流器，所述使用直流侧电压谐波注入法的串联型40脉波整流器包括：输入电感、隔离变压器、第一组五相桥式整流电路、第二组五相桥式整流电路、输出电容、负载、谐波注入变压器和单相全波整流电路；输入电感由三个电感值相等的电感Ls组成，其左侧分别与三相交流电压源usa、usb和usc串联连接，其右侧分别与隔离变压器的三个原边绕组相连；隔离变压器的两组五相输出分别与第一组五相桥式整流电路的输入端和第二组五相桥式整流电路的输入端相连；第一组五相桥式整流电路与第二组五相桥式整流电路串联连接，并与输出电容和负载并联连接；输出电容由两个电容值相等的大电容C1、C2串联组成，并与负载并联连接；谐波注入变压器的原边连接在第一组五相桥式整流电路与第二组五相桥式整流电路的中点M和输出电容的中点P1之间，其副边带有中心抽头；单相全波整流电路的输入端与谐波注入变压器的副边相连，其输出端接至输出电容两端。
本发明一种使用直流侧电压谐波注入法的串联型40脉波整流器，所述输入电感由三个电感值相等的电感Ls组成，并与三相电压源串联连接，整流器可等效为电流源型整流器。
本发明一种使用直流侧电压谐波注入法的串联型40脉波整流器，所述隔离变压器由A相芯柱、B相芯柱和C相芯柱组成；A相芯柱共有7个绕组，包含1个原边绕组a，和6个副边绕组，依次标记为a1至a6；B相芯柱共有8个绕组，包含1个原边绕组b，和7个副边绕组，依次标记为b1至b7；C相芯柱共有7个绕组，包含1个原边绕组Nc，和6个副边绕组，依次标记为c1至c6；其中，原边绕组a、b和c的连接方式为角形连接，副边绕组的连接方式为之字形连接；A相芯柱各绕组的匝比为Na：Na1：Na2：Na3：Na4：Na5：Na6＝381.051：42.339：68.506：26.166：62.928：49.772：17.605；B相芯柱各绕组的匝比为Nb：Nb1：Nb2：Nb3：Nb4：Nb5：Nb6:Nb7＝381.051：56.660：8.851：8.851：56.660：34.441：34.441：73.333；C相芯柱各绕组的匝比为Nc：Nc1：Nc2：Nc3：Nc4：Nc5：Nc6＝381.051：42.339：26.166：68.506：17.605：49.772：62.928；由此产生两组平均值相等、相位差为18°的五相电压。
本发明一种使用直流侧电压谐波注入法的串联型40脉波整流器，所述第一组五相桥式整流电路和第二组五相桥式整流电路中，所用整流器件均为二极管；这两组五相桥式整流电路可由两个电流源等效替代，根据隔离变压器的绕组结构和匝比关系，可知两个等效电流源波形为平均值相等、相位差为18°的近似10脉波。
本发明一种使用直流侧电压谐波注入法的串联型40脉波整流器，所述输出电容由两个电容值相等的大电容C1、C2串联组成，负载可等效为恒压负载。
本发明一种使用直流侧电压谐波注入法的串联型40脉波整流器，所述谐波注入变压器为单相变压器，包含一个原边绕组和两个副边绕组，其原、副边绕组匝比为N1：N2＝1:159.6。
本发明一种使用直流侧电压谐波注入法的串联型40脉波整流器，所述单相全波整流电路中，仅使用无源器件。
本发明一种使用直流侧电压谐波注入法的串联型40脉波整流器，由两组五相桥式整流电路组成串联型整流器的基本拓扑，并配合使用直流侧无源电压谐波注入电路，相比于由两组三相桥式整流电路组成的串联型12脉波整流器，其谐波抑制能力显著提升；所用移相变压器为隔离变压器，能够为整流器交、直流侧提供电气隔离，有利于保护用电设备，扩大整流器的应用范围；所用谐波注入变压器的等效容量仅占负载功率的0.33％，其体积较小、谐波抑制代价较低；所用整流器件均为无源器件，无需添加额外的控制电路，有利于简化电路结构、提高系统的可靠性；本发明适用于对电能质量要求较高的高压、大功率整流场合。
附图说明
通过以下参照附图对本发明进行描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1为本发明一种使用直流侧电压谐波注入法的串联型40脉波整流器的电路结构示意图；
图2为本发明中隔离变压器的绕组结构图；
图3为本发明中谐波注入变压器的绕组结构图；
图4为本发明中无源谐波注入电路工作模态Ⅰ的电路图；
图5为本发明中无源谐波注入电路工作模态Ⅱ的电路图。
图6为实施例六中电压uAn的THD值与谐波注入变压器匝比n的关系。
图1至图5中，usa、usb和usc为三相交流电压源；ia、ib和ic为三相输入电流；i1、i2和i3为隔离变压器的原边绕组电流；ia1、ib1、ic1、id1和ie1为第一组五相桥式整流电路的输入电流；ia2、ib2、ic2、id2和ie2为第二组五相桥式整流电路的输入电流；iRec1为第一组五相桥式整流电路的输出电流；iRec2为第二组五相桥式整流电路的输出电流；ix为谐波注入变压器的原边绕组电流；iD1和iD2为谐波注入变压器的副边绕组电流，即为流过单相全波整流电路中二极管D1和D2的电流；io为负载电流；uo为负载电压；M为两组五相桥式整流电路的中点；P1为第一组五相桥式整流电路的参考点，即为输出电容C1和C2的中点；P2为第二组五相桥式整流电路的参考点；Na、Nb和Nc为隔离变压器原边绕组匝数；Na1、Na2、Na3、Na4、Na5和Na6为隔离变压器a相芯柱副边绕组匝数；Nb1、Nb2、Nb3、Nb4、Nb5、Nb6和Nb7为隔离变压器b相芯柱副边绕组匝数；Nc1、Nc2、Nc、Nc4、Nc5和Nc6为隔离变压器c相芯柱副边绕组匝数；N1为谐波注入变压器原边绕组匝数；N2为谐波注入变压器副边绕组匝数。
图中的附图标记：1为输入电感；2为隔离变压器；3为第一组五相桥式整流电路；4为第二组五相桥式整流电路；5为输出电容；6为负载；7为谐波注入变压器；8为单相全波整流电路。
具体实施方式
下面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使用直流侧电压谐波注入法的串联型40脉波整流器，包括输入电感、隔离变压器、第一组五相桥式整流电路、第二组五相桥式整流电路、输出电容、负载、谐波注入变压器和单相全波整流电路；输入电感由三个电感值相等的电感Ls组成，其左侧分别与三相交流电压源usa、usb和usc串联连接，其右侧分别与隔离变压器的三个原边绕组相连；隔离变压器的两组五相输出分别与第一组五相桥式整流电路的输入端和第二组五相桥式整流电路的输入端相连；第一组五相桥式整流电路与第二组五相桥式整流电路串联连接，并与输出电容和负载并联连接；输出电容由两个电容值相等的大电容C1、C2串联组成，并与负载并联连接；谐波注入变压器的原边连接在第一组五相桥式整流电路与第二组五相桥式整流电路的中点M和输出电容的中点P1之间，其副边带有中心抽头接至负载的负极；单相全波整流电路的输入端与谐波注入变压器的副边相连，其输出端接至负载的正极。
实施例二：如图1所示，本实施例所涉及的一种使用直流侧电压谐波注入法的串联型40脉波整流器，所述输入电感由三个电感值相等的电感Ls组成，并与三相电压源串联连接，整流器可等效为电流源型整流器。
实施例三：如图1和图2所示，本实施例所涉及的一种使用直流侧电压谐波注入法的串联型40脉波整流器，所述隔离变压器由A相芯柱、B相芯柱和C相芯柱组成；A相芯柱共有7个绕组，包含1个原边绕组a，和6个副边绕组，依次标记为a1至a6；B相芯柱共有8个绕组，包含1个原边绕组b，和7个副边绕组，依次标记为b1至b7；C相芯柱共有7个绕组，包含1个原边绕组c，和6个副边绕组，依次标记为c1至c6；其中，原边绕组a、b和c的连接方式为角形连接，副边绕组的连接方式为之字形连接；A相芯柱各绕组的匝比为Na：Na1：Na2：Na3：Na4：Na5：Na6＝381.051：42.339：68.506：26.166：62.928：49.772：17.605；B相芯柱各绕组的匝比为Nb：Nb1：Nb2：Nb3：Nb4：Nb5：Nb6:Nb7＝381.051：56.660：8.851：8.851：56.660：34.441：34.441：73.333；C相芯柱各绕组的匝比为Nc：Nc1：Nc2：Nc3：Nc4：Nc5：Nc6＝381.051：42.339：26.166：68.506：17.605：49.772：62.928；由此产生两组平均值相等、相位差为18°的五相电压。
本实施方式所用移相变压器为隔离变压器，能够为整流器交、直流侧提供电气隔离，有利于保护用电设备，扩大整流器的应用范围。
实施例四：如图1所示，本实施例所涉及的一种使用直流侧电压谐波注入法的串联型40脉波整流器，所述第一组五相桥式整流电路和第二组五相桥式整流电路中，其中整流器件均为二极管；这两组五相桥式整流电路可由两个电流源等效替代，根据隔离变压器的绕组结构和匝比关系，可知两个等效电流源波形为平均值相等、相位差为18°的近似10脉波。
在一个电源周期内，两组五相整流电路共有20种运行模态，每个二极管导通72°；本实施方式由两组五相桥式整流电路组成串联型整流器的基本拓扑，相比于由两组三相桥式整流电路组成的串联型12脉波整流器，其谐波抑制能力显著提升。
实施例五：如图1所示，本实施例所涉及的一种使用直流侧电压谐波注入法的串联型40脉波整流器，所述输出电容由两个电容值相等的大电容C1、C2串联组成，负载可等效为恒压负载。
实施例六：如图1、图3和图6所示，本实施例所涉及的一种使用直流侧电压谐波注入法的串联型40脉波整流器，所述无源谐波注入电路由一个谐波注入变压器和一个单相全波整流电路组成；谐波注入变压器为单相变压器，包含一个原边绕组和两个副边绕组；假设谐波注入变压器的原、副边绕组匝比N1：N2＝1：n，根据THD值的定义，可得40脉波整流器输入电压uAn的THD值表达式为
Figure BDA0002598295650000061
式(1)中，UAn_40为电压uAn的有效值，Us1_40为电压uAn的基波电压幅值。
绘制电压uAn的THD值与谐波注入变压器匝比n的关系曲线，如图6所示。由图6可得，当n取值约为159.6时，THD取最小值，约为4.54％。
当此谐波抑制方法应用于串联型12脉波整流器时，谐波注入变压器的等效容量约占负载功率的2.3％，本实施方式所用谐波注入变压器的等效容量仅占负载功率的0.85％，其体积较小、谐波抑制代价较低；所用整流器件均为无源器件，无需添加额外的控制电路，有利于简化电路结构、提高系统的可靠性。
实施例七：如图1、图4和图5所示，本实施例所涉及的一种使用直流侧电压谐波注入法的串联型40脉波整流器，所述40脉波整流器的形成过程为：
当不含有无源谐波注入电路时，在一个电源周期内，此整流器共有20种工作模态；根据隔离变压器的绕组结构和匝比关系，两组五相桥式整流电路可由两个平均值相等，瞬时值相差18°的等效电流源iRec1和iRec2替代；两个等效电流源的电流差为ix，即为谐波注入变压器原边绕组的电流，ix波形近似为10倍频三角波；当ix大于零时，无源谐波注入电路工作在工作模态Ⅰ，如图4所示，电流流入谐波注入变压器原边绕组的同名端，单相全波整流电路中二极管D1导通，D2关断，在谐波注入变压器原边绕组产生一个值为
Figure BDA0002598295650000071
的电压；当ix小于零时，无源谐波注入电路工作在工作模态Ⅱ，如图5所示，电流流出谐波注入变压器原边绕组的同名端，单相全波整流电路中二极管D2导通，D1关断，在谐波注入变压器原边绕组产生一个值为
Figure BDA0002598295650000072
的电压；由此在注入变压器原边产生一个10倍频的注入电压方波，由电压关系可知，使用谐波抑制电路后，原有工作模态将叠加谐波抑制电路的工作模态，即有40种工作模态，从而形成40阶梯波电压，达到抑制输入电压谐波的目的。
现有的多脉波整流器通常使用三相整流桥构成基本拓扑，且仅使用增加移相变压器输出相数或使用直流侧谐波抑制电路的方法增加整流器的脉波数。本发明将上述两种方法相结合，在不明显增加移相变压器设计制造难度的前提下，将直流侧谐波抑制方法应用于由两组五相整流桥串联构成的20脉波整流器，从而构成串联型40脉波整流器。本发明中，谐波注入变压器的原、副边绕组匝比为N1：N2＝1:159.6时，输入电压THD值取值最小，理论最小值约为4.54％；此时，在一个电源周期内，输入电流波形为由40段弧线组成的近似正弦波。
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 (6)

1.一种使用直流侧电压谐波注入法的串联型40脉波整流器，其特征在于，所述使用直流侧电压谐波注入法的串联型40脉波整流器包括：输入电感(1)、隔离变压器(2)、第一组五相桥式整流电路(3)、第二组五相桥式整流电路(4)、输出电容(5)、负载(6)、谐波注入变压器(7)和单相全波整流电路(8)；输入电感(1)左侧分别与三相交流电压源usa、usb和usc串联连接，其右侧分别与隔离变压器(2)的三个原边绕组相连；隔离变压器(2)的两组五相输出分别与第一组五相桥式整流电路(3)的输入端和第二组五相桥式整流电路(4)的输入端相连；第一组五相桥式整流电路(3)与第二组五相桥式整流电路(4)串联连接，并与输出电容(5)、负载(6)并联连接；谐波注入变压器(7)的原边连接在第一组五相桥式整流电路(3)与第二组五相桥式整流电路(4)的中点M和输出电容(5)的中点P1之间，其副边带有中心抽头连接到负载(6)的负极；单相全波整流电路(8)的输入端与谐波注入变压器(7)的副边相连，其输出端接至负载(6)的正极；
所述隔离变压器(2)由A相芯柱、B相芯柱和C相芯柱组成；A相芯柱共有7个绕组，包含1个原边绕组a，和6个副边绕组，依次标记为a1至a6；B相芯柱共有8个绕组，包含1个原边绕组b，和7个副边绕组，依次标记为b1至b7；C相芯柱共有7个绕组，包含1个原边绕组c，和6个副边绕组，依次标记为c1至c6；其中，原边绕组a、b和c的连接方式为角形连接，副边绕组的连接方式为之字形连接，第一组之字形连接的绕组中，a2、b4和c1绕组的同名端与b1和c3绕组的异名端相接，形成中性点；a1绕组的异名端连接c1绕组的异名端，a3绕组的异名端连接b4绕组的异名端，b3绕组的同名端连接c3绕组的同名端，a2绕组的异名端连接b2绕组的异名端，b1绕组的同名端连接c2绕组的同名端；a1、a3和b2绕组的同名端分别与整流桥中的A1、E1和C1点相连，b3和c2绕组的异名端分别与整流桥中的D1和B1点相连；第二组之字形连接的绕组中，a5、b7和c5绕组的同名端与a4和c6绕组的异名端相接，形成中性点；a4绕组的同名端连接c4绕组的同名端，a6绕组的同名端连接c6绕组的同名端，a5绕组的异名端连接b6绕组的异名端，b5绕组的异名端连接c5绕组的异名端；b5和b6绕组的同名端分别与整流桥中的B2和C2点相连，a6、b7和c4绕组的异名端分别与整流桥中的D2、E2和A2点相连；A相芯柱各绕组的匝比为Na：Na1：Na2：Na3：Na4：Na5：Na6＝381.051：42.339：68.506：26.166：62.928：49.772：17.605；B相芯柱各绕组的匝比为Nb：Nb1：Nb2：Nb3：Nb4：Nb5：Nb6:Nb7＝381.051：56.660：8.851：8.851：56.660：34.441：34.441：73.333；C相芯柱各绕组的匝比为Nc：Nc1：Nc2：Nc3：Nc4：Nc5：Nc6＝381.051：42.339：26.166：68.506：17.605：49.772：62.928；由此产生两组平均值相等、相位差为18°的五相电压。
2.根据权利要求1所述一种使用直流侧电压谐波注入法的串联型40脉波整流器，其特征在于：所述输入电感(1)由三个电感值相等的电感Ls组成，并与三相电压源串联连接，整流器可等效为电流源型整流器。
3.根据权利要求1所述一种使用直流侧电压谐波注入法的串联型40脉波整流器，其特征在于：所述第一组五相桥式整流电路(3)和第二组五相桥式整流电路(4)中，所用整流器件均为二极管；这两组五相桥式整流电路可由两个电流源等效替代，根据隔离变压器(2)的绕组结构和匝比关系，可知两个等效电流源波形为平均值相等、相位差为18°的近似10脉波。
4.根据权利要求1所述一种使用直流侧电压谐波注入法的串联型40脉波整流器，其特征在于：所述输出电容(5)由两个电容值相等的大电容C1、C2串联组成，负载(6)可等效为恒压负载。
5.根据权利要求1所述一种使用直流侧电压谐波注入法的串联型40脉波整流器，其特征在于：所述谐波注入变压器(7)为单相变压器，包含一个原边绕组和两个副边绕组，其原、副边绕组匝比为N1：N2＝1:160。
6.根据权利要求1所述一种使用直流侧电压谐波注入法的串联型40脉波整流器，其特征在于：所述单相全波整流电路(8)中，仅使用无源器件。
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