不對稱式p型12脈沖自耦變壓整流器的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于電能變換領域，具體涉及一種不對稱式的P型12脈沖自耦變壓整流 器。
【背景技術】
[0002] 傳統(tǒng)的隔離型12脈變壓整流器，利用副邊繞組的星型連接和三角形連接方式，構 成兩組相位相差30度的三相交流電壓，整流后經(jīng)平衡電抗器并聯(lián)輸出。其輸入電流為12 階梯波，僅含有12k±l次諧波，減小了輸入電流總諧波含量（THD);該方案簡單可靠，缺點 是變壓器等效容量為輸出功率的1. 03倍，導致系統(tǒng)體積重量較大。
[0003] 學者Sewan Choi提出采用自耦變壓器代替隔離變壓器的方法，如差接A繞組結構 的12脈自耦變壓整流器。通過變壓器的自耦連接，產(chǎn)生兩組相差30度的三相電壓。由于 自耦變壓器等效容量小，僅為隔離變壓器的18 %，有助于變壓整流系統(tǒng)的小型化。但是在這 種拓撲中，變壓器副邊繞組直接與整流橋中二極管串聯(lián)，加大了二極管的換向電感，使得換 向角增大，不利用航空航天應用。將變壓器繞組連接成封閉的多邊形（polygon)，可大大減 小二極管的換向電感，從而得到P型12脈自耦變壓整流器。
[0004] 無論是差接A還是P型繞組結構的12脈變壓整流器，都需要平衡電抗器將兩組整 流橋并聯(lián)，使得兩組橋均能獨立工作，從而輸出12相線電壓矢量。然而，平衡電抗器的加入 增大了系統(tǒng)的復雜度和體積重量。

【發(fā)明內容】

[0005] 發(fā)明目的：針對上述現(xiàn)有技術，提出一種不對稱式P型12脈沖自耦變壓整流器，簡 化12脈自耦變壓整流器的結構。
[0006] 技術方案：不對稱式P型12脈沖自耦變壓整流器，包括不對稱式P型移相自耦變 壓器、主三相整流橋和輔三相整流橋；所述不對稱式P型移相自耦變壓器包括A相、B相、C 相，每相原邊有一個繞組并且中心抽頭，三相輸入電源與對應相原邊中心抽頭相連；每相副 邊有一個繞組并且中心抽頭；A相原邊繞組首端與B相副邊繞組首端相連，A相原邊繞組末 端與C相副邊繞組末端相連，A相副邊繞組首端與C相原邊繞組首端相連，A相副邊繞組末 端與B相原邊繞組末端相連，B相原邊繞組首端與C相副邊繞組首端相連，B相副邊繞組末 端與C相原邊繞組末端相連；A、B、C三相原邊中心抽頭作為變壓器主三相電壓輸出端，三相 副邊中心抽頭作為變壓器輔三相電壓輸出端；所述主三相電壓輸出端與主三相整流橋的三 相輸入端對應相連，所述輔三相電壓輸出端與輔三相整流橋的三相輸入端對應相連；主、輔 三相整流橋的正端相連，作為變壓整流器的正輸出端；主、輔三相整流橋的負端相連，作為 變壓整流器的負輸出端。
[0007] 進一步的，所述自耦變壓器A相原邊繞組和副邊繞組的匝比為1 : 2.73。
[0008] 進一步的，所述自耦變壓器B相原邊繞組和副邊繞組的匝比為1 : 2.73。
[0009] 進一步的，所述自耦變壓器C相原邊繞組和副邊繞組的匝比為1 : 2.73。
[0010] 有益效果：本發(fā)明的不對稱式P型12脈沖自耦變壓整流器通過副邊電壓與原邊電 壓相量之和構造主、輔兩組三相電壓，不同時區(qū)，不同的主、輔電壓矢量之和構成12相輸出 電壓，經(jīng)整流橋并聯(lián)輸出含12個脈動的直流電壓。與現(xiàn)有P型自耦連接的12脈沖變壓整 流器相比，本發(fā)明結構十分簡單，變壓器繞組少、所有繞組截面積相同，且保持了自耦變壓 器容量小的特點；12相輸出線電壓矢量經(jīng)整流橋并聯(lián)輸出，二極管依據(jù)電壓矢量的切換順 序依次選通，不需要平衡電抗器。
【附圖說明】
[0011] 圖1為本發(fā)明的結構示意圖；
[0012] 圖2為本發(fā)明三相繞組的電壓合成示意圖；
[0013] 圖3為本發(fā)明三相繞組的電流合成示意圖；
[0014] 圖4為本發(fā)明A相輸入電流的理論波形圖；
[0015] 圖5為本發(fā)明輸出電壓和輸入電流的仿真波形；
[0016] 圖6為本發(fā)明A相輸入電流頻譜分析圖；
[0017] 上面附圖中的主要符號說明：A相繞組：ap_原邊繞組，as-副邊繞組，B/C相與A相 相同；Va、Vb、Vc-a/b/c相輸入相電壓，￥ &1、￥131、￥(31-主三相電壓，￥&2、￥匕2、￥〇2-輔三相電 壓，isa、isb、isc_a 相、b 相、c 相輸入電流，ial/ia2/ibl/ib2/icl/ic2_al/a2/bl/b2/cl/c2 端輸出電流，il~i9_變壓器各繞組電流；BI-主三相整流橋，B2-輔三相整流橋，Vout-整 流器輸出電壓。
【具體實施方式】
[0018] 下面結合附圖對本發(fā)明做更進一步的解釋。
[0019] 如圖1所示，不對稱式P型12脈沖自耦變壓整流器，包括不對稱式P型移相自耦 連接的變壓器、主三相整流橋和輔三相整流橋。其中，不對稱式P型移相自耦變壓器包括A 相、B相、C相，A、B、C三相變壓器原邊均包含一個繞組并且該繞組中心抽頭，三相輸入電源 連接對應相原邊中心抽頭。每相副邊同樣包含一個繞組且該繞組中心抽頭。A相原邊繞組 ap首端與B相副邊繞組bs首端相連，A相原邊繞組ap末端與C相副邊繞組cs末端相連， A相副邊繞組as首端與C相原邊繞組cp首端相連，A相副邊繞組as末端與B相原邊繞組 bp末端相連，B相原邊繞組bp首端與C相副邊繞組cs首端相連，B相副邊繞組bs末端與 C相原邊繞組cp末端相連。A、B、C三相原邊中心抽頭al、bl、cl作為變壓器主三相電壓輸 出端，A、B、C三相副邊中心抽頭a2、b2、c2作為變壓器輔三相電壓輸出端。三相變壓器的 原邊中心抽頭al、bl、cl連接主三相整流橋的三相輸入端，三相變壓器的副邊中心抽頭a2、 b2、c2連接輔三相整流橋的三相輸入端，主整流橋和輔整流橋直接并聯(lián)輸出。
[0020] 通過合理設計匝比：每相原邊繞組和副邊繞組的匝比均為1 : 2. 73,使自耦變壓 器移相產(chǎn)生一組主三相交流電壓Val、Vbl、Vcl和一組輔三相交流電壓Va2、Vb2、Vc2,兩組 電壓矢量相位相反，并且輔矢量的幅值為主矢量的〇. 732倍，從而在不同時區(qū)，主輔矢量之 和構造12相輸出電壓。
[0021] 基于上述變壓器繞組結構和匝比關系，自耦變壓器電壓合成關系如附圖2所示。 主矢量間的線電壓構成6相輸出電壓矢量，主矢量與對應相位相反的輔矢量構成其余6相 輸出線電壓矢量；各輸出線電壓矢量長度相等，相鄰矢量間隔為30度。以A相為例，Valbl、 Vala2、Valcl和Va2al四個輸出矢量給負載供電。變壓整流器輸出平均電壓Vd與輸入相電 壓有效值V in之間的關系滿足：
[0023] 當三相輸入相電壓為115V時，變壓整流器的輸出為278V，適用于航空270V高壓直 流系統(tǒng)（穩(wěn)態(tài)電壓要求250-280V)。
[0024] 主三相整流橋每個二極管的導通時間為90度，輔三相整流橋每個二極管的導通 時間為30度。即主橋流過3/4輸出功率，輔橋流過1/4輸出功率，兩組整流橋的功率不對 稱，主整流橋流過的功率為輔整流橋的3倍。
[0025] 自耦變壓整流器的繞組電流關系如圖3所示。假設負載為大電感負載（二極管電 流波形為理想的方波），利用基爾霍夫電流定律（KCL)和磁勢平衡定律，可以合成三相輸入 電流的理論波形如圖4 (橫坐標為電角度，縱坐標從上至下依次為電流il，i6和isa，縱坐 標數(shù)值為負載電流的倍數(shù)）所示。輸入電流波形含12個階梯，有效地消除了 5次、7次等諧 波含量。
[0026] 特別地，本發(fā)明的變壓器每一相只有兩個繞組，并且所有繞組的電流有效值均相 同，因此該變壓器繞組僅需要一種規(guī)格的導線，大大簡化了自耦變壓器的結構和設計過程。 經(jīng)計算，變壓器的等效容量僅為輸出功率的25%，保持了自耦變壓器體積小重量輕的優(yōu)點， 有助于整流系統(tǒng)的小型化。
[0027] 為驗證本發(fā)明的有效性，以附圖1中不對稱式P型12脈沖自耦變壓整流器為例進 行仿真實驗。在115V/400HZ輸入，270V 100A純阻性負載輸出時，變壓整流系統(tǒng)的輸出電 壓和A相輸入電流波形如圖5所示（圖5的橫坐標為時間，縱坐標為電壓和電流），輸出電 壓含12個脈動，輸入電流為12階梯波，并且A相輸入電流與輸入A相電壓（圖5中虛線所 示）相位保持一致，具有高功率因數(shù)。圖6(橫坐標為頻率，縱坐標為電流）為A相輸入電 流的頻譜分析，可見主要諧波為11、13次等12k±l諧波，總諧波含量為15. 22%，與傳統(tǒng)的 12脈變壓整流器一致。
[0028] 以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人 員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應 視為本發(fā)明的保護范圍。
【主權項】
1. 不對稱式P型12脈沖自耦變壓整流器，其特征在于：包括不對稱式P型移相自耦變 壓器、主三相整流橋和輔三相整流橋；所述不對稱式P型移相自耦變壓器包括A相、B相、C 相，每相原邊有一個繞組并且中心抽頭，三相輸入電源與對應相原邊中心抽頭相連；每相副 邊有一個繞組并且中心抽頭；A相原邊繞組首端與B相副邊繞組首端相連，A相原邊繞組末 端與C相副邊繞組末端相連，A相副邊繞組首端與C相原邊繞組首端相連，A相副邊繞組末 端與B相原邊繞組末端相連，B相原邊繞組首端與C相副邊繞組首端相連，B相副邊繞組末 端與C相原邊繞組末端相連；A、B、C三相原邊中心抽頭作為變壓器主三相電壓輸出端，三相 副邊中心抽頭作為變壓器輔三相電壓輸出端；所述主三相電壓輸出端與主三相整流橋的三 相輸入端對應相連，所述輔三相電壓輸出端與輔三相整流橋的三相輸入端對應相連；主、輔 三相整流橋的正端相連，作為變壓整流器的正輸出端；主、輔三相整流橋的負端相連，作為 變壓整流器的負輸出端。2. 根據(jù)權利要求1所述不對稱式P型12脈沖自耦變壓整流器，其特征在于：所述自耦 變壓器A相原邊繞組和副邊繞組的匝比為1 : 2.73。3. 根據(jù)權利要求1所述不對稱式P型12脈沖自耦變壓整流器，其特征在于：所述自耦 變壓器B相原邊繞組和副邊繞組的匝比為1 : 2.73。4. 根據(jù)權利要求1所述不對稱式P型12脈沖自耦變壓整流器，其特征在于：所述自耦 變壓器C相原邊繞組和副邊繞組的匝比為1 : 2.73。
【專利摘要】本發(fā)明公開了不對稱式P型12脈沖自耦變壓整流器，包括不對稱式P型自耦變壓器，主整流橋和輔整流橋。不對稱式P型自耦變壓器包括A、B、C三相，每相有一個原邊繞組和一個副邊繞組，且均具有中心抽頭。合理設計匝比，通過副邊電壓與原邊電壓相量之和構造主、輔兩組三相電壓，不同時區(qū)，不同的主、輔電壓矢量之和構成12相輸出電壓，經(jīng)整流橋并聯(lián)輸出。主、輔整流橋按照輸出矢量的切換順序依次選通，不需要平衡電抗器。本發(fā)明既保持了自耦式結構體積小、重量輕的優(yōu)點，又省去了平衡電抗器的使用，是一種具有最簡結構的12脈變壓整流器。
【IPC分類】H02M5/12, H02M7/06
【公開號】CN104993720
【申請?zhí)枴緾N201510404297
【發(fā)明人】陳思, 葛紅娟, 姜帆, 趙 權, 楊光
【申請人】南京航空航天大學
【公開日】2015年10月21日
【申請日】2015年7月10日