使用六绕组隔离变压器的大电流整流器研究

孟凡刚 徐晓娜 高蕾 杨威 杨世彦

摘 要：为提高整流器的电流输出能力，设计了一种基于六绕组隔离变压器的大电流整流器。该整流器使用六绕组隔离变压器作为移相变压器，隔离变压器的原边绕组采用三角形联结，副边绕组相互独立，输出三组相位依次相差120°的单相电压，分别为三组单相整流桥供电，可有效增大电流输出能力。理论分析、仿真及实验结果表明，该大电流整流器的输入侧和负载侧的电能质量与传统的双反星形整流器相同，但电流输出能力为双反星形整流器的1.5倍；另外，该大电流整流器所用隔离变压器的容量要小于双反星形整流器所用变压器的容量，这在一定程度上可以提高该整流器的功率密度。

关键词：大电流整流器；隔离变压器；绕组结构；平衡电抗器

DOI：10.15938/j.emc.（编辑填写）

中图分类号： TM461.3 文献标志码：A 文章编号：1007 -449X（2017）00-0000-00

A large current rectifier based on six windings isolated transformer

MENG Fan-gang， XU Xiao-na， GAO Lei， YANG Wei， YANG Shi-yan

（School of Electrical Engineering and Automation， Harbin Institute of Technology，Harbin150001， China）

Abstract：In order to enlarge the output current of the rectifier， a large current rectifier based on six windings isolated transformer is proposed. The proposed rectifier uses the six windings isolated transformer to be the phase-shift transformer， and the primary windings of the transformer are connected in delta， the secondary windings are independent and provide three groups of single phase voltage with 120° phase shiftin turn to feed three single-phase rectifiers； the three windingsof the inter phase reactor connect the output positive electrode of the three single-phase rectifiers， respectively， which can increase the ability of output current. Theoretical analysis， simulation and experimental results indicate that the power quality on the input side and load side of the large current rectifier is the same as the double-star rectifier， and the output current is 1.5 times of the double-star rectifier. In addition，the kVA rating of the isolated transformer is smaller than that of the transformer in the double-star rectifier，which can improve the power density of the proposed rectifier to some degree.

Keywords： large current rectifier；isolated transformer； winding configuration； inter-phase reactor

0 引言

大電流整流器广泛应用于电化学、航空电源、船舶动力推进等领域[1-2]。如何提高大电流整流器的电流输出能力和功率密度一直是该领域的研究热点之一[3]。

常用的大电流整流器主要有并联型多脉波整流器和带平衡电抗器的双反星形整流器[4-5]。这两类整流器的共同特点是均使用移相变压器和平衡电抗器。移相变压器和平衡电抗器是大电流整流器的主要磁性器件，二者的体积在很大程度上决定着大电流整流器的功率密度[6-7]。移相变压器的主要作用是输出几组存在合适相位差的三相电压对整流桥供电[8]。常用的移相变压器主要分为自耦型和隔离型两大类，自耦型移相变压器主要应用于输入与输出电压等级差别不大的场合，其通过磁耦合传递的功率仅占负载消耗功率的一小部分，这可以在一定程度上提高整流器的功率密度[6]。在输入与输出电压等级差别较大的场合，从安全角度考虑，需要使用隔离型移相变压器[4]。带平衡电抗器的双反星形整流器使用隔离型双反星形变压器作为移相变压器，是低电压、大电流场合常用的整流器[9-10]。隔离型双反星形变压器的容量约为负载输出功率的127%，这会导致双反星形整流器的功率密度较低。变压器的绕组结构对隔离型移相变压器的容量有着较大影响。本文提出了一种使用六绕组隔离变压器的大电流整流器，该变压器的容量仅为负载功率的111%，这有利于提高整流器的功率密度。平衡电抗器用于吸收整流桥输出电压的瞬时差，保证整流桥能够独立并联工作。平衡电抗器所接的整流桥个数越多，整流器的电流输出能力越强。本文提出的大电流整流器包含三个整流桥，电流输出能力是双反星形整流器的1.5倍。

1 六绕组隔离变压器的绕组结构

图1所示为使用六绕组隔离变压器的大电流整流器结构示意图。该大电流整流电路主要由隔离变压器、三组单相整流桥和平衡电抗器组成。图1中，隔离变压器的作用是产生三组相位相差120°的单相交流电源，为三组单相整流桥供电。

图1使用六绕组隔离变压器的大电流整流器

Fig. 1 Large current rectifier using the isolated-transformer with six windings

图2所示为六绕组隔离变压器的绕组结构。该隔离变压器由三个芯柱组成，每个芯柱上有一个原边绕组和一个副边绕组。三个原边绕组采用三角形联结方式，能够为3倍频谐波提供回路；三个副边绕组相互独立，输出三组相位依次相差120°的单相电压为整流电路供电。

假设整流器输入三相电压为：

（1）

式中E为输入相电压的有效值。

根据图2，隔离变压器原边绕组电压可以表示为：

（2）

设变压器变比 ，则变压器副边绕组输出的三组单相电压为：

（3）

2 整流器输入电流与负载电压分析

为便于分析，做以下假设：

1）忽略隔离变压器漏感和绕组电阻；

2）忽略平衡电抗器的电感和绕组电阻；

3）单相整流桥所接二极管为理想器件；

4）系统工作在大电感负载状态。

2.1 整流器输入电流分析

在大电感负载条件下，负载电流近似为恒定值，假设负载电流为Id，则单相整流橋直流侧输出电流为

（4）

为方便分析，引入开关函数的概念，假设三组单相整流桥的开关函数分别为S1、S2和S3，则S1、S2和S3满足：

（5）

（6）

根据单相全桥整流原理，可得单相整流桥交、直流侧的电流关系为：

（7）

假设变压器原边绕组匝数为N1，副边绕组匝数为N2。图2中，由安匝平衡原理可得：

（8）

式中，i1、i2、i3为原边绕组的每相电流，如图1所示。

隔离变压器原边绕组电流可表示为：

（9）

由基尔霍夫定律，可得大电流整流器输入电流为：

（10）

式中ia、ib、ic为整流器输入线电流，如图1所示。

图3所示为交流源a相输入电流ia及其频谱图。

由图3可知，输入电流近似为六阶梯波，THD值为31.12%。

2.2 负载电压分析

由前面对隔离变压器参数的分析，可以得到三组单相整流桥的输入电压如式（3）所示。根据整流电路的原理，可以得到三组单相整流桥的输出电压为：

（11）

由图1，可得负载电压为

（12）

负载电压的平均值为

（13）

根据式（12）可以得到负载电压如图4所示。由图4可知，负载电压在一个周期内存在6个波头，这表明本文所设计的大电流整流器可以实现6脉波整流。

图4 负载电压

Fig.4 Load voltage

3 平衡电抗器的结构与设计

为保证三组整流桥能够独立并联工作，本文使用平衡电抗器吸收三组整流桥输出电压的瞬时差。图5所示为平衡电抗器的绕组结构。图5中，平衡电抗器由三个芯柱组成，三个绕组分别绕在三个芯柱上，三个绕组的输入端分别连接三组单相整流桥的输出阳极端，用来消除三组单相整流桥输出电压的瞬时差，确保三组单相整流桥能够独立并联工作。

图5 平衡电抗器绕组结构图

Fig.5 Winding configuration of the inter-phase reactor

为使平衡电抗器能够完全吸收三组整流桥输出电压的瞬时差，需要使平衡电抗器的电感值大于某一临界值[11-13]。下面以芯柱（1）上的绕组为例，计算平衡电抗器的临界电感值。由图1和图5可得芯柱（1）绕组的端电压满足：

（14）

假设平衡电抗器绕组的临界电感值为Lp，则有

（15）

当平衡电抗器绕组的电感值大于Lp时，平衡电抗器能够完全吸收三组整流桥输出电压的瞬时差。

为节省篇幅，本文仅分析一个周期内平衡电抗器绕组的电压和电流关系。当ωt∈[0， π/3]时，由式（14）和式（15），可得平衡电抗器的绕组电流为

（16）

式中K1是积分常数。

当ωt∈[π/3， 2π/3]时，由式（14）和式（15），可得平衡电抗器的绕组电流为

（17）

式中K2是积分常数。

当ωt∈[2π/3， π]时，由式（14）和式（15），可得平衡电抗器的绕组电流为

（18）

式中K3是积分常数。

由电流的连续性，可得ip11、ip12、ip13满足：

（19）

综合式（16）、式（17）、式（18）和式（19）可得：

（20）

由式（20）计算解得：

（21）

因为一个周期内励磁电流ip1平均值为0，所以

（22）

解得

（23）

联立式（21）和式（23）可以得到：

（24）

所以，平衡电抗器的绕组电流可以表示为：

（25）

根据式（25），可得平衡电抗器的电流峰值大小为

（26）

由于负载电流为Id，根据式（26），可得直流侧电流有效值为

（27）

根据式（27），解得

（28）

当平衡电抗器绕组的电感值大于式（28）时，平衡电抗器才能完全吸收三组整流桥输出电压的瞬时差。

4 磁性器件容量分析

图1所示的大电流整流器中包含隔离变压器和平衡电抗器两种磁性器件，下面分析这两种磁性器件的容量。

4.1 隔离变压器的容量

由式（2）和式（3）可得，原边绕组端电压有效值为 ，副边绕组端电压有效值为 。

在大电感负载条件下，变压器副边绕组电流满足式（7）。由式（4）、式（5）、式（6）和式（7）可知，副边绕组电流有效值为

（29）

原边绕组电流满足式（9），则原边绕组电流有效值为

（30）

由式（13）可得

（31）

因此，隔离变压器的容量为

（32）

将式（31）代入式（32）并整理，可得

（33）

定义负载功率为

（34）

由式（33）和式（34）可得，隔离变压器的容量为负载功率的1.11倍。

在大电感负载下，双反星形变压器的容量约为负载功率的127%。因此，与双反星形变压器相比，本文所提出的六绕组隔离变压器的容量较小，这会使大电流整流器具有较高的功率密度。

4.2 平衡电抗器的容量

由式（15）可得，平衡电抗器两端电压的有效值为

（35）

流过平衡电抗器绕组的电流等于整流桥的输出电流，即

（36）

所以，平衡电抗器的容量为

（37）

由式（37）可得，平衡电抗器容量约为负载输出功率的18.51%。

5 仿真与实验验证

5.1 仿真与实验结果

为了验证上述理论分析的正确性，本文设计了一套采用六绕组隔离变压器的大电流整流器，并进行了相应的仿真与实验。仿真和实验条件如下：1）输入相电压为150V；2）负载为阻性负载，负载电阻为5Ω；3）变压器变比等于0.583，即K=0.583。

图6所示为大电流整流器输入电流，为节省篇幅，仅给出a相的输入电流及其频谱；图6（a）为仿真结果，由于变压器漏感和平衡电抗器電感的滤波作用，输入电流的THD值要比理论值小；图6（b）为实验结果，其有效值分别为4.73A、4.71A、4.65A。由图6可知，在一个周期内，输入电流含有6个阶梯波，这与理论分析一致。

图7所示为负载电压和负载电流。阻性负载下，负载电压和负载电流在一个周期内均含有6个等宽波头。因此，从输出侧看，所设计的整流器实现了6脉波整流。实验结果中，负载电压和负载电流平均值分别为74.7V和14.4A，经计算负载功率为1.076kW。

图8所示为变压器原边绕组电流和电压。其中，图8（a）为单个原边绕组电流的仿真结果；图8（b）为原边绕组电流和电压的实验结果，其有效值分别为2.08A、2.06A、2.06A。

图9所示为变压器副边绕组端电压与电流。为节省篇幅，图中仅给出了绕组a1a2的端电压和电流。实验结果中，绕组电压有效值为87.6V，电流有效值为5.73A。

假设隔离变压器结构对称，由图8和图9可得隔离变压器的容量为1.195kW，为负载输出功率的1.11倍，与理论分析值相符。

图10所示为平衡电抗器端电流和端电压，实验结果中，其端电流有效值为3.96A，端电压有效值为40.1V。

图11所示为整流桥输出电压和电流，整流桥输出电压在一个周期内含有2个波头，输出电流平均值为4.78A。

Fig.11 Output current and voltage of diode bridge rectifier

假设系统对称，则三组单相全桥整流电路输出电流相等。由图10和图11可得平衡电抗器的容量为218W。因此，平衡电抗器的容量为输出功率的20.26%，在误差允许范围内，与理论分析值相符。

5.2 与双反星形整流器的对比

综合理论分析、仿真与实验结果，可得本文所设计的整流器与双反星形整流器相比，具有如下特点：

1）输入侧和负载侧的电能质量与双反星形整流器相同；

2）电流输出能力是双反星形性整流器的1.5倍；

3）所用隔离变压器的容是负载功率的111%，要小于双反星形隔离变压器；

4）由于本文所设计的整流器使用的整流器件为双反星形整流器所使用整流器件的2倍，且每周期导通的电角度为180o，因此导通损耗要大于双反星形整流器，约为双反星形整流器的2.45倍。

6 结论

本文提出了一种使用六绕组隔离变压器的大电流整流器，该整流器主要包括隔离变压器、三组单相全桥和平衡电抗器。六绕组隔离变压器的原边绕组采用三角形联结方式，副边绕组相互独立，输出三组相位依次相差120°的单相电压；三组单相整流桥通过平衡电抗器的三个绕组实现并联联结，使负载输出电压为6脉波。理论分析、仿真和实验结果表明，变压器容量约为负载功率的111%。与并联型多脉波整流器以及双反星形整流器相比，本文所设计的大电流整流器结构简单，且具有更强的电流输出能力。该电路目前还存在谐波抑制性能不佳的问题，在后续的研究中，会通过加入辅助电路的方式，来抑制输入电流谐波，降低电路总谐波畸变率，提高电能质量。

[1] RODRIGUEZJ R，PONTT J， SILVA， C， et al. Large current rectifiers： state of the art and future trends[J].IEEE Trans. Industrial Electronics， 2005， 52（3）：738-746.

[2] SOLANKI J， FROHLEKE N， BOCKER， J，et al. High-current variable-voltage rectifiers： state of the art topologies[J].IETPowerElectronics，2015， 8（6）：1068-1080

[3] AQUEVEQUEP E，WIECHMANN E P， BURGOS R P，et al. On the efficiency and reliability of high-current rectifiers[C]//IEEE Power Electronics Specialists Conference， 2008， 4509-4516.

[4] SINGHB， GAIROLAS， SINGH B N， et al. Multi-pulse AC-DC converters for improving power quality： a review [J]. IEEE Transactions on Power Electronics， 2008， 23（1）： 260-281.

[5] 孟凡剛， 杨世彦， 杨威. 多脉波整流技术综述[J]. 电力自动化设备， 2012， 32（2）： 9-22.

MENG Fangang， YANG Shiyan， YANG Wei. Overview ofmulti-pulse rectifier technique [J]. Electric Power Automation and Equioment，2012， 32（2）： 9-22.

[6] MENGFangang， YANG Wei， YANG Shiyan. Effect of voltage transformation ratio on the kilovoltampere rating of delta-connected autotransformer for 12-pulse rectifier system[J]. IEEE Trans. Industrial Electronics， 2013， 60（9）：3579-3588.

[7] RODOLFO C F， PRISCILA S O， FALCONDES J M S. A family of autoconnected transformers for 12- and 18-pulse converters-generalization for delta and wye topologies[J]. IEEE Trans. Power Electronics， 2011， 26（7）：2065-2078

[8] BING Zhonghui， KAMIAR J K， SUN Jian. Input impedance modeling and analysis of line-commutated rectifier[J]. IEEE Trans. Power Electronics， 2009， 24（10）：2338-2346.

[9] JACOBO AG， MOON GW. A high-efficiency three-phase ZVS PWM converter utilizing a positive double-wye active rectifier stage for server power supply [J]. IEEE Trans. Industrial Electronics， 2011， 58（8）：3317-3329.

[10] SUH Yongsug， KIM Changwoo. A study on high-current rectifier systems with mitigated time-varying magnetic field generation at AC input and DC output busbars[J]. IEEE Trans. Power Electronics， 2012， 27（3）：1212-1219.

[11] CHOI S， ENJETI P N， LEE HH，et al.A new active interphase reactor for 12-pulse rectifiers provides clean power utility interface[J]. IEEE Trans. on Industry Applications， 1996， 32（6）：1304-1311.

[12] 高蕾，孟凡刚，杨世彦，等. 过移相和欠移相对12脉波整流系统的影响及抑制措施[J]. 电力自动化设备，2015，1：85-93.

GAOlei， MENGFangang， YANGShiyan， et al. Influence of over/under phaseshift on 12pulse rectifier system andits countermeasures[J]. Electric Power Automation and Equioment， 2015，1：85-93.

[13] PAICE D A. Power electronic converter harmonic multipulse methods for clean power[M]. New York： IEEE Press， 1996：58-6.