不对称式12 脉冲自耦变压整流器设计

张建芳，郝晓红

（中国民航大学工程技术训练中心，天津 300300）

多脉冲自耦变压整流器（ATRU，auto-transformer rectifier unit）除了具有结构简单、可靠性高、过载能力强、输入电流谐波小等多脉冲整流技术的通用优点外，还具有等效容量小、体积和重量小以及性价比高等优点[1-3]，因而被广泛应用于非隔离变换，特别是航空电源输入电流谐波抑制中。在民用航空领域，相对18 脉冲自耦变压整流器[4]，12 脉冲自耦变压整流器更加符合DO-160 标准对电流谐波的要求[5-7]，因而更具优势。12 脉冲自耦变压整流器又分为对称式和不对称式两种。目前，航空领域大多应用对称式12 脉冲自耦变压整流器，由于其自身拓扑结构的特点，为了避免150°相位差的组间导通，需要相间变压器（IPT，interphase transformer）辅助，才能保证其正常运行，这额外增加了变压整流器的整体体积和重量，即等效容量较大。不对称式12 脉冲自耦变压整流器的拓扑结构[8-10]，使其无需相间变压器辅助，可使产品具有更小的等效容量、体积和重量。

1 对称式12 脉冲ATRU 的原理与分析

对称式12 脉冲自耦变压整流器的变压器绕组和电路拓扑结构[11-14]，如图1 所示，其中Np为主绕组匝数，Ns为辅助绕组匝数，Vd和Id分别为整流器直流输出电压和电流，其矢量图如图2 所示，其中N 为中性点。

图1 对称式12 脉冲ATRU 绕组和电路拓扑结构Fig.1 Winding and circuit topology structure of symmetric 12-pulse ATRU

图2 对称式12 脉冲ATRU 矢量图Fig.2 Vector diagram of symmetric 12-pulse ATRU

从图1 和图2 可知，对称式ATRU 的设计和工作原理是采用辅助绕组构建6 个幅值相等的辅助相电压矢量Vaf、Val、Vbf、Vbl、Vcf、Vcl，且为基本相电压矢量Va、Vb和Vc的1.03 倍；相位相对于对应的基本相电压矢量分别超前和滞后15°。由于辅助相电压矢量幅值相等且相位对称，因此，Vaf、Vbf、Vcf构成的整流桥与Val、Vbl、Vcl构成的整流桥导通角相等，每个桥的平均输出电流均为整流器直流输出电流Id的一半。

应用傅里叶分析，可以得出15°相移对称式12 脉冲自耦变压整流器输入电流总谐波失真（THD，total harmonic distortion）理论值为12.6%；变压器等效容量为0.316Vd-avId-av，其中Vd-av为整流器直流输出电压平均值，Id-av为整流器直流输出电流的平均值，如图1 所示。

从图2 可知，由于这种对称式12 脉冲整流器存在由150°夹角相电压矢量合成的线电压矢量Vafbl、Vbfcl、Vcfal，因此，需要采用IPT 才能正常工作，将大大增加整流器的体积和重量。

2 不对称式12 脉冲ATRU 设计

三相交流系统的3 个基本相电压矢量Va、Vb、Vc合成的6 个基本线电压矢量Vab、Vac、Vbc、Vba、Vca、Vcb等幅值，等相位间隔60°，与基本相电压矢量的相位差为30°，幅值为相电压的倍。因此，如构建3 个辅助相电压矢量Val、Vbl、Vcl，分别与基本相电压矢量Va、Vb、Vc相位相反，幅值相差倍，则能获得6 个新合成线电压矢量Vabl、Valc、Vbcl、Vbla、Vcal、Vclb，与6 个基本线电压矢量Vab、Vac、Vba、Vbc、Vca、Vcb等幅值，相位相差30°，从而构成12 脉冲电压矢量空间，如图3 所示。

图3 不对称式12 脉冲ATRU 矢量图Fig.3 Vector diagram ofasymmetric12-pulseATRU

图4 为不对称12 脉冲整流器电路拓扑结构。根据图3 所示，可以得出每个基本相电压矢量Va、Vb、Vc导通角为90°，每个辅相电压矢量Val、Vbl、Vcl导通角为30°，因此，主桥BD1 全周期导通270°，辅桥BD2 导通90°，主桥与辅桥导通相角比为3 ∶1，即主桥传递75%的功率，辅桥传递25%的功率。

图4 不对称式12 脉冲ATRU 电路拓扑结构Fig.4 Circuit topology of asymmetric 12-pulse ATRU

按图3 所示不对称式12 脉冲ATRU 绕组结构设计如图5 所示，其中D1、D2、D3为同名端端子；Np1和Np2分别为第1 段主绕组和第2 段主绕组匝数，Np1+Np2=Np；Ns为辅助绕组匝数。

图5 不对称式12 脉冲ATRU 绕组结构Fig.5 Winding structure of asymmetric 12-pulse ATRU

根据矢量合成原理可得

从图5 可知，根据矢量关系可以确定绕组同名端，即副边绕组D1-al 与原边绕组c-b 之间D1与c 为同名端，al 与b 为同名端，以此类推，可得

根据上述方程组及图5，绕组匝数归一化的变压器线圈结构如图6 所示。

图6 绕组匝数归一化的变压器线圈结构Fig.6 Transformer coil structure with normalized number of winding turns

3 不对称12 脉冲ATRU 输入电流分析

图7 为不对称式12 脉冲ATRU 磁路图，其中i 代表瞬时电流。

图7 不对称式12 脉冲ATRU 磁路图Fig.7 Magnetic circuit diagram of asymmetric 12-pulse ATRU

对于每个铁芯柱而言，根据磁势平衡原理（安匝平衡）可得

根据图3 及式（2）、式（3）、式（5）～式（8），可求出输入电流及相关绕组电流的分布情况，如图8 所示，其中，ω 表示角加速度，t 表示时间。

图8 不对称式12 脉冲ATRU 输入电流波形Fig.8 Input current waveform of asymmetric 12-pulse ATRU

根据图8 整流器输入电流isc波形分析结果[15-16]，其电流有效值如下

对输入电流isc进行傅里叶级数分解可得

当傅里叶级数n=1 时，则可得isc的基波电流表达式为

则基波电流有效值为

4 不对称12 脉冲ATRU 等效容量分析

根据图8 电流分析波形，可得变压器原边绕组电流有效值[17-18]为

则副边绕组（辅助绕组）电流有效值为

由式（2），变压器原边绕组电压有效值为

式中Vl为输入线电压有效值。

根据式（3），副边绕组电压有效值为

则变压器的结构容量为

则变压器的等效容量为

在一个周期内，整流器输出为12 脉冲，输出电压波形如图9 所示。

图9 不对称式12 脉冲ATRU 输出电压Fig.9 Output voltage of asymmetric 12-pulse ATRU

据图9 可知，输出电压可表述为

根据式（20）和式（22）可得，变压器等效容量为

可见，与对称式12 脉冲变压整流器0.316 Vd-avId-av的等效容量相比，不对称式12 脉冲变压整流器的等效容量更小了。

5 整流桥选型

整流桥输入为115 V 三相交流电压，考虑浪涌电压，相电压的有效值短时间内会达到180 V，对应的线电压峰值约为423 V，考虑裕量一般选择600～800 V 的整流桥。根据10 kV 的功率计算输出电压最大电流约为40 A，主桥和辅桥流过的电流约为30 A 和10 A，本设计中，主桥选择VUO30-08N03，规格为37 A，800 V，辅桥选择VUO16-08N01，规格为20 A，800 V。

6 仿真验证

采用Saber 仿真软件对不对称式12 脉冲自耦变压整流器进行了仿真验证[19-22]，仿真模型参数设置如下：

（1）绕组匝数，Np=180 匝，Ns=28 匝；

（2）输入差模滤波电感为100 μH；

（3）输出滤波电容为200 μF；

（4）负载，阻性载为7.29 Ω。

（5）输入电压为115 Vrms/400 Hz。

输入电流仿真波形如图10 所示。输入电流总谐波值为9.6%，单次谐波含量均能满足DO-160 标准要求。

图10 输入电流仿真波形Fig.10 Simulation waveform of input curret

图11 选取了两个整流桥输入电压中的一组进行分析，可以看出Valbl约为Vab的0.732，相位相差约为60°，与设计预期结果相符。

7 实际应用及验证

将不对称式12 脉冲变压整流技术应用于航空电源教学中，研制出1 台10 kW 多电飞机高压直流电源模拟装置，装置图如图12 所示。

图12 高压直流电源模拟装置Fig.12 HVDC power supply simulator

多电飞机高压直流电源模拟装置可以将飞机主电源115 VAC 转换为270 VDC 输出。

采用福禄克NORMA 5000 功率分析仪对输入电流波形、总谐波、关键性单次谐波、效率等参数的验证，输入电流和输出电压测试结果如图13 所示。

图13 输入电流波形Fig.13 Input current waveform

由图10 和图13 可以看出，输入电流的实测值与仿真结果相近，谐波较小。

将不对称式和对称式12 脉冲变压整流器参数进行对比，如表1 所示。从表1 可知，不对称式12 脉ATRU输入电流总谐波、关键性单次谐波较对称式略大，但均满足DO-160 标准的要求。

表1 性能参数Tab.1 Performance parameters

8 结语

由实验数据可知，本文所提出的不对称式12 脉冲自耦变压整流器设计，相对传统对称式设计效率更高，等效容量更小，且无需增加IPT，具有更小的体积和重量优势。后续可以通过变压器优化设计进一步减小总谐波和单次谐波。因此，不对称12 脉冲自耦变压整流器对于体积和重量设计压力较大的航空电源产品，是一种较为理想的谐波抑制解决方案。