24脈波移相整流變壓器技術研究綜述*

孫玉偉 潘天雄 嚴新平 袁成清 湯旭晶 潘鵬程

(武漢理工大學能源與動力工程學院1) 武漢 430063) (武漢理工大學國家水運安全工程技術研究中心可靠性工程研究所2) 武漢 430063) (武漢理工大學交通部船舶動力工程技術交通行業重點實驗室3) 武漢 430063)

0 引 言

整流變換作為最常用的電能變換之一，已廣泛應用于直流電機、電鍍、新能源、航天等各個領域，而整流器件的強非線性給電網帶來了大量的諧波污染[1-2],為此許多國家都相繼制定了限制電力系統諧波的標準，如IEC555-2,IEEE519等[3].大功率整流工程實踐中主要采用LC濾波、功率因數校正、PWM整流和多脈波整流等諧波控制方法，其中：尤以具有諧波抑制率高、低噪聲、低電磁干擾(EMI)和射頻干擾(RFI)、實現簡單、可靠性高等特點的多脈波整流技術應用最為廣泛.隨著多脈波整流技術的發展，整流系統脈波數增多，電網總諧波畸變率(total harmonic distortion，THD)得以有效控制，但脈波數過多會使系統過于復雜，制造精度和對稱性難以得到保證[4].24脈波整流系統在兼顧了設備復雜度和成本等因素的同時，具有良好的系統諧波抑制能力，而成為多脈波整流技術發展的主流[5].

本文首先闡述了24脈波整流技術的原理及分類，從移相變壓器的結構形式出發，分別介紹了基于隔離型、自耦型、直線式和圓形移相變壓器24脈波整流系統的拓撲結構和變換原理，并對其結構和性能做了對比分析，最后對該領域進行了總結和展望.

1 24脈波整流技術原理及分類

24脈波整流器通常由移相變壓器和多個整流橋構成，在一個三相電源系統中，輸出直流電壓在一個交流周期內有24個波頭[6-7].其原理是通過移相變壓器，實現交流線電壓移相，多相輸出到若干個三相整流橋，通過各整流橋的諧波疊加抵消，抑制輸入電流中23次以下的諧波，從而減小交流輸入系統中的諧波含量和直流輸出電壓中的波紋[8].

24脈波整流器的類型很多，根據不同的特性可以作如下歸類：根據內置移相變壓器有無電隔離可以分為隔離型和非隔離型，根據整流器中電力電子器件是否可控可以分為可控型和不控型[9].移相變壓器是其中的關鍵設備，原邊繞組與副邊繞組的聯結方式有很多種，包括△/Y、延邊三角形、曲折形、多邊形等[10].其移相原理都是通過繞組的不同聯結方式，改變原副邊繞組電壓的相位，圖1和表1分別介紹了幾種繞組的聯結方式和相應的原副邊匝數計算公式.限于篇幅，本文主要以延邊三角形接法為例介紹相應的整流拓撲結構.

圖1 移相變壓器的原副邊繞組聯結方式

表1 移向變壓器原副邊匝數比關系及相角度[10]

△/YN2=n·3·N1±30°3·sin α·N3=sin(30°-α)·N2N2+2·N3=2·n·cos α·N130°-30°<α<30°sin α·N2=sin(60°-α)·N3(n·N1)2+N22-N32=2·n·N1·N2·cos α60°-60°<α<60°sin α=k·sin(120°-α)·(n·N1)2+N22-(k·N2)2=2·cos α·n·N1·N2-60°<α<60°

注：n-變壓器的變壓比;α-移相角;N1-原邊匝數;N2、N3-副邊匝數;“k”-多邊形繞組上抽頭兩端繞組的匝數比.2 基于隔離變壓器的24脈波整流技術概況

2.1 24脈波隔離式不控型整流器

24脈波不控型整流器目前已廣泛應用于國內城市軌道交通牽引供電系統，這種整流裝置可靠性更高，更加經濟，缺點是電能只能單向流動且整流器體積龐大，圖2為幾種典型的不控型24脈波整流系統.圖2a)整流機組主要由兩臺12脈波軸向雙分裂式牽引整流變壓器和四組全波整流橋組成，變壓器原邊采用延邊三角形，副邊繞組分別采用△，Y接法，輸出4組線電壓相位差15°，通過整流橋整流后實現了24脈波整流[11-13].該系統采用的軸向雙分裂式結構的變壓器，增大了其抗干擾能力，原邊采用延邊三角形移相，一次側3次諧波電流不注入電網，二次側形成多脈波輸出，使直流波形更加平緩，諧波含量更低.圖2b)4組整流橋為串聯聯結，該電路的副邊相比圖2a)的對稱性更好，它們共同的缺點是變壓器體積龐大且效率低[14].圖2c)，變壓器采用Y/Y/△聯結，兩個副邊繞組的交流線電壓相位相差30°，引入變抽頭均衡電抗器后，產生不流經負載的附加環流以11、13次諧波為主要成分，與網側11，13次諧波相位相反，從而相互抵消形成24脈波整流[15-17].該系統在設計變壓器時，要求副邊兩繞組對稱性好，必須注意鐵芯結構及副邊三角形繞組和星形繞組的匝數設計，變抽頭均衡電抗器起電壓均衡、電流平波等作用，合理的均衡電抗器設計能提高并聯雙橋的利用率，維持電流連續及減小直流脈動.圖2d)經過整流橋和2抽頭變換器形成24脈波整流，該整流變壓器副邊都采用延邊三角形聯結，從而對稱性更好，更有利于諧波的抑制.

圖2 隔離式不控型24脈波整流系統

2.2 24脈波隔離式可控型整流器

24脈波隔離式可控型整流器主要應用于大功率場所，如高壓直流輸電 (high-voltage direct current，HVDC)、大型直流電機驅動、可再生能源轉換系統等.圖3a)移相變壓器原邊繞組為△，Y接法，副邊繞組采用4組延邊三角形接法，分別移相-22.5°，-7.5°，+7.5°，+22.5°[19].圖3b)2抽頭變換器采用晶閘管取代了二極管，通過晶閘管的閉環控制，使2個整流橋輸出的電流平均值相等，從而避免了抽頭變換器飽和，減小了抽頭變換器的電感值[20].

圖3 隔離式可控型24脈波整流系統

3 基于自耦變壓器的24脈波整流技術概況

隔離型的多脈波整流器實現了輸入輸出的隔離，結構比較簡單，但是其輸入的能量完全通過磁耦合到輸出端，導致變壓器等效容量大，造成整流器的體積龐大.在不要求電氣隔離的情況下采用自耦變壓器，通過變壓器磁耦合的能量僅占輸出功率能量的一小部分，從而減小變壓器容量，減小整流器的體積與成本.

圖4a)為一種采用自耦變壓器的24脈波整流系統[21]，其特點是采用的單臺自耦變壓器，輸入端電流經過變壓器移相后，形成四組三相電路線電壓依次相差15°，四組整流橋電路分別通過平衡電抗器并聯聯結，輸出24脈波直流.此電路中采用的自耦變壓器的等效容量僅為輸出功率的17.3%，整流器體積大大減小，在大功率整流場合下優勢尤為顯著.圖4b)為三角形連接自耦變壓器24脈波整流系統[22]，與圖4a)不同的是，它由兩臺12脈波自耦變壓整流器并聯構成，通過相間變壓器分別移相±7.5°，分別接入兩臺延邊三角形變壓器，輸出4組相位依次相差15°，幅值相等的整流橋輸入電壓.此方案的自耦變壓器等效容量為輸出功率的17.04%，且其變壓器結構對稱，易于諧波抑制.

圖4 自耦變壓器24脈波整流系統

4 基于直線式移相變壓器的24脈波整流系統

孫盼等[23-24]設計了一種基于直線式移相變壓器的多脈波整流器，提出了一種基于直線感應電機原理的直線式移相變壓器拓撲.圖5為3相/12相直線式移相變壓器結構圖.圖中陰影部分構成了一次側A相繞組，一次側與二次側鐵心長度、寬度尺寸相同，分別采用短距繞組和整距繞組，各開有12個槽和12套繞組，其極對數為1.一次側12個繞組采取60°相帶分相，將對稱的三相交流電通入一次側三相繞組，在變壓器氣隙間將生成一個平移的正弦磁場，二次側的 12 套繞組感應出相位依次相差30°的電動勢，將產生的12相輸出分成4組三相電源，并聯后接入至整流橋向負載供電，輸出的電壓含有24個脈波，與傳統的隔離式柱形24脈波整流系統相比，其諧波畸變率THD更低.

圖5 直線式移相變壓器結構[25]

5 基于圓形移相變壓器的24脈波整流系統

王鐵軍等[25]設計了應用于24脈波整流系統的圓形移相變壓器，采用圓柱式鐵芯結構，利用旋轉磁場實現多組移相.圖6為圓形移相變壓器結構示意圖，其機構與感應電機相似，變壓器原邊固定，放置一組星形連接的3相對稱繞組，副邊(即定子)放置4組星形連接的3相繞組，副邊a1至a4相位依次相差15°，槽口位子見圖6，各繞組的b，c相對應于a相上相移120°和240°.根據旋轉磁場原理，通電后原邊繞組在鐵芯內產生旋轉磁場，副邊繞組將依次產生四組15°移相的三相感應電動勢，將四組三相輸出分別接入橋式整流電路，4組整流橋串聯疊加后得到24脈波直流輸出.

圖6 3相/12相圓形變壓器結構[26]

6 整流變壓器的對比分析

傳統的柱形移相變壓器為了保持輸出三相的對稱性并實現正確的移相，需要特殊設計繞組的匝數比、聯結方式和串聯次序等.變壓器的結構隨著脈波數的增多更復雜，體積更龐大，且不同的聯結方式只能實現一種角度的移相.

基于直線電機結構的直線式移相變壓器，其繞組布設更為方便，除了可以用于整流外，還可以用于逆變電路，通過模塊的疊加能應用于大功率整流場合.該變壓器內部的鐵芯存在縱向和橫向兩個邊端，產生邊端效應，會影響其效率和諧波分量[27].通過減小氣隙寬度和增加邊齒寬度削弱邊端效應，使直線式移相變壓器工作在最佳狀態，其效率和電壓調整率與柱形變壓器相比稍低，但抑制諧波效果更好.

圓形移相變壓器因其采用圓形電機式鐵芯結構，原副邊繞組均勻分布于鐵芯內部，磁路更加緊湊和對稱，移相更為準確.該變壓器同側匝數相同，原副邊匝數比計算更為簡單，電壓調整率較大，適合于可控整流.在效率、功率因數等方面，其性能較柱形變壓器略低，在電磁設計方面仍有進一步改善的空間.

7 結 論

1) 移相變壓器是24脈波整流系統的必需器件，采用自耦變壓器大大減小了整流器的體積，提高了整流器的整體性能，但其非隔離因素和相對復雜的繞組結構使其成為大范圍應用的一個瓶頸.

2) 隨著多脈波整流技術的發展，通過改進移相變壓器的電磁結構，基于直線式移相變壓器和圓形移相變壓器等新型的整流裝置，減少了設備元件數量，降低了設計和制造成本.

3) 在24脈波整流電路理論設計的基礎上，將其與直流側有源諧波抑制方法相結合，可得到更好的波形.