變抽頭六相整流電路的分析

2019-11-03 09:59:55

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供稿：網友

潘啟軍，劉德志

海軍工程大學電力電子技術應用研究所

湖北武漢　430033

　　摘要：交直流供電系統中，必須有效抑制整流器交流側電流波形畸變，減小輸出直流電壓脈動，提高系統的電磁兼容性，優化直流電源供電品質。該文通過理論推導和實驗研究，對帶有變抽頭均衡電抗器的新型六相整流系統進行了詳細分析，給出了該系統的數學模型。通過解析法得出交流側電流和直流輸出電壓波形，對交流電流進行傅氏級數分解，計算了整流器變壓器原邊電流正弦性畸變率和直流電壓脈動系數，并得到它們的變化規律。結合實驗研究電流正弦性畸變率的影響因素，證明了理論分析的正確性，得到了抽頭換接器的匝數匹配優化值，為變抽頭整流系統的工程設計提供重要的技術指導。

　　關鍵詞：六相二極管整流器；變抽頭均衡電抗器；電流諧波畸變；電壓脈動

　　1 引言

　　艦船上直流負載常采用三相交流電源經整流橋供電[1]，在運行時向電網注入諧波電流，由此帶來交流電網波形畸變和系統的傳導、輻射干擾，使電力系統中某些設備不能正常工作甚至損壞。消除這種現象的一個有效的方法是使用有源相間電抗器[2]或增加整流的相數[3]，但這將增加裝置的成本和體積。變抽頭整流系統可以顯著提高整流電源供電質量，而其結構僅僅是在傳統整流器的基礎上增加幾個開關。文[4]、[5]對這種整流裝置進行了初步分析，但是該文獻研究的主電路及抽頭換接器均采用晶閘管，增加了設備的成本并使裝置的控制變得復雜，對其諧波含量及影響因素也沒有進行全面研究。本文在文[4]、[5]的基礎上，對帶有二極管變抽頭均衡電抗器的3/6相變壓器不可控整流系統進行了詳細分析和實驗研究。該項研究成果可用于正確設計三繞組變壓器，解決變抽頭匝數最優匹配問題，為設計高品質直流電源提供保證。合理選擇參數，可使直流供電系統性能優越，更好滿足電磁兼容性要求。該系統結構簡單，運行可靠，技術性能優良，具有重要的軍事和經濟效益。

　　為使分析簡化，引入以下假設：

　　（1）整流變壓器輸入為三相對稱正弦電壓源；

　　（2）直流側負載串聯電感足夠大，可認為輸出電流平直；

　　（3）二極管作為理想開關元件處理；

　　（4）電流換相過程可看成超瞬變過程，且設

　　發電機超瞬變電抗

。在此條件下可證明，發電機用正弦波電勢和電抗

來加以等效；

　　（5）忽略發電機定子繞組、變壓器及均衡電抗器電阻。

　　2 不計換相的變抽頭六相整流電路

　　2.1 六相整流裝置

　　圖1所示為六相整流裝置，主變壓器為三繞組變壓器，原邊為Y聯結，第二、三繞組分別為Y、D聯接，2個副邊繞組的交流線電壓在相位上相差30º。為使整流橋的直流輸出電壓平衡，取3個繞組相對匝數比為

　　設圖1電路中變壓器原邊相電壓為式(1)所示，則變壓器副邊Y2與D3 兩個對稱三相繞組對應線電壓構成六相對稱交流電壓輸出。

　　2.2 變壓器原邊交流電流

　　如圖1所示，Y2和D3整流后流向均衡電抗器的電流分別為id1 、id2，由 id1+id2=Id和均衡電抗器的磁勢平衡關系可得

　　式中 αm=NP/N0；N0為均衡電抗器的總匝數；NP為AP或AP'的匝數。

　　電流ia1關于縱軸對稱故電流諧波僅有余弦項，根據傅氏分解可求得

　　分析各次諧波含量，如表1所示。和傳統六相整流相比，變抽頭六相整流的單次特征諧波幅值(12k±1次)大大減少，引入變抽頭均衡電抗器后，可以證明，附加環流im以11、13次諧波為主要成份，并且與傳統六相整流的11、13次諧波相位相反，從而減小了主要特征諧波(12k±1次)。衡量諧波干擾大小不但要考慮單次諧波幅值，而且要考慮綜合作用即電流波形正弦性畸變率hTHD（以下記為hTHD）的大小。定義

　　式中 Im為扣除基波分量后電流有效值；I為基波分量有效值。

　　在不考慮換相影響時可算得傳統六相整流變壓器原邊交流電流hTHD≈0.1507。而整流器帶抽頭換接器時原邊電流hTHD和變抽頭匝數比am的取值有關。表2列出了當am取不同值時相對應的交流電流hTHD，圖3是hTHD-am關系圖。從表2和圖3可以發現hTHD有極小值約為0.0742，此時am≈0.2500，因此，均衡電抗器變抽頭匝數比不能過小，也不能過大，在不考慮換相電抗影響時，匝數比應取am|最優值≈0.2500。

　　2.3 直流輸出電壓

　　直流輸出電壓為ud，2個三相整流橋各自獨立工作時，設ud1為REC1的直流輸出電壓，ud2為REC2的直流輸出電壓，均衡電抗器上的電壓為

　　ud的解析表達式可寫作

波形如圖5所示。顯然ud的脈波由原來的12個變成了24個，輸出電壓品質得到明顯改善。

　　若定義直流負載電壓ud的脈動系數

則傳統六相整流器輸出電壓脈動系數約為1.72%，帶變抽頭均衡電抗器的六相整流器輸出電壓脈動系數和匝數比am有關，表3列出了不同am對應的k值，圖6是k-am關系圖。和傳統六相整流相比，變抽頭六相整流的輸出電壓脈動系數k要小得多。

　　3 變抽頭換相對系統的影響

　　為節省篇幅，只對變壓器原邊交流電流進行分析。

　　設γ為整流換相角，γD為變抽頭二極管換相角。為使分析方便，結合工程實踐限定γ∈[0°,15°]，整流系統工作在典型工況γD∈[15°,30°]下，下面對此工作狀態進行分析。

　　設整流橋REC1和REC2完全對稱，根據整流換相和二極管換相特點，將0o~30o范圍劃分為[0,γD-15°]、[γD-15°γ]、[γ,15°]和[15°,30°]，在各區間根據KVL和KCL列寫電路方程，從而求解出變壓器原邊交流電流的分段解析式。

　　x1和x2為變抽頭單管導通解耦后的等效電抗，xY和x△是三繞組變壓器折算到副邊的等效電抗，xMN（M，N=1，2，3，…）為變抽頭各段的自阻抗或各段間的互阻抗，各段的標號如圖1所示。

　　取Id=30(A),αm=0.2632，變壓器原邊交流電流理論分析波形和實測波形如圖7所示。

　　比較圖2和圖7，顯然考慮整流換相和變抽頭換相后交流電流理論分析波形更接近實測波形。關于變壓器原邊交流電壓的分析可參考文[6]。

　　4 試驗結果

　　4.1 變壓器原邊交流電流

　　為了驗證理論分析的正確性，為帶變抽頭均衡電抗器的六相整流系統的設計提供指導，我們利用三相同步發電機、三相三繞組變壓器﹑六相整流柜﹑總匝數可變帶有變抽頭的均衡電抗器以及電阻箱構造了直流供電系統，用于實驗研究。

　　由圖8可知，傳統六相整流變壓器原邊交流電流近似于階梯波，并且階梯波的寬度和幅度都很大，電流波形很差，電流諧波很大。和傳統六相整流相比，變抽頭六相整流變壓器原邊交流電流波形有很大改善，階梯波的幅度和寬度都比較小，隨著負載電流的增大，變抽頭改善電流波形的功能更加顯著，波形的改善程度跟變抽頭匝數比有關系，實驗結果和理論分析吻合。

　　取Id≈30(A)典型工況，變壓器原邊交流電流ηTHD與αm的對應值如表4所示。

　　由表4和圖9可知，傳統六相整流變壓器原邊交流電流正弦性畸變率hTHD較大，額定負載時hTHD為9.52%。隨著變抽頭匝數比am的增大，變抽頭六相整流變壓器原邊交流電流hTHD逐漸減小，當am約為0.2632時，電流hTHD有最小值，額定負載時只有3.59%，此時電流波形接近正弦波，當am超過0.2632后，電流hTHD反而增大。

　　傳統六相整流和αm≈0.2632時的變抽頭六相整流變壓器原邊交流電流各次諧波大小如表5所示。

　　傳統六相整流和αm≈0.2632時的變抽頭六相整流的變壓器原邊交流電流諧波主要是6k±(k=1，2，…)。由表5可知，傳統六相整流交流電流的11和13次諧波非常大，11次諧波約為7.9%，13次諧波約為4.9%，這樣高的低頻諧波含量難以滿足電磁兼容性要求，而變抽頭六相整流交流電流的11和13次諧波相對很小，11次諧波不超過2.4%，13次諧波不超過1.6%，這對滿足電磁兼容性要求至關重要。另外，變抽頭六相整流對其他次諧波也起到削弱作用。

　　理論分析時假定了REC1和REC2完全對稱，但實際上REC1和REC2在負載電流小時不對稱，實驗測量的5、7次諧波的含量較大(受篇幅所限，文中未給出相關數據)；而當負載電流比較大時雙橋基本對稱，實驗測量的5、7次諧波的含量很小。因此，三繞組變壓器兩副邊的對稱程度影響諧波的分布，對稱性好，諧波含量小，因此在設計變壓器時一定要保證副邊兩繞組的對稱性。

　　4.2 直流輸出電壓

　　當Id≈30(A)直流輸出電壓波形如下圖所示。

　　圖9表明，和傳統六相整流相比，變抽頭六相整流系統能增加直流輸出電壓的脈波數，減小脈動系數。

　　5 結論

　　（1）和傳統六相整流相比，變抽頭六相整流變壓器原邊交流電流正弦性畸變率hTHD大幅度減小，變壓器原邊交流線電壓和直流輸出電壓波形明顯改善。

　　（2）變抽頭六相整流與傳統六相整流相比，直流輸出電壓脈波數由12脈波變為24脈波，后者直流輸出電壓脈動系數k ≈1.72%，前者直流輸出電壓脈動系數k比后者顯著減小，直流供電品質有明顯提高。

　　（3）隨著變抽頭匝數比am的增大，交流電流hTHD逐漸下降，當am增加到某一值時，交流電流hTHD達到最小值，am繼續增加時，交流電流hTHD反而增大。由理論分析可知，當am≈0.2500時，交流電流hTHD達到最小值，由試驗結果可知，當am≈0.2632時，交流電流hTHD達到最小值，兩者相當接近。此時，交流線電壓畸變及直流輸出電壓脈動都比較小，因此我們選取am≈0.2632為變抽頭匝數比的最優化值。

　　（4） REC1和REC2的對稱性越好，變壓器原邊交流電流的6(2k-1)±1 (k=1,2,…)次諧波越小。負載電流小時，REC1和REC2的對稱性差，交流電流的6(2k-1)±1次諧波大，負載電流大時，REC1和REC2的對稱性好，交流電流的6(2k-1)±1次諧波小。因此，在設計變壓器時，必須注意鐵心結構及副邊三角形繞組和星形繞組的匝數設計，使副邊兩個繞組對稱，以減小5次、7次諧波。

　　（5）考慮整流換相及變抽頭二極管換相過程，能夠比較準確的描述變抽頭六相整流系統。變抽頭均衡電抗器本身的非線性、三繞組變壓器的不完全對稱、變抽頭各段間的互感及自感均采用全耦合是實驗誤差的主要原因。

　　參考文獻

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摘自《中國電機工程學報》

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