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一種升降壓式12脈沖自耦變壓整流器.pdf

摘要
申請專利號:

CN201510943796.9

申請日:

2015.12.17

公開號:

CN105471283A

公開日:

2016.04.06

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):H02M 7/06申請日:20151217|||公開
IPC分類號: H02M7/06; H01F27/28 主分類號: H02M7/06
申請人: 南京航空航天大學
發明人: 姜帆; 葛紅娟; 楊光; 吳雙; 陳舒文; 林怡
地址: 211100江蘇省南京市秦淮區御道街29號南京航空航天大學
優先權:
專利代理機構: 代理人:
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201510943796.9

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2018.01.30|||2016.05.04|||2016.04.06

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明公開了一種升降壓式12脈沖自耦變壓整流器,包括升降壓式12脈沖自耦變壓器,兩組整流橋和兩個平衡電抗器。所述升降壓式12脈沖自耦變壓器每相3個繞組,其中原邊是1個具有兩個中間抽頭的繞組,副邊有2個繞組;合理連接其原副邊繞組,改變自耦變壓器原副邊繞組的匝數比,即改變原邊和副邊繞組上的電壓矢量和,可實現固定幅值的兩組相位相差30°的三相交流電壓輸出;有效解決了現有差接三角型12脈自耦變壓整流器輸出電壓不可調的問題。本發明在保證12脈沖自耦變壓整流器性能的基礎上使自耦變壓器的輸出電壓實現對輸入電壓0.557~1.115倍的寬范圍調整。

權利要求書

1.一種升降壓式12脈沖自耦變壓整流器,及其變壓器原副邊繞組匝數關系;自耦變壓
整流器特征在于:包括升降壓式12脈沖自耦變壓器,兩組整流橋(后續自耦變壓整流器與整
流橋均為三相)和兩個平衡電抗器;其自耦變壓器原副邊繞組匝數關系特征在于:以A相為
例,說明具體的匝比關系;設原邊繞組(ab)總匝數為Np,由兩個中間繞組(a1、a2)分成
三段(aa1、a1a2、a2b),匝數分別是Np1、Np2、Np3,副邊繞組(c2a″、b’b1)的匝數
分別為Ns1、Ns2。定義自耦變壓器輸出相電壓Ua′N與輸入相電壓UAN之比為升降壓比Ku
(Ku=Ua′N/UAN=Ua′b′/UAB);定義繞組匝數Np1與原邊總繞組匝數Np之比為KNp1
(KNp1=Np1/Np);定義繞組匝數Np2與原邊總繞組匝數Np之比為KNp2(KNp2=Np2/Np);
定義繞組匝數Np3與原邊總繞組匝數Np之比為KNp3(KNp3=Np3/Np);定義繞組匝數Ns1與
原邊總繞組匝數Np之比為KNs1(KNs1=Ns1/Np);定義繞組匝數Ns2與原邊總繞組匝數Np
之比為KNs2(KNs2=Ns2/Np);其表達式分別如下:

KNp2=1-2KNp1;

2.自耦變壓器副邊輸出電壓與原邊電壓比在Ku=0.557~0.707范圍內時,繞組的連接方
式特征在于:自耦變壓器每相原邊有一個繞組(ab、bc、ca),每相副邊有兩個繞組(c2a″、
b’b1,a2b″、c’c1,b2c″、a’a1),原邊接輸入三相電壓(UAN、UBN、UCN),副邊輸出
兩組三相電壓(Ua′N、Ub′N、Uc′N、Ua″N、Ub″N、Uc″N),副邊輸出線電壓矢量由4個原副
邊矢量合成(如);以A相為例,該自耦變壓器的繞組結構及
繞組具體連接方式為:自耦變壓器原邊繞組(ab)由兩個中間抽頭(a1、a2)分成三段(aa1、
a1a2、a2b),副邊有兩個繞組(c2a″、b’b1)。原邊繞組的首端(a)為A相電壓輸入端,
連接輸入電壓源(UAN);中間抽頭(a1)與C相副邊繞組(a’a1)的末端(a1)相連接;中
間抽頭(a2)與B相副邊繞組(a2,b″)的首端(a2)相連接;原邊繞組的末端(b)
與B相原邊繞組(bc)的首端(b)和輸入電壓源(UBN)相連接;副邊繞組(c2a″)的首端
(c2)與C相中間抽頭(c2)相連接,副邊繞組(c2a″)的末端(a″)作為輸出電壓引出
端(a″);副邊繞組(b’b1)的首端(b’)作為輸出電壓引出端(b’),副邊繞組(b’b1)
的末端(b1)與B相中間抽頭(b1)相連接;B相和C相的連接方式與A相相似。
3.自耦變壓器副邊輸出電壓與原邊電壓比在Ku=0.707~1.115范圍內時,繞組的連接方
式特征在于:以A相為例,該自耦變壓器的繞組結構及繞組具體連接方式為;自耦變壓器原
邊繞組(ab)由兩個中間抽頭(a1、a2)分成三段(aa1、a1a2、a2b),副邊有兩個繞組(b1b’、
a″c2)。原邊繞組的首端(a)為A相電壓輸入端,連接輸入電壓源(UAN);中間抽頭(a1)
與C相副邊繞組(a1a’)的首端(a1)相連接;中間抽頭(a2)與B相副邊繞組(b″a2)的
末端(a2)相連接;原邊繞組的末端(b)與B相原邊繞組(bc)的首端(b)和輸入電壓源
(UBN)相連接;副邊繞組(b1b’)的首端(b1)與B相中間抽頭(b1)相連接,副邊繞組(b1b’)
的末端(b’)作為輸出電壓引出端(b’);副邊繞組(a″c2)的首端(a″)作為輸出電壓引
出端(a″),副邊繞組(a″c2)的末端(c2)與C相中間抽頭(c2)相連接;B相和C相
的連接方式與A相相似。

說明書

一種升降壓式12脈沖自耦變壓整流器

技術領域

本發明屬于電能變換領域,具體指一種升降壓式12脈沖自耦變壓整流器。

背景技術

多脈沖整流技術按照輸出電壓脈沖數可以分為12脈沖,18脈沖,24脈沖,30脈沖等,
使得網側電流變為相應脈沖數,脈沖數越多相應的交流側電流THD值越低,但是變壓器結構
越復雜且整流橋組數越多。目前航空上使用最廣泛的是12脈變壓整流器,其體積小重量輕,
技術成熟。隔離式多脈沖變壓整流器通過合理設計變壓器原副邊繞組的變比可以實現28V
直流輸出,通過輸入端無源濾波便可滿足航空上對諧波的要求,結構簡單,可靠性強,但是
變頻輸入情況下輸出電壓調整率變化大且其壓器等效容量為輸出功率的1.03倍,導致系統體
積重量較大。采用自耦變壓器代替隔離變壓器,可有效減小變壓整流系統的體積和重量,同
時功率傳輸效率更高。現有的差接三角型12脈沖自耦變壓整流器輸出電壓偏高且不可調,使
其的應用具有一定的限制性。

發明內容

本發明的目的是實現對12脈自耦變壓整流器輸出電壓的升降壓調節,提供一種寬范圍輸
出的12脈沖自耦變壓整流器。

為實現上述目的,本發明采用的方案為:

一種升降壓式12脈沖自耦變壓整流器。使12脈自耦變壓器的輸出電壓實現對輸入電壓
0.557~1.115倍的寬范圍調節。

一種升降壓式12脈沖自耦變壓整流器,包括升降壓式12脈沖自耦變壓器,兩組整流橋
(后續自耦變壓整流器與整流橋均為三相)和兩個平衡電抗器。升降壓式12脈沖自耦變壓整
流器實現對輸入電壓的升降壓調節,自耦變壓器每相原副邊繞組之間滿足一定的匝比關系,
以A相為例,說明具體的匝比關系:設原邊繞組(ab)總匝數為Np,由兩個中間繞組(a1、
a2)分成三段(aa1、a1a2、a2b),匝數分別是Np1、Np2、Np3,副邊繞組(c2a″、b’b1)
的匝數分別為Ns1、Ns2。定義自耦變壓器輸出相電壓Ua′N與輸入相電壓UAN之比為升降壓
比Ku(Ku=Ua′N/UAN=Ua′b′/UAB);定義繞組匝數Np1與原邊總繞組匝數Np之比為KNp1
(KNp1=Np1/Np);定義繞組匝數Np2與原邊總繞組匝數Np之比為KNp2(KNp2=Np2/Np);
定義繞組匝數Np3與原邊總繞組匝數Np之比為KNp3(KNp3=Np3/Np);定義繞組匝數Ns1與
原邊總繞組匝數Np之比為KNs1(KNs1=Ns1/Np);定義繞組匝數Ns2與原邊總繞組匝數Np
之比為KNs2(KNs2=Ns2/Np);其推導過程如下:

說明書附圖1是自耦變壓器的電壓矢量圖(Ku=0.557~0.707),取其a相矢量進行分析,
其中,am是原邊繞組的中點,N是輸入三相交流電壓矢量的中點,是輸入相電壓矢量,
令矢量長度為1,故可求出aam=0.866,是輸出相電壓矢量,故矢量長度為Ku,
且與的夾角為15°,在三角形Naa′中,根據余弦定理,可求出aa′的長度:


再由余弦定理,可求出∠Naa′為:

Naa = a r c c o s ( 2 - 1.932 K u 2 K u 2 + 1 - 1.932 K u ) ]]>

又已知∠aa1a′=120°,故三角形aa′a1中各個角度便可求出如下:

a a a 1 = 30 - Naa = 30 - a r c c o s ( 2 - 1.932 K u 2 K u 2 + 1 - 1.932 K u ) ]]>

aa a 1 = 180 - 120 - ( 30 - Naa ) = 30 + a r c c o s ( 2 - 1.932 K u 2 × 1 × K u 2 + 1 - 1.932 K u ) ]]>

進一步的,在三角形aa′a1,可由正弦定理得:


進一步可求得任意邊長:

a a 1 = K u 2 + 1 - 1.932 K u · s i n aa a 1 sin 120 = K u 2 + 1 - 1.932 K u · s i n ( 30 + a r c c o s ( 2 - 1.932 K u 2 K u 2 + 1 - 1.932 K u ) ) 0.866 ]]>

a a 1 = K u 2 + 1 - 1.932 K u · s i n a a a 1 sin 120 = K u 2 + 1 - 1.932 K u · s i n ( 30 - a r c c o s ( 2 - 1.932 K u 2 K u 2 + 1 - 1.932 K u ) ) 0.866 ]]>

其匝比表達式分別如下:


KNp2=1-2KNP1;

當Ku=0.707~1.115時其副邊繞組矢量方向相反,但其繞組匝比關系不變,為:


自耦變壓器副邊輸出電壓與原邊電壓比在Ku=0.557~0.707范圍內時,繞組的連接方式
為:一種升降壓式12脈沖自耦變壓器,每相原邊有一個繞組(ab、bc、ca),每相副邊有兩
個繞組(c2a″、b’b1,a2b″、c’c1,b2c″、a’a1),原邊接輸入三相電壓(UAN、UBN、UCN),
副邊輸出兩組三相電壓(Ua′N、Ub′N、Uc′N、Ua″N、Ub″N、Uc″N),副邊輸出線電壓由4個
原副邊矢量合成(如)。以A相為例,自耦變壓器原邊繞組(ab)
由兩個中間抽頭(a1、a2)分成三段(aa1、a1a2、a2b),副邊有兩個繞組(c2a″、b’b1)。
原邊繞組的首端(a)為A相電壓輸入端,連接輸入電壓源(UAN);中間抽頭(a1)與C相
副邊繞組(a’a1)的末端(a1)相連接;中間抽頭(a2)與B相副邊繞組(a2,b″)的首端
(a2)相連接;原邊繞組的末端(b)與B相原邊繞組(bc)的首端(b)和輸入電壓源(UBN)
相連接;副邊繞組(c2a″)的首端(c2)與C相中間抽頭(c2)相連接,副邊繞組(c2a″)
的末端(a″)作為輸出電壓引出端(a″);副邊繞組(b’b1)的首端(b’)作為輸出電壓引
出端(b’),副邊繞組(b’b1)的末端(b1)與B相中間抽頭(b1)相連接;B相和C相的
連接方式與A相相似。

進一步地,一種升降壓式12脈沖自耦變壓整流器,自耦變壓器副邊輸出電壓與原邊電壓
比在Ku=0.707~1.115范圍內時,繞組的連接方式為:以A相為例,自耦變壓器原邊繞組(ab)
由兩個中間抽頭(a1、a2)分成三段(aa1、a1a2、a2b),副邊有兩個繞組(b1b’、a″c2)。
原邊繞組的首端(a)為A相電壓輸入端,連接輸入電壓源(UAN);中間抽頭(a1)與C相
副邊繞組(a1a’)的首端(a1)相連接;中間抽頭(a2)與B相副邊繞組(b″a2)的末端(a2)
相連接;原邊繞組的末端(b)與B相原邊繞組(bc)的首端(b)和輸入電壓源(UBN)相
連接;副邊繞組(b1b’)的首端(b1)與B相中間抽頭(b1)相連接,副邊繞組(b1b’)的
末端(b’)作為輸出電壓引出端(b’);副邊繞組(a″c2)的首端(a″)作為輸出電壓引出
端(a″),副邊繞組(a″c2)的末端(c2)與C相中間抽頭(c2)相連接;B相和C相的
連接方式與A相相似。

采用上述技術方案帶來的有益效果:

與現有的差接三角型12脈沖自耦變壓整流器相比,本發明提供的升降壓式12脈沖自耦
變壓整流器保證低諧波輸入,低紋波輸出性能的同時,不需要降壓電路,只改變自身繞組結
構便可對輸入電壓進行升降壓,解決了原有自耦變壓整流器輸出電壓偏高且不可調的問題,
可以實現在150V-300V寬范圍的直流電壓輸出,并且給出了變比與匝比之間的公式,拓寬了
變壓整流器的應用范圍。

附圖說明

附圖1為Ku=0.557~0.707時自耦變壓器電壓矢量圖;

附圖2為Ku=0.557~0.707時自耦變壓整流器電路圖;

附圖3為Ku=0.557~0.707時自耦變壓器繞組連接圖;

附圖4為自耦變壓器副邊兩相輸出電壓仿真波形圖;

附圖5為系統輸出電壓仿真波形圖;

附圖6為系統A相輸入電流仿真波形圖;

附圖7為系統A相輸入電流的頻譜分析圖;

上面附圖中的主要符號說明:UAN,UBN,UCN——網側三相輸入相電壓,ia,ib,ic——三相
輸入電流,Np1,Np2,Np3——每相原邊繞組的匝數,a1,a2——A相原邊繞組的兩個中間抽頭
引出點,b1,b2——B相原邊繞組的兩個中間抽頭引出點,c1,c2——C相原邊繞組的兩個中
間抽頭引出點,Ns1,Ns2——每相副邊繞組的匝數,a′、b′、c′,a″、b″、c″——兩組三相整
流橋的輸入端,Lp1,Lp2——兩個平衡電抗器,Uo——輸出電壓

方案的實施與驗證

下面對本發明技術方案進行詳細說明,但是本發明的保護范圍不局限于所述實施例。

實施例:一種升降壓式12脈沖自耦變壓整流器,包括升降壓式12脈沖自耦變壓器,兩
組整流橋(后續自耦變壓整流器與整流橋均為三相)和兩個平衡電抗器。每相原邊有一個繞
組(ab、bc、ca),每相副邊有兩個繞組(c2a″、b’b1,a2b″、c’c1,b2c″、a’a1),原邊
接輸入三相電壓(UAN、UBN、UCN),副邊輸出兩組三相電壓(Ua′N、Ub′N、Uc′N、Ua″N、
Ub″N、Uc″N),副邊輸出線電壓由4個原副邊矢量合成(如),
自耦變壓器副邊與原邊電壓比在Ku=0.557~0.707范圍內時,電壓矢量圖見附圖1。附圖2
是對應的12脈自耦變壓整流器電路圖,以A相為例,該自耦變壓器的繞組結構及繞組具體
連接方式為:自耦變壓器原邊繞組(ab)由兩個中間抽頭(a1、a2)分成三段(aa1、a1a2、
a2b),副邊有兩個繞組(c2a″、b’b1)。原邊繞組的首端(a)為A相電壓輸入端,連接輸
入電壓源(UAN);中間抽頭(a1)與C相副邊繞組(a’a1)的末端(a1)相連接;中間抽頭
(a2)與B相副邊繞組(a2,b″)的首端(a2)相連接;原邊繞組的末端(b)與B相原邊
繞組(bc)的首端(b)和輸入電壓源(UBN)相連接;副邊繞組(c2a″)的首端(c2)與C
相中間抽頭(c2)相連接,副邊繞組(c2a″)的末端(a″)作為輸出電壓引出端(a″);
副邊繞組(b’b1)的首端(b’)作為輸出電壓引出端(b’),副邊繞組(b’b1)的末端(b1)
與B相中間抽頭(b1)相連接;B相和C相的連接方式與A相相似。

升降壓式12脈沖自耦變壓整流器實現對輸入電壓的升降壓調節,自耦變壓器每相原副邊
繞組之間滿足一定的匝比關系,為驗證本發明有效性,令降壓比Ku=0.557,即系統輸出電
壓為150V進行分析。以A相為例,說明具體的匝比關系:設原邊繞組(ab)總匝數為Np,
由兩個中間繞組(a1、a2)分成三段(aa1、a1a2、a2b),匝數分別是Np1、Np2、Np3,副
邊繞組(c2a″、b’b1)的匝數分別為Ns1、Ns2。定義自耦變壓器輸出相電壓Ua′N與輸入相
電壓UAN之比為升降壓比Ku(Ku=Ua′N/UAN=Ua′b′/UAB);定義繞組匝數Np1與原邊總繞組
匝數Np之比為KNp1(KNp1=Np1/Np);定義繞組匝數Np2與原邊總繞組匝數Np之比為KNp2
(KNp2=Np2/Np);定義繞組匝數Np3與原邊總繞組匝數Np之比為KNp3(KNp3=Np3/Np);
定義繞組匝數Ns1與原邊總繞組匝數Np之比為KNs1(KNs1=Ns1/Np);定義繞組匝數Ns2與
原邊總繞組匝數Np之比為KNs2(KNs2=Ns2/Np);其匝比分別如下:


KNp2=1-2KNP1=0.526;


附圖3是升降壓式12脈沖自耦變壓器在Ku=0.557~0.707時的繞組圖,說明各相繞組的
具體連接形式以及繞組電流流向,當Ku=0.707~1.115時,其接法不變,僅副邊繞組的同名
端相反。為驗證本發明的有效性,令降壓比為0.557時,即副邊輸出相電壓為
Ua′=0.557×115=64.1V,用上述計算的匝比參數在Saber仿真軟件中進行仿真,設置輸入為
三相115V/400Hz,副邊輸出電壓Ua′N和Ua″N的波形如附圖4(橫坐標為時間,縱坐標為電壓)
所示,測得副邊電壓有效值為64.278V,與理論值相符;且測得Ua″N滯后Ua′N的時間為208.45
μs,換算成對應滯后的角度為0.000208×400×360=29.952°,與理論值30°相符。系統的輸
出電壓波形如附圖5(橫坐標為時間,縱坐標為電壓)所示,輸出電壓為149.4V,在一個周
期內有12個脈波,輸出端無濾波電容時輸出電壓平穩且紋波小,為0.79V。附圖6(橫坐標
為時間,縱坐標為電流)為系統A相輸入電流波形圖,在源側加濾波電感后,輸入電流為12
階梯波,正弦性較好,測得主要諧波為11、13次等12k±1諧波,如附圖7(橫坐標為頻率,
縱坐標為電流)所示,其THD(totalharmonicdistortion,總諧波失真)僅為9.88%,系統在降
壓的同時良好的保證了變壓整流器的優勢,性能穩定。

以上實施例僅為說明本發明的技術思想,不能以此限定本發明的保護范圍,凡是按照本
發明提出的技術思想,在技術方案基礎上所做的任何改動,均落入本發明保護范圍之內。

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一種 升降 12 脈沖 變壓 整流器
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