一种使用无源谐波抑制方法的多脉波整流器
孟凡刚;徐晓娜;高蕾
【摘 要】提出一种使用直流侧无源谐波抑制方法的多脉波整流器及其设计方法,该方法采用一组单相整流桥产生环流,调节多脉波整流器的输入线电流.单相整流桥的输入端与平衡电抗器的二次侧相连,其输出端与负载相连,将吸收的谐波能量回馈给负载.分析单相整流桥的几种运行模态,设计平衡电抗器的最佳匝比.所提出的多脉波整流器是一种24脉波整流器,其输入线电流的THD理论上约为7.6%.仿真和实验结果表明,该多脉波整流器输入线电流的THD低于5%.此外,该多脉波整流器具有易于实现且谐波抑制成本低的优点.%This paper proposed a novel and passive harmonic reduction method at dc link of multi-pulse rectifier. The proposed method used a single-phase diode-bridge rectifier to generate circulating current which can shape the input line current of multi-pulse rectifier. The input side of the single-phase diode-bridge rectifier was connected with the secondary winding of inter-phase reactor, and its output side was connected with load, which can recycle the harmonic energy and feed to load. The operation mode of the single-phase diode-bridge rectifier was analyzed, and the turn ratio of t
he IPR was designed optimally. Under ideal condition, the proposed multi-pulse rectifier operates as a 24-pulse rectifier, and its THD of input line current is about 7.6%. In addition, the proposed multi-pulse rectifier is easy to realize, and its cost of harmonic reduction is low. Simulation and experiment results show that the THD of input line current is less than 5%.
【期刊名称】《电工技术学报》
【年(卷),期】2017(032)0z2
【总页数】10页(P77-86)
【关键词】多脉波整流器;无源谐波抑制;平衡电抗器;总谐波畸变率
【作 者】孟凡刚;徐晓娜;高蕾
【作者单位】哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院 哈尔滨 150001;哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院 哈尔滨 150001;哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院 哈尔滨 150001
【正文语种】中 文
【中图分类】TM464
多脉波整流技术是大功率整流系统进行谐波抑制的主要方法之一，由于该技术具有可靠性高、结构简单的优点，因而广泛应用于高压直流输电、飞机变流系统、电镀等领域[1-3]。如何提高多脉波整流系统的谐波抑制能力是电力电子领域的重要课题。
脉波数决定了多脉波整流器谐波抑制能力[4-7]，因此，获得高的脉冲数是设计多脉波整流器的重要目标之一。增加移相变压器的输出相数是增加脉冲数的常用方法[8]。在过去的半个世纪里，众多学者通过改变移相变压器的联结方式来增加移相变压器的输出相数。从文献[9-11]中的拓扑结构可以看出，增加输出相数会增加移相变压器的绕组数，从而使变压器的设计和制作困难，绕组线圈的利用率降低。
12脉波整流器是最简单且应用最广的一种多脉波整流器。在12脉波整流器直流侧或交流侧增加有源或无源谐波抑制电路可以用来消除 12k±1次谐波，增加脉波数，从而使输入线电流波形近似为正弦波[12-15]。近几年，辅助电路的高谐波抑制性能和低容量的特性，使12脉波整
流器直流侧谐波抑制方法迅速发展为热门课题。由此从应用角度提出了各种多脉波整流系统的谐波抑制电路，最常用的方法是在直流侧放置一个带多抽头的平衡电抗器。文献[16]提出了一种采用双抽头平衡电抗器的12脉波整流器，采用两个二极管并联连接在平衡电抗器和负载之间。由于两个整流桥之间存在瞬时电压差，使得两个二极管轮流导通，产生环流，可以抑制11次和13次谐波。采用双抽头平衡电抗器时，输入线电流THD理论上约为7.6%，理想输出电压为24脉波。增加平衡电抗器的抽头数可以提高多脉波整流器的谐波抑制能力。通常，当抽头数为3时，可以形成36脉波整流，当抽头数为N时，可以形成12N脉波整流。采用多抽头的谐波抑制方法简单且容易实现，但由于流过二极管或晶闸管的电流等于负载电流，在大功率整流系统中，二极管或晶闸管的导通损耗不可忽略，因此限制了它在大功率整流系统中的应用。
采用有源平衡电抗器是直流侧谐波抑制的常用方法。与普通的平衡电抗器相比，有源平衡电抗器的二次侧连接 PWM 变换器[12,13]。通过控制 PWM变换器的输入电流来调节两个整流桥的输出电流，从而使多脉波整流器的输入线电流近似为正弦波。在大电感负载下，输入线电流的THD约为1%。由于有源平衡电抗器两端的电压等于两个整流桥的输出电压差，有源平衡电抗器的容量仅为负载输出功率的2.5%。另一种直流侧谐波抑制方法是在两组三相整流
桥之间连接一组 DC-DC转换器[17,18]。通过控制 DC-DC转换器的输入电流，使多脉波整流器输入线电流近似为正弦波。DC-DC转换器的应用可以调节多脉波整流器的输出电压，但在大功率整流系统中应用时，DC-DC转换器容量较大。
本文提出了一种多脉波整流器直流侧无源谐波抑制方法，该方法采用一种带二次绕组的平衡电抗器，其二次侧连接一组单相整流桥的输入端以产生环流，调节两组三相整流桥的输出电流，单相整流桥的输出端连接负载。通过设计带二次绕组的平衡电抗器的绕组匝比，可以使整流系统工作在24脉波整流状态，输入线电流的THD约为7.6%。实际应用中，由于移相变压器漏感和平衡电抗器电感的滤波作用，输入线电流的THD低于5%，符合IEEE 519标准。
1.1 多脉波整流器的结构分析
图 1为采用无源谐波抑制方法的多脉波整流器。该多脉波整流器由星形自耦变压器、两组三相全桥整流电路、零序电流抑制器（Zero Sequence Blocking Transformer，ZSBT）、带二次绕组的平衡电抗器和单相全桥整流电路组成。平衡电抗器的一次绕组吸收两组三相整流桥输出电压的瞬时差，从而保证两组三相整流桥可以独立工作。单相全桥整流电路的输入端与平衡电抗器的二次绕组相连，输出端与负载相连。图2为星形自耦变压器绕组结构及其相量
图和平衡电抗器绕组结构。当平衡电抗器的绕组匝比满足一定的条件时，单相整流桥可以正常工作，且整流电路工作在24脉波整流状态。
1.2 单相全桥整流电路的运行模态
平衡电抗器的二次绕组端电压和负载电压决定了单相全桥整流电路的运行模态。
假定平衡电抗器二次绕组端电压为us，负载电压为ud，根据us和ud的关系可以得出，单相全桥整流电路具有三种工作模态，如图3所示。
当|us|＜ud时，单相整流桥运行于模态 I，如图3a所示。此时单相整流桥的4个二极管都不导通，电流 is=0，即单相整流桥不工作，所设计的电路运行在12脉波整流状态。电流id1和id2为
当us＞ud时，单相整流桥运行于模态Ⅱ，如图3b所示。此时单相整流桥的二极管 VD1和 VD4导通，VD2和 VD3不导通。由于这时的负载电压 ud大于第二组三相整流桥（RECII）的输出电压ud2，使得电流id2=0。假定单相整流桥输出电流为is1，则负载电流id等于电流id1和is1的和，即
当-us＞ud时，单相整流桥运行于模态Ⅲ，如图3c所示。此时单相整流桥的二极管 VD2和 VD3导通，VD1和 VD4不导通。由于这时的负载电压 ud大于第一组三相整流桥（RECI）的输出电压 ud1，使得电流id1=0。假定单相整流桥输出电流为is2，则负载电流id等于电流id2和is2的和，即
当单相全桥整流电路运行在工作模态Ⅱ和模态Ⅲ时，产生的环流叠加在两组三相整流桥的输出电流上，使两组三相整流桥的输出电流与模态Ⅰ不同。当环流满足一定条件时，可使得输入线电流谐波显著减小。
由图1和图3可知，单相整流桥的运行模态由负载电压和平衡电抗器二次电压决定，而平衡电抗器二次电压取决于平衡电抗器绕组匝比和一次电压。本节将通过分析单相整流桥正常工作的必需条件来设计平衡电抗器的最佳匝比。
2.1 单相整流桥的工作条件
由图3所示的运行模态可知，为使单相整流桥正常工作，需满足
式中，udmin为负载电压的最小值。
假定整流系统的输入电压为
式中，E为输入电压的有效值。
分析图2b中的三角形aa1o可知，∠aoa1=15°，∠oaa1=60°，∠aa1o=105°，根据正弦定理可得
式中，为相量的幅值；为相量的幅值。
由式（6）得
所以，星形自耦变压器的输出电压可以表示为
根据整流桥的整流原理，两组三相整流桥的输出电压可以表示为
式中，Sa1、Sb1、Sc1 和 Sa2、Sb2、Sc2 分别为三相 a1、b1、c1和 a2、b2、c2的开关函数。
开关函数Sa1可以表示为
开关函数之间的关系满足
将式（8）、式（9）、式（11）、式（12）代入式（10）可得
式中，k为自然数。
根据图1所示的电路结构可得负载电压的表达式为
将式（13）和式（14）代入式（15）得
由式（16）可知，负载电压的最小值为
由图1和图2c可知，平衡电抗器一次电压可以表示为
假定平衡电抗器二次绕组与一次绕组的匝比为m，二次绕组端电压us可以表示为
由式（19）可知，us绝对值的最大值可表示为
由式（4）、式（15）和式（18）可得
即当m＞6.96时，单相整流桥可以正常工作。
2.2 平衡电抗器的最佳匝比设计
为保证整流系统工作在24脉波整流状态，需对平衡电抗器的设计进行优化。
为分析方便，假定单相整流桥二极管初始导通角为β，此时us绝对值等于负载电压，即
由于电压是对称的且周期为π/6，所以初始导通角β 满足
由式（16）、式（19）和式（22）可得
由图3可知，当单相整流桥工作在模态Ⅱ时，由安匝平衡原理可得
平衡电抗器一次绕组Np和二次绕组Ns满足
将式（26）代入式（25）可得
根据式（2）和式（27），is1和id1可以表示为
同理，当单相整流桥工作在模态Ⅲ时，is2和id2可以表示为
当m＞6.96时，单相整流桥轮流工作在模态Ⅱ和模态Ⅲ，因此，两个三相整流桥的输出电流可以表示为
reactor4由图1所示电路及三相整流桥工作原理可得两组三相整流桥输入电流为
根据图2a所示星形自耦变压器的绕组结构，由安匝平衡原理可得
根据图2a和图2b可知，N1和N2满足
根据图2a，由基尔霍夫定律可得
将式（30）～式（34）代入式（35）可得整流器输入线电流ia在[0 π/2]的表达式为

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