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基于自耦变压器的１８脉波整流系统分析及Ｍａｔｌａｂ仿真
作者：马西庚 白丽娜
来源：《计算机辅助工程》2008年第03期
摘 要：针对三相大功率整流技术存在谐波含量多、功率因数不高等问题，为减少谐波电流对电网的干扰，解决高频脉宽调制(Pulse-Width Modulation，PWM)整流成本高、开关损耗大、效率不高的问题，首先分析多脉波整流器的移相变压器结构和绕组连接方式，结果表明自耦变压器具有理想的输入特性指标，等效视在功率大大小于变压器输出功率，可减小变压器体积并降低价格；然后分析基于自耦变压器移相方式的18脉波整流系统的工作原理及特性，并利用Matlab/Simulink对设计的电路结构进行仿真验证，结果表明该自耦变压器等效视在功率仅为输出功率的16%，网侧输入电流中仅含18k±1次特征谐波，比12脉波整流波形质量得到进一步提高.
关键词：18脉波整流；自耦变压器；视在功率；Matlab；Simulink 中图分类号：TM422；TP391.9 文献标志码：A
Analysis and Matlab simulation on 18-pulse rectification system based on auto-transformer MA Xigeng，BAI Lina
(College of Info. & Control Eng.，China Univ. of Petroleum，Dongying Shandong 257061，China)
Abstract：Towards the problems such as many harmonic waves and low power factor with three-phase high-power rectifier，to decrease the disturbance caused by harmonic current and solve the issues that high-frequency Pulse-Width Modulation(PWM) rectifier is limited by its high cost，high switch loss and low efficiency，the phase-shifting transformer structure and transformer connections of multi-pulse rectifier are analyzed. The analysis indicates that the auto-transformer has excellent input factor and the required equivalent apparent power is much less than its output power，thus the size and price of the transformer can be reduced. Then the 18-pulse rectification system based on phase-shifting auto-transformer is analyzed and the designed circuit is simulated by Matlab/Simulink. The experiment shows that the equivalent apparent power is only 16% of output power. Meanwhile，only 18k±1 of characteristic harmonics exists in the input current，and the waveform quality is further improved than that of 12-pulse rectifier.
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Key words：18-pulse rectification；auto-transformer；apparent power；Matlab；Simulink 0 引 言
三相大功率整流技术已被广泛用于电机拖动、大功率AC-DC电源变换中.谐波含量多、功率因数不高是大功率整流电路的普遍问题.随着对绿色电源的呼声日益高涨，如何消除整流电路输入电流谐波，减少谐波电流对电网的干扰显得越来越重要.采用高频脉宽调制(Pulse-Width Modulation，PWM)整流可以有效调节输出电压，使输入电流近似于正弦波，但其成本高，且开关损耗大、效率不高.[1，2]特别是在中、高功率场合，高频PWM 整流的缺点就更加明显.在大功率整流器领域，通常采用多相整流技术.多脉波整流器一般是利用移相变压器连接几个三相整流桥而成.采用多脉波二极管整流可降低设备成本、提高效率，并且不会产生额外的电磁干扰，但必须增加移相变压器.为化解网侧污染与降低系统成本和体积的矛盾，提出移相自耦变压器.
1 采用自耦变压器的12脉波整流电路
1996年，韩国SEWAN等[3-6]提出1种新型的采用自耦变压器的12脉波整流方案，其电路见图1.该自耦变压器的电压矢量图和结构图见图2.若将输入电源的电压矢量长度定为基准值“1”，则
2 采用自耦变压器的18脉波整流电路
在上述基础上提出如图3所示的通过平衡电抗器并联3组整流桥的18相整流电路.[11，12]18相自耦变压器输出电压移位角分别为0°，20°和-20°，该自耦变压器的电压矢量图和结构图见图4.
3 利用Matlab/Simulink的PSB仿真
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Matlab/Simulink中的电力系统模块库(Powerlib)以图形仿真软件Simulink为运行环境，包括电工学科中常用的基本元件和系统的仿真模型.它由以下7个模块库组成：电源模块库、基本原件模块库、电力电子模块库、电机模块库、连接模块库、测量模块库和附加模块库. 3.1 仿真模型建立根据以上对基于自耦变压器18脉波整流电路的分析构建仿真主电路，见图5.
主电路由电源、移相变压器、3个三相二极管整流器、2个平衡电抗器和示波器等组成.利用Simulink自带的分析工具Current Measurement，Multimeter，RMS和Display等实时显示分析电路的运行情况和结果.由于这种方式的移相变压器需要有5个绕组在1个铁芯上而Simulink没有现成的模块，考虑将1个变压器拆成3个，每个变压器用饱和变压器实现.分别实现移相-20°，0°，20°.这种方式不能完全仿真变压器电流的相互关系，但可以实现自耦变压器移相原理和输入输出特性的仿真.
3.2 仿真结果本系统包含非线性器件，需要采用刚性的数值积分方法Ode15s或Ode23tb仿真.利用Scope模块和Display模块在仿真进行的过程中观看仿真结果.令电源输入线电压有效值为10 V，频率为50 Hz，仿真结果见图6.从图中可以清楚地看到，整流电路输出是18个脉动的直流波形，电源端的输入相电流几乎为正弦波. 4 结 论
对自耦变压器进行较为详尽的理论分析和计算，然后利用自耦变压器构造12脉波和18脉波整流电路.通过分析可知：
(1)虽然传统的多脉波整流电路实现谐波的消除，但是其采用的变压器容量较大，体积非常笨重.采用自耦变压器的多脉波整流电路则较好地解决该问题，该变压器的初级功率除了小部分通过电磁耦合传递给次级外，其余功率均直接传递给次级，因此体积大幅减小. (2)对于多相整流电路，以m个相位相差π/3m的三相桥式整流电路可以构成6m相的整流电路，其网侧电流仅含次谐波，并且网侧输入电流各次谐波的有效值与其次数成反比. (3)相数越多，可消除的谐波次数越多，总谐波畸变THD就越低，波形质量越好，但这将以自耦变压器更加复杂的结构和设计为代价.12脉波整流电路的THD=0.152；18脉波整流电路THD=0.101.
参考文献：