胡亮 胡緒昌 王鐵軍

（1. 海軍工程大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，武漢 430033；2 江蘇江陰 63680 部隊(duì)，江蘇 214431）

1 引言

多重化逆變器是基于“移相多重疊加”原理，通過大量電力電子器件的應(yīng)用來實(shí)現(xiàn)逆變。所以其高次諧波污染不可避免。降低開關(guān)頻率和減少開關(guān)器件的運(yùn)用是解決這一問題的途徑之一。傳統(tǒng)的“移相”方式，是通過控制開關(guān)器件，在時(shí)間上創(chuàng)造相位差角。本文考慮在逆變器中加入新型變壓器，在空間上創(chuàng)造相位差角，來降低開關(guān)頻率和減少開關(guān)器件應(yīng)用。

變壓器是利用電磁感應(yīng)原理，以交變磁場(chǎng)為媒介，把初級(jí)繞組從電源吸收的某種電壓的交流電電能轉(zhuǎn)變成另一種電壓的交流電能，由次級(jí)繞組向負(fù)載提供。除自耦變壓器外，一般變壓器的初級(jí)與次級(jí)繞組之間只有磁耦合而沒有電路上的直接聯(lián)系。其主要作用是改變電壓幅值[1]。而文獻(xiàn)2中打破傳統(tǒng)觀念提出了任意相變成三相的濾波變壓器，它不僅可以改變電壓幅值，還可以變換相數(shù)和消除諧波。其中濾波的基本理論方法也是“移相多重疊加法”，基本疊加方式是初級(jí)磁合成與次級(jí)電壓合成，相對(duì)應(yīng)的鐵心結(jié)構(gòu)形式是三相鐵心與多相鐵心。體積和重量都較大，鐵心材料利用率也不高。所以本文提出了一種與多相異步電動(dòng)機(jī)定子鐵心結(jié)構(gòu)相似的新型濾波變壓器鐵心結(jié)構(gòu)來解決傳統(tǒng)鐵心這些的問題。使其能夠應(yīng)用于多重化逆變器中。

2 新型變壓器原理

2.1 移相多重疊加技術(shù)

本文的基本理論是“移相多重疊加法” ，其基本思想是將N個(gè)輸出電壓（或電流）為方波的逆變器依次移開一個(gè)相同的相位角，然后通過變壓器進(jìn)行初級(jí)磁合成或次級(jí)電壓（或電流）合成，使方波中的某些諧波的相位相反，并得到階梯波改善輸出波形。該理論廣泛用于多相整流[3-6]，有源逆變[7-9]，消除諧波，改善波形[10]等方面。針對(duì)該方法的應(yīng)用研究還有大量文獻(xiàn)記載，此處僅對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)要說明。

2.2 新型疊加變壓器的結(jié)構(gòu)

文獻(xiàn) 11中將變壓器與異步電動(dòng)機(jī)做了詳細(xì)比較，指出了兩者在工作原理和電磁關(guān)系上的相似之處。所以本文提出的新型變壓器鐵心結(jié)構(gòu)類似于多相異步電機(jī)的定子鐵心。文獻(xiàn)12中提出了用于六相異步電動(dòng)機(jī)的電抗器，并通過仿真分析證明其濾波效果明顯。本文中則將其繞線形式引入變壓器中，并將鐵心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成為形如感應(yīng)電機(jī)定子，12個(gè)孔型槽均勻分布于鐵心上，繞組線圈繞于孔型槽中(具體圖形如圖1)。

圖1 結(jié)構(gòu)圖與繞線方式

由圖1（b）可見，繞組線圈A1、B1、C1與A2、B2、C2分別為兩套三相輸入繞組，它們之間相差π/6的相位角。線圈a、b、c為輸出繞組，與第一套輸入繞組（A1、B1、C1）布置于同一孔槽中。輸入端電壓來自三相方波逆變器，輸出端供給三相負(fù)載用電。方波逆變器、新型變壓器、三相負(fù)載的連接關(guān)系圖如圖2。

圖2 連接關(guān)系圖

2.3 疊加變壓器濾波原理

直流電源通過三相橋式方波逆變器，得到三相方波電壓，并聯(lián)連接兩套三相輸入繞組并通過輸入繞組在新型疊加變壓器中進(jìn)行磁動(dòng)勢(shì)疊加（具體結(jié)構(gòu)如圖3）。下面對(duì)變壓器中的磁動(dòng)勢(shì)進(jìn)行分析。三相方波電壓產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)中，含有基波磁動(dòng)勢(shì)和高次諧波磁動(dòng)勢(shì)，以第一套繞組的A1相軸線為空間坐標(biāo)原點(diǎn)，并以 A1相繞組電流為零的瞬間作為時(shí)間軸的起點(diǎn)。

圖3 三相逆變橋

基波磁動(dòng)勢(shì)：第一套輸入繞組所產(chǎn)生的基波磁動(dòng)勢(shì)是與感應(yīng)電機(jī)定子磁動(dòng)勢(shì)相似的波幅恒定不變的旋轉(zhuǎn)波，其式為

F1為基波磁動(dòng)勢(shì)幅值。ω為旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的頻率。由于第二套輸入繞組電壓幅值、頻率與第一套繞組相同，但空間上與第一套繞組相差 π/6相位角。則其產(chǎn)生的基波磁動(dòng)勢(shì)可表示為

高次諧波：（1）3次諧波磁動(dòng)勢(shì)：由于每套輸入繞組的三相之間的對(duì)稱性3次諧波磁動(dòng)勢(shì)得以消除。（2）5次諧波磁動(dòng)勢(shì)：第一套繞組產(chǎn)生的 5次磁動(dòng)勢(shì)可表示為 FA1B1C15(t,α)=F5sin(ωt+5α)。第二套繞組產(chǎn)生的 5次磁動(dòng)勢(shì)為 FA2B2C25(t, α)=F5sin[ωt+5(α+π/6)]。為分析方便設(shè)時(shí)間為初始，即ωt=0。合成的5次諧波磁動(dòng)勢(shì)為

（3）7次諧波磁動(dòng)勢(shì)：第一套繞組產(chǎn)生的7次磁動(dòng)勢(shì)表示為 FA1B1C17(t, α)=F7sin（ωt-7α），第二套繞組產(chǎn)生的 7次磁動(dòng)勢(shì)表示為 FA2B2C27(t,α)=F7sin[ωt-7(α+π/6)]。合成 7 次諧波磁動(dòng)勢(shì)為

圖4以5次諧波磁動(dòng)勢(shì)為例做向量圖。由圖可見，在新型變壓器中，高次諧波磁動(dòng)勢(shì)得以明顯削弱，起到了濾波作用。

3 系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型與仿真分析

3.1 數(shù)學(xué)模型

在分析該新型變壓器數(shù)學(xué)模型時(shí)，做如下假設(shè)：

（1）忽略濾波變壓器的漏電抗和繞組電阻。

（2）三相輸出為平衡的電阻性負(fù)載。

（3）處于同一槽內(nèi)的繞組相互漏感忽略。

（3）磁路為線性，鐵心的渦流、飽和、磁滯損耗不予計(jì)算。

變壓器電壓方程即可表示為如下式的矩陣形式

電壓向量

電流向量

電阻矩陣

電抗矩陣LC模仿六相感應(yīng)電機(jī)系統(tǒng)的電抗矩陣可表示為

3.2 仿真及結(jié)果

輸入三相方波逆變器的波形如圖 5。經(jīng)過新型疊加變壓器后的電流波形與頻譜如圖6所示。

圖4 向量疊加圖

圖5 輸入波形圖

圖6 輸出電流波形與頻譜圖

由圖可看出方波電壓在進(jìn)過疊加變壓器后的電流波形非常接近正弦波，由頻譜分析可知本結(jié)構(gòu)對(duì)3、5、7次諧波抑制效果明顯。

4 結(jié)論

本文基于多重疊加的基本原理，在前人基礎(chǔ)上提出了一種新型變壓器的鐵心結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)單的三相方波逆變器通過該結(jié)構(gòu)進(jìn)行初級(jí)磁疊加，高次諧波在疊加過程中基本被抑制。本文利用simulink仿真軟件，對(duì)其建模并且仿真，仿真結(jié)果與理論分析基本一致。但由于在建模之初進(jìn)行了簡(jiǎn)化假設(shè)，在實(shí)驗(yàn)中會(huì)遇到很多問題，比如磁路飽和、漏磁通的計(jì)算等問題。如何解決這些問題還需要進(jìn)一步分析和研究。

[1]張植保. 變壓器原理與應(yīng)用[M]. 北京： 化學(xué)工業(yè)出版社, 2003.

[2]劉鳳君. 任意相變成三相的濾波電源變壓器. 航天科技報(bào)告, HT-920179, 1992.

[3]屈克慶, 靳希, 董立駿等. 基于載波移相技術(shù)的PWM 多重化整流器[J]. 上海電力學(xué)院學(xué)報(bào), 2008,(3)： 282-285.

[4]羅隆福, 肖華, 李勇. 基于新型換流變壓器的 12相整流和諧波分析[J]. 電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào).2006, 18(6)： 26-31.

[5]劉凱,李明勇.多相整流諧波抑制技術(shù)[J].船電技術(shù),2005(3)：26-29.

[6]王鳳翔, 張濤, 白浩然. 采用移相電抗器的多相整流系統(tǒng)[J]. 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2008, (4)： 361-365.

[7]鄭書路, 王明彥. 有源逆變器的電流型移相多重疊加并聯(lián)運(yùn)行分析[J]. 電力電子技術(shù), 2008, (2)：13-17.

[8]Byung-Moon Han,Seung-Taek Baek Young-Soo Jon.New configuration of 36-pulse voltage source converter with auxiliary circuit[J]. Electrical Engineering, 2006, ( 88)： 497-507.

[9]付超, 石新春, 王毅. 級(jí)聯(lián)型逆變器的空間矢量移相調(diào)制方法[J]. 電力電子技術(shù), 2005(10)：51-53.

[10]王鳳翔, 耿大勇. 移相電抗器對(duì)變流器供電系統(tǒng)諧波抑制的機(jī)理研究[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2003, (2)：54-57.

[11]黃小玲. 異步電動(dòng)機(jī)與變壓器的比較[J]. 今日科苑,2008, (14)： 68.

[12]王鐵軍, 辜承林, 趙鏡紅等. 一種用于抑制多相異步電動(dòng)機(jī)定子諧波電流電抗器的研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2006, (10)： 1-6.