孙盼;赵镜红;熊欣;吴旭升;高嵬
【摘 要】在多脉波整流中,为了优化结构和改善电能品质,提出一种类似于直线电机的直线式移相变压器.不同于普通移相变压器,该移相变压器采用直线式铁心结构,易于绕组布置和大功率场合下的模块化叠加,电路结构更为简单.以3相/12相直线式移相变压器为例,阐述其在多脉波整流中的应用原理,解析气隙平移磁场;基于磁动势平衡理论,阐述消除网侧主要谐波电流的原理;开展有限元仿真分析和样机实验,证明直线式移相变压器能较好地改善输出直流电压和抑制网侧谐波电流,验证了直线式移相变压器的有效性.%In multi-pulse rectifier systems, to optimize structure and power quality of the ordinary phase-shift transformers, a new type linear-shaped phase-shift transformer was firstly presented. Different from the normal phase-shift transformers, the iron core of the new transformer's iron is linear-shaped and easy to winding arranging and stacking of modules in large power system, and the windings connection is simpler. The principles of the 3/12 phase linear-shaped transformer are then demonstrated. The gas gap translation magnetic field is analyzed, and the harmonic currents on the grid side are suppressed based on the theory of Magnetomotive force balance. The finite element analysis and experiment results of the prototype demonstrate its performance of improving the quality of the output voltages and suppression of harmonic currents in the multi-pulse rectifier systems, and verify the validity of the novel transformer.
【期刊名称】《电工技术学报》 【年(卷),期】2017(032)0z1 【总页数】9页(P169-177)
【关键词】多脉波整流;直线式;移相变压器;谐波 【作 者】孙盼;赵镜红;熊欣;吴旭升;高嵬
【作者单位】海军工程大学电气工程学院 武汉 430033;海军工程大学电气工程学院 武汉 430033;海军工程大学电气工程学院 武汉 430033;海军工程大学电气工程学院 武汉 430033;海军工程大学电气工程学院 武汉 430033 【正文语种】中 文 【中图分类】TM406
解决大功率整流系统的谐波问题往往采用两类方法：①加装谐波补偿装置，基于电流补偿原理来实现谐波补偿，但很多情况下，谐波补偿装置成本高、体积大，带来不必要的损耗；②对整流系统进行改进，抑制谐波的产生，这是从源头上解决谐波问题的方法，PWM整流器和多脉波整流是这类方法的代表技术[1-7]。
多脉波整流因具有结构简单、成本低、可靠性高等优点，在大功率整流系统中得到了广泛应用。作为多脉波整流重要部件的移相变压器，其高容量会增加系统成本。同时，为了实现正确的移相，需要对绕组间的匝比、联结方式、串联次序等进行特殊设计，而变压器的结构随相数增加也更为复杂、笨重。为了降低生产成本、减小体积重量、改善输出波形，国内外学者先后提出了多种拓扑结构的移相变压器，有效推动了多脉波整流技术的发展[8-12]。但目前的解决方案一般是在多柱式铁心磁路结构的基础上，对绕组电路的拓扑结构的改进。此外，文献[13]还提出了一种圆
形铁心结构移相变压器，并对其在多脉波整流系统中的主要性能进行了初步评估。本文提出了一种直线式移相变压器拓扑，它基于直线感应电机原理，将变压器绕组集成在直线式铁心中。本文以12相整流器为对象，阐述了直线式移相变压器的基本原理，基于直线电机理论解析变压器空间气隙磁场，根据磁动势平衡理论推导电网侧谐波抑制原理，仿真分析了由直线式移相变压器构成的多脉波整流器的输入和输出波形。最后，采用研制的样机搭建了12相整流器，并通过实验进一步验证了直线式移相变压器在多脉波整流中的有效性。
图1为3相/12相直线式移相变压器结构图（阴影部分构成了一次侧A相绕组）。 直线式移相变压器采用类似于直线电机的结构，一次侧与二次侧铁心长度、宽度尺寸相同，上下对齐、固定不动。一、二次侧之间开有可以调节大小的气隙。一次侧和二次侧各开有12个槽和12套绕组，其极对数为1。一次侧采用短距绕组，二次侧采用整距绕组，一次侧12个绕组采取60°相带分相。当在一次侧三相绕组通入对称的三相交流电后，气隙中产生一个平移的正弦磁场，二次侧12套绕组感应出的电动势会有30°的相位差。
根据移相变压器结构，画出其星形图，可以绘制其一次侧60°相带的星形图和二次侧12个绕组的相量星形图如图2和图3所示。
图中数字“1-6”表示该线圈的两条边在1号槽和6号槽中，同理，“4-10”表示线圈的两条边在4号槽和10号槽。一次线圈是短距绕组，二次线圈是整距绕组，二次侧12个绕组电动势相量，可分为4组对称的三相电动势相量，每组相量所对应的3个绕组采用Y形联结，4组三相电动势相量图如图4所示。
本文选用12相不控整流电路，如图5所示，将移相变压器的12相输出分为4组三相电源，并联后输出至整流桥向负载供电。
这四组三相电源采用不同的串并联方式，可以输出不同形式的直流电压，向不同形式的整流电路供电。另外通过不同的分相形式，直线式移相变压器还可以生成3
相和6相电源。
从以上分析可知，直线式移相变压器采用直线式铁心，结构简单，绕组布设容易，易于模块化生产，通过模块叠加可以应用在大功率整流场合。
直线式移相变压器输出12相交流电，其气隙中的平移磁场是实现3相/12相的关键，分析直线式移相变压器中的空间磁场分布，可以为其优化设计提供有效依据。 直线式移相变压器的一、二次侧铁心均由0.5mm厚的各向同性的硅钢片经过切割加工后叠加压制而成。当一、二次侧间的气隙接近于零时，直线式移相变压器的磁路可认为是各向同性的有限的封闭磁路[14]，如图6所示。
在图6中，假设磁场的宽度l=2p，一集中绕组的两个电流中心线之间的距离是2q，线槽的宽度是2r，线槽外的铁心宽度是b，绕组匝数是w。在计及绕组两侧电流i的共同作用下，绕组内x处的磁感应强度B(x) 的表达式为
考虑到磁通有闭合连续性的特性，在空间的[-p, p] 区间里，假设槽内导体的磁导率远远小于铁心的磁导率，则磁感应强度的分布可以用式（2）和图7表示，即 如果铁心线槽的宽度2r很小，即，则有，此时在绕组内的磁感应强度不是均匀的；如果铁心线槽宽度2r较大使得，，即在绕组内的磁感应强度是均匀的。依据式（3）可计算出整个绕组总的磁通。
如果将绕组内空间磁场分布用其平均磁感应密度B表示，即
同样，线槽外的磁场分同样用平均磁感应密度表示，则可以得到按矩形分布的磁感应强度表达式（5），分布如图8所示。
这样空间中分布不均匀的磁感应密度就等效成了空间上是矩形分布、时间上是正弦变化的脉振磁场。
在圆形移相变压器中，一次侧三相对称绕组中通三相对称的交流电，单个线圈中均会产生上面分析得到的脉振磁场，根据磁场合成理论，容易得到：三相对称绕组的合成磁场是一个沿着变压器气隙平行移动的正弦磁场。
但是，直线式结构与传统的圆形结构相比，其磁路不是封闭的，端部磁场不可避免地向周围扩散，但是由于其一、二次侧铁心宽度相等、气隙较小，因此横向磁通密度分布畸变率较小；同时，由于一、二次侧铁心是固定的，不存在相互运动，气隙磁场在二次侧引起的涡流不会像直线电机一样产生牵引力脉动，但涡流的存在将使一端的气隙有效磁场削弱，另一端的气隙有效磁场加强，但总体上来看，涡流对纵向气隙磁场的影响可以忽略不计。图9为额定负载情况下的磁力线分布仿真结果，可以看出在一个周期的不同时刻，端部气隙磁场分布并没有发生明显畸变。 因此，虽然直线式结构不是封闭的，但气隙磁场的扩散和畸变程度很低，可以忽略不计，仍然将气隙磁场看做是沿着变压器气隙平行移动的正弦磁场。
移相变压器在空载和负载运行时，都遵循磁动势平衡原理，因此，为了研究网侧的谐波电流磁动势，可以先对二次侧的各次谐波磁动势进行研究[15-19]。为了简化分析，这里仅考虑基波空间的旋转磁动势。
图10为二次绕组的空间分布情况，12相整距绕组的空间间隔为30°，可以将12相绕组分为4套空间移相30°的三相绕组，那么，a1x1、b1y1、c1z1组成第1套三相绕组，以此类推。
设第1套三相绕组的n次谐波电流为 第1套三相绕组的n次谐波磁动势为
式中，Fn为一相绕组产生的脉振磁动势的幅值。
依此类推可以得到其他3套三相绕组的n次谐波电流和n次谐波磁动势。二次侧4套三相绕组的n次谐波合成磁动势可以表示为
1）当n=3m(m =1,2,3,…) 时，由式（7）可知，=0，同理其他3套三相绕组的n次谐波磁动势也为零，所以12相绕组合成磁动势为零。 2）当n=6m+1(m=1,2,3,…) 时
分析式（8）可知，4个磁动势的相位间隔为，当为偶数时，即m=4k(k=1,2,…)，
n=24k+1时，4个磁动势处于同相位，4个磁动势之和不为零，此时 当不为偶数时，4个磁动势之和恒为零，即12相绕组的合成磁动势为零。 3）当n=6m-1(m=1,2,3,…) 时，同上分析可知，当且仅当n=24-1(k=1,2,…) 次谐波的合成磁动势不为零，此时
综上所述，在基波空间内，当且仅当n=24k±1 (k=1,2,…) 次谐波的12相合成磁动势不为零，其他所有次谐波的合成磁动势均为零。
以上分析了二次侧12相绕组的n次谐波磁动势，由磁动势平衡可知，当不计励磁磁动势时，，即为了平衡二次侧12相绕组的n次谐波磁动势，电网侧的一次侧三相绕组同样会感应出相对应的谐波磁动势。在基波空间内，因为二次绕组只存在n=24k±1(k=1,2,…) 次谐波的12相合成磁动势，故电网侧的一次侧三相绕组也只含有n=24k±1(k=1,2,…) 次的谐波电流和谐波磁动势，即二次侧采用12相绕组结构时，电网侧谐波电流次数最小为23次和25次。 4.1 有限元仿真分析
根据第1节所述的直线式铁心结构，建立直线式移相变压器有限元仿真模型，主要结构数据及参数与实验系统保持一致，设计功率为1kW，一次侧为三相短距绕组，二次侧采用12相整距绕组，划分为4套空间间隔为30°的Y形联结三相绕组，为了减小铁心损耗，铁心材料选择电工钢，型号为DW465—50。
图11为不接12相整流桥时，移相变压器的空载输出电压，可以看出移相变压器的12相输出电压相位相差30°。图12和图13为接12相整流桥后，整流系统的输出电压和三相输入电流，可以看出在一个周期时间内，输出电压有24个脉波，计算其纹波系数γ≈1.48%，满足设计要求。对三相输入电流进行FFT分析，输入电流只含有少量的23次和25次谐波，其他次数谐波基本被消除，波形畸变率THD≈2.51%。
以上仿真结果验证了直线式移相变压器的基本原理，但是仿真结果是建立在一系列
理想条件下得到的，为了进一步验证设计效果，需要开展样机实验。 4.2 样机实验
为了进一步验证直线式移相变压器的原理和抑制谐波效果，根据4.1节设计方案，研制了1kW实验样机，参数与仿真系统一致，图14为利用移相变压器构成的十二相整流装置。
当整流系统空载时，整流输出电压波形、一次侧输入电流和输入电流谐波柱状图和如图15和图16所示。当移相变压器一次侧线电压为270V时，十二相整流电路输出电压与仿真结果相似，一个周期内包含24个脉波，此时纹波系数RF≈2.14%。空载一次电流不是对称三相电流，产生了三相不平衡，这是由于直线式三相磁路不对称导致的，可以通过改进磁路结构进行优化处理。
当整流系统在100%阻性负载时，一次侧输入电流、输入电流谐波柱状图和整流输出电压如图17～图19所示。此时，十二相整流电路输出电压受负载影响而波动，纹波系数为RF≈2.83%。输入电流由于谐波的存在发生了畸变，从谐波柱状图可以看出主要谐波成分是23次和25次，此外还包括少量的3次谐波，这是因为直线式结构是空间不对称结构，三相磁路不对称导致了3次谐波的出现，此时谐波畸变率THD≈3.53%，与圆形结构移相变压器相比，谐波畸变率有所增大[13]。 表1为整流系统主要性能指标随负载的变化规律，选取输入电流的谐波畸变率THD、输出电压纹波系数RF、功率因数PF、系统效率EF、电压调整率VR、三相电流不平衡度IF作为考核指标，图20和图21为对应的指标曲线。
从主要性能指标考核结果来看，直线式移相变压器的谐波畸变率THD随负载的增大而增大，当满载时达到了3.53%，纹波系数RF在2.14%～2.83%之间变化，与圆形结构[13]相比，其THD和RF稍高，PF、EF和VR与圆形结构指标接近；与相同容量的柱形结构相比，系统效率EF和电压调整率VR稍低，但由于直线式结构自身具有谐波抑制效果，与隔离式柱形24脉波整流系统相比，谐波畸变率
THD更低。
由于三相磁路结构的不对称性，三相电流不平度IF在空载时达到了11.3%，随着负载增大，IF逐渐变小，满载运行时降至0.02%。为了进一步减小IF值，可以采取以下措施：优化端部齿槽的宽度和间距，改善端部的气隙磁场分布；在大功率整流场合，采取模块化叠加方式，将三台移相变压器的三相绕组错位叠加，即第一台的A相绕组、第二台的B相绕组、第三台的C相绕组并联作为第一相，以此类推进行并联，来消除不对称电流，从而也消除了由它引起的负序磁场和零序磁场。 本文设计了一种类似于直线电机结构的直线式移相变压器，理论分析了在多脉波整流系统中，直线式移相变压器提高输出直流电压品质和有效抑制一次侧电网谐波电流原理，解析了直线式结构下移相变压器的气隙磁场。制作了小型样机，开展了仿真和实验研究，考核了整流系统主要性能指标，得到以下结论：
1）基于直线式移相变压器的多脉波整流系统能够输出较高品质的直流电压，具有较好的带负载能力，同时可有效抑制一次侧电网谐波电流，仿真和实验结果与理论分析是一致的。
2）直线式移相变压器因其直线式铁心结构，便于绕组布放和模块化生产，通过模块叠加可以应用在大功率整流场合。
3）直线式移相变压器与圆形结构相比，性能指标较接近，与柱形结构相比，系统效率EF和电压调整率VR稍低，但抑制谐波效果更好。
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孙 盼 男，1986年生，博士研究生，研究方向为新型变压器和无线电能传输技术等。
E-mail:*****************（通信作者）
赵镜红 男，1975年生，博士，教授，硕士生导师，研究方向为永磁直线电机。 E-mail:********************
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