一種應用于多重化逆變的變壓器研究

胡亮 胡緒昌 王鐵軍

（1. 海軍工程大學電氣與信息工程學院，武漢 430033；2 江蘇江陰 63680 部隊，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用來實現逆變。所以其高次諧波污染不可避免。降低開關頻率和減少開關器件的運用是解決這一問題的途徑之一。傳統的“移相”方式，是通過控制開關器件，在時間上創造相位差角。本文考慮在逆變器中加入新型變壓器，在空間上創造相位差角，來降低開關頻率和減少開關器件應用。

變壓器是利用電磁感應原理，以交變磁場為媒介，把初級繞組從電源吸收的某種電壓的交流電電能轉變成另一種電壓的交流電能，由次級繞組向負載提供。除自耦變壓器外，一般變壓器的初級與次級繞組之間只有磁耦合而沒有電路上的直接聯系。其主要作用是改變電壓幅值[1]。而文獻2中打破傳統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磁合成與次級電壓合成，相對應的鐵心結構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機定子鐵心結構相似的新型濾波變壓器鐵心結構來解決傳統鐵心這些的問題。使其能夠應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

本文的基本理論是“移相多重疊加法” ，其基本思想是將N個輸出電壓（或電流）為方波的逆變器依次移開一個相同的相位角，然后通過變壓器進行初級磁合成或次級電壓（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。針對該方法的應用研究還有大量文獻記載，此處僅對其進行簡要說明。

2.2 新型疊加變壓器的結構

文獻 11中將變壓器與異步電動機做了詳細比較，指出了兩者在工作原理和電磁關系上的相似之處。所以本文提出的新型變壓器鐵心結構類似于多相異步電機的定子鐵心。文獻12中提出了用于六相異步電動機的電抗器，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，并將鐵心結構設計成為形如感應電機定子，12個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 結構圖與繞線方式

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，輸出端供給三相負載用電。方波逆變器、新型變壓器、三相負載的連接關系圖如圖2。

圖2 連接關系圖

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行磁動勢疊加（具體結構如圖3）。下面對變壓器中的磁動勢進行分析。三相方波電壓產生的磁動勢中，含有基波磁動勢和高次諧波磁動勢，以第一套繞組的A1相軸線為空間坐標原點，并以 A1相繞組電流為零的瞬間作為時間軸的起點。

圖3 三相逆變橋

基波磁動勢：第一套輸入繞組所產生的基波磁動勢是與感應電機定子磁動勢相似的波幅恒定不變的旋轉波，其式為

F1為基波磁動勢幅值。ω為旋轉磁場的頻率。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。則其產生的基波磁動勢可表示為

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

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

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

3 系統的數學模型與仿真分析

3.1 數學模型

在分析該新型變壓器數學模型時，做如下假設：

（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載。

（3）處于同一槽內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模仿六相感應電機系統的電抗矩陣可表示為

3.2 仿真及結果

輸入三相方波逆變器的波形如圖 5。經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構對3、5、7次諧波抑制效果明顯。

4 結論

本文基于多重疊加的基本原理，在前人基礎上提出了一種新型變壓器的鐵心結構，簡單的三相方波逆變器通過該結構進行初級磁疊加，高次諧波在疊加過程中基本被抑制。本文利用simulink仿真軟件，對其建模并且仿真，仿真結果與理論分析基本一致。但由于在建模之初進行了簡化假設，在實驗中會遇到很多問題，比如磁路飽和、漏磁通的計算等問題。如何解決這些問題還需要進一步分析和研究。

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