18脈波自耦型無源功率因數校正技術

陳根余，卓 沛，張 斐

（中國電子科技集團公司第29研究所，四川 成都 610036）

諧波電流抑制方法可分為濾波和新的低諧波整流兩類發展方向，而濾波可以分為無源和有源濾波。無源濾波方法采用L、C和其他無源元件組成濾波電路，簡單可靠，可消除特定諧波的影響［1］。有源濾波需要從補償對象中檢測諧波電流，補償無功及諧波電流，該方法需要DSP或者FPGA等高速邏輯器件，來實現諧波電流的檢測與快速計算。本文對幾種多脈波整流器方案進行了比較，在綜合考慮諧波電流、體積重量和工藝要求下選用P型18脈波自耦變壓整流方案。詳細分析了電路的工作原理，推導了電路的輸出電壓和輸入電流的特性，給出了P型自耦變壓器的設計依據。最后完成了9 kW18脈波自耦型無源功率因數校正模塊設計。

1 多脈波整流器原理簡介及方案選取

1.1 多脈波整流器原理簡介

多脈波整流電路就是利用不同的匝比變換和繞組聯結（如三角形聯結和星形等）來構造得到相位不同的電壓矢量，使得網側電流由不同相位的電流矢量疊加而成，包含不同電壓矢量的信息，最終使得傳統三相橋式整流電路的方波電流變為疊加而成的階梯波電流。

1.2 18脈波變壓整流方案選取

通過移相變壓器構造電壓矢量是最簡單有效的方法。當不要求電氣隔離時，可用自耦變壓器代替傳統的隔離變壓器。由于自耦變壓器不僅有磁路上的耦合而且還有電路上的連接，有利于減小變壓器的體積、重量，且提高系統的效率。因此，目前多采用18脈波自耦變壓整流器。

18脈波自耦變壓器有多種繞組實現方式，如圖1所示。變壓器在相同條件下，輸入電流的THD相同，在結構繞組上P型簡單、便于加工設計。因此，本文以P型18脈波自耦變壓器進行設計。

圖1 18脈波自耦變壓器

2 P型18脈波自耦變壓整流器

2.1 電路拓撲

圖2給出了P型18脈沖自耦變壓器整流電路圖，其中與電網輸入電壓同相的主三相電壓（UA、UB、UC）直接供電給主整流橋，另外兩組輔助電壓（UA1、UB1、UC1）和（UA2、UB2、UC2）分別供電給兩組輔助整流橋，三個整流橋的輸出電壓并聯后向負載供電。

圖2 18脈波自耦變壓器整流電路圖

2.2 變壓器設計

根據18脈波自耦變壓器繞組圖（圖3），每個鐵心柱有五個繞組，每個鐵芯柱對應為一個原邊繞組，在其基礎上自耦產生四個副邊繞組，從原邊繞組引出兩個抽頭用于連接相應的整流橋，由自耦變壓器產生另外兩組輔三相電壓，以A相為例，產生的輔助相電壓UA1和UA2。

圖3 18脈波自耦變壓器繞組圖

令原邊繞組總匝數為Np，其中短繞組匝數為Np1、長繞組匝數為Np2，副邊繞組總匝數為2Ns，其中每個副邊繞組的匝數為Ns。令電網輸入相電壓矢量長度為Us，其中主三相電壓（UA，UB，UC）可表示為：

同理可以求得其余輔相電壓的大小，它們可以分別表示為：

則由三組三相電壓矢量合成可以產生三組線電壓：

（1）主線電壓（UAB，UBC，UCA）由主三相電壓直接得到：

（2）輔助線電壓（UAB1，UBC1，UCA1）、（UAB2，UBC2，UCA2）由主三相電壓和輔三相電壓矢量合成得到：

在三角形PBB1中，∠B1BP＝120°－（180°－20°）／2＝40°，∠BPB1＝120°，∠BB1P＝20°，應用正弦定理可得：

因此可得短繞組和長繞組的電壓矢量長度為：

則根據繞組電壓，可求得各繞組匝比為（其中NP＝2NP1＋NP2）：

綜上所述，18脈沖自耦變壓器各鐵芯柱有五個繞組，從原邊繞組引出兩個抽頭用于連接相應的整流橋，四個副邊繞組匝數為原邊繞組匝數的0.159，0.159，0.299，0.402，0.299倍。

2.3 輸入電流分析

將變壓器匝比與各節點的電流關系代入磁勢平衡等式可得A相電流的表達式為：

根據18脈波自耦變壓器的工作原理，假設負載電流為恒定的Id，則可得（ia、ib、ic）、（ia1、ib1、ic1）與（ia2、ib2、ic2）的工作波形。

2.4 輸出電壓與變壓器容量分析

在一個交流周期內，自耦變壓器輸出電壓為18脈波，所以整流器輸出電壓為：

則輸出直流電壓平均值Ud為：

結合變壓器匝比關系可得變壓器原邊繞組電壓有效值為：

變壓器副邊繞組電壓有效值為：

則可計算得到P型18脈波自耦變壓器的容量Pdtr為：

即P型18脈波自耦變壓器的等效容量僅為輸出功率的0.274倍。

3 9 kW18脈波自耦變壓整流模塊

3.1 參數計算

輸入電壓為三相115 V交流輸入，Us＝115 V，可得直流輸出電壓平均值為：

對于Po＝9 kW的負載功率，由于P型18脈波自耦變壓器的等效容量僅為輸出功率的0.274倍，則可得P型18脈波自耦變壓器的總容量為Pttr＝0.274Po＝2 466 W，Id＝Po／Ud＝32.1 A，則所有匝數為Ns和NP1的繞組有效值電流均為0.262Id＝8.4 A，所有匝數為NP2的繞組有效值電流均為0.145Id＝4.6 A。

選取整流二極管時，應考慮到電壓應力，取輸入線電壓的最大值，即：

二極管的電壓定額為：

流過二極管的最大電流為負載電流Id，則主二極管有效電流為：

主二極管的電流定額應為：

輔助二極管有效電流為：

輔助二極管的電流定額應為：

3.2 仿真分析

利 用 Mtalab／Simulink／SimPowerSystems 庫 可以搭建P型18脈波自耦變壓器整流電路，通過仿真選用三相115 V／400 Hz交流輸入濾波器參數為：L＝300μH、C＝2μF，選用直流輸出濾波器參數為：L＝1 mH、C＝17μF。

穩態仿真結果如圖4所示，由圖可知P型18脈波自耦變壓器整流電路的交流輸入電流在一個線頻周期內呈現出18個脈波，濾波后的輸入電流總諧波畸變率THD＝2.86%，主整流橋輸出功率為負載功率的2／3，兩個輔助整流橋的輸出功率均為負載功率的1／6，仿真結果與上節的理論分析結果相一致。

圖4 18脈波自耦變壓整流電路穩態仿真波形

3.3 實驗樣機

根據理論分析與仿真結果，完成了9 kW18脈波自耦變壓整流模塊設計，由斷路器、接觸器、EMI濾波器、18脈波自耦變壓器、三相整流橋、輸出濾波電路、浪涌抑制及控制檢測電路和儲能電容組成。

圖5 模塊實驗測試波形

模塊的輸出電壓、三相輸入電流與三相輸入電壓測試波形如圖5所示，可見輸出電壓穩定在280 V左右，輸入電流波形為由18個臺階構成的正弦波。滿載時測得模塊的功率因數為0.998、輸入電流的總諧波畸變率為6.9%、轉換效率為0.968，輸入電壓的畸變系數為0.0321，滿足 GJB181A－2003對用電設備的指標要求。

4 結 論

本文對P型18脈波自耦變壓整流器進行了詳細的原理分析，分析了輸入電流特性，并針對機載用電設備完成了9 kW18脈波自耦變壓整流模塊設計和硬件實驗。結果表明，滿載時該模塊的功率因數為0.998、輸入電流的總諧波畸變率為6.9%、轉換效率為0.968，滿足GJB181A－2003對用電設備的指標要求。

［1］ 張 浩，許龍虎.有源功率因數校正技術及控制方式分析［J］.上海電力學院學報，2009，25（3）：201－207.

［2］ 唐 欣，羅 安.基于重復控制的有源濾波器的三態滯環控制方法［J］.電工技術學報，2009，24（9）：134－139.