不對稱式12 脈沖自耦變壓整流器設計

張建芳，郝曉紅

（中國民航大學工程技術訓練中心，天津 300300）

多脈沖自耦變壓整流器（ATRU，auto-transformer rectifier unit）除了具有結構簡單、可靠性高、過載能力強、輸入電流諧波小等多脈沖整流技術的通用優點外，還具有等效容量小、體積和重量小以及性價比高等優點[1-3]，因而被廣泛應用于非隔離變換，特別是航空電源輸入電流諧波抑制中。在民用航空領域，相對18 脈沖自耦變壓整流器[4]，12 脈沖自耦變壓整流器更加符合DO-160 標準對電流諧波的要求[5-7]，因而更具優勢。12 脈沖自耦變壓整流器又分為對稱式和不對稱式兩種。目前，航空領域大多應用對稱式12 脈沖自耦變壓整流器，由于其自身拓撲結構的特點，為了避免150°相位差的組間導通，需要相間變壓器（IPT，interphase transformer）輔助，才能保證其正常運行，這額外增加了變壓整流器的整體體積和重量，即等效容量較大。不對稱式12 脈沖自耦變壓整流器的拓撲結構[8-10]，使其無需相間變壓器輔助，可使產品具有更小的等效容量、體積和重量。

1 對稱式12 脈沖ATRU 的原理與分析

對稱式12 脈沖自耦變壓整流器的變壓器繞組和電路拓撲結構[11-14]，如圖1 所示，其中Np為主繞組匝數，Ns為輔助繞組匝數，Vd和Id分別為整流器直流輸出電壓和電流，其矢量圖如圖2 所示，其中N 為中性點。

圖1 對稱式12 脈沖ATRU 繞組和電路拓撲結構Fig.1 Winding and circuit topology structure of symmetric 12-pulse ATRU

圖2 對稱式12 脈沖ATRU 矢量圖Fig.2 Vector diagram of symmetric 12-pulse ATRU

從圖1 和圖2 可知，對稱式ATRU 的設計和工作原理是采用輔助繞組構建6 個幅值相等的輔助相電壓矢量Vaf、Val、Vbf、Vbl、Vcf、Vcl，且為基本相電壓矢量Va、Vb和Vc的1.03 倍；相位相對于對應的基本相電壓矢量分別超前和滯后15°。由于輔助相電壓矢量幅值相等且相位對稱，因此，Vaf、Vbf、Vcf構成的整流橋與Val、Vbl、Vcl構成的整流橋導通角相等，每個橋的平均輸出電流均為整流器直流輸出電流Id的一半。

應用傅里葉分析，可以得出15°相移對稱式12 脈沖自耦變壓整流器輸入電流總諧波失真（THD，total harmonic distortion）理論值為12.6%；變壓器等效容量為0.316Vd-avId-av，其中Vd-av為整流器直流輸出電壓平均值，Id-av為整流器直流輸出電流的平均值，如圖1 所示。

從圖2 可知，由于這種對稱式12 脈沖整流器存在由150°夾角相電壓矢量合成的線電壓矢量Vafbl、Vbfcl、Vcfal，因此，需要采用IPT 才能正常工作，將大大增加整流器的體積和重量。

2 不對稱式12 脈沖ATRU 設計

三相交流系統的3 個基本相電壓矢量Va、Vb、Vc合成的6 個基本線電壓矢量Vab、Vac、Vbc、Vba、Vca、Vcb等幅值，等相位間隔60°，與基本相電壓矢量的相位差為30°，幅值為相電壓的倍。因此，如構建3 個輔助相電壓矢量Val、Vbl、Vcl，分別與基本相電壓矢量Va、Vb、Vc相位相反，幅值相差倍，則能獲得6 個新合成線電壓矢量Vabl、Valc、Vbcl、Vbla、Vcal、Vclb，與6 個基本線電壓矢量Vab、Vac、Vba、Vbc、Vca、Vcb等幅值，相位相差30°，從而構成12 脈沖電壓矢量空間，如圖3 所示。

圖3 不對稱式12 脈沖ATRU 矢量圖Fig.3 Vector diagram ofasymmetric12-pulseATRU

圖4 為不對稱12 脈沖整流器電路拓撲結構。根據圖3 所示，可以得出每個基本相電壓矢量Va、Vb、Vc導通角為90°，每個輔相電壓矢量Val、Vbl、Vcl導通角為30°，因此，主橋BD1 全周期導通270°，輔橋BD2 導通90°，主橋與輔橋導通相角比為3 ∶1，即主橋傳遞75%的功率，輔橋傳遞25%的功率。

圖4 不對稱式12 脈沖ATRU 電路拓撲結構Fig.4 Circuit topology of asymmetric 12-pulse ATRU

按圖3 所示不對稱式12 脈沖ATRU 繞組結構設計如圖5 所示，其中D1、D2、D3為同名端端子；Np1和Np2分別為第1 段主繞組和第2 段主繞組匝數，Np1+Np2=Np；Ns為輔助繞組匝數。

圖5 不對稱式12 脈沖ATRU 繞組結構Fig.5 Winding structure of asymmetric 12-pulse ATRU

根據矢量合成原理可得

從圖5 可知，根據矢量關系可以確定繞組同名端，即副邊繞組D1-al 與原邊繞組c-b 之間D1與c 為同名端，al 與b 為同名端，以此類推，可得

根據上述方程組及圖5，繞組匝數歸一化的變壓器線圈結構如圖6 所示。

圖6 繞組匝數歸一化的變壓器線圈結構Fig.6 Transformer coil structure with normalized number of winding turns

3 不對稱12 脈沖ATRU 輸入電流分析

圖7 為不對稱式12 脈沖ATRU 磁路圖，其中i 代表瞬時電流。

圖7 不對稱式12 脈沖ATRU 磁路圖Fig.7 Magnetic circuit diagram of asymmetric 12-pulse ATRU

對于每個鐵芯柱而言，根據磁勢平衡原理（安匝平衡）可得

根據圖3 及式（2）、式（3）、式（5）～式（8），可求出輸入電流及相關繞組電流的分布情況，如圖8 所示，其中，ω 表示角加速度，t 表示時間。

圖8 不對稱式12 脈沖ATRU 輸入電流波形Fig.8 Input current waveform of asymmetric 12-pulse ATRU

根據圖8 整流器輸入電流isc波形分析結果[15-16]，其電流有效值如下

對輸入電流isc進行傅里葉級數分解可得

當傅里葉級數n=1 時，則可得isc的基波電流表達式為

則基波電流有效值為

4 不對稱12 脈沖ATRU 等效容量分析

根據圖8 電流分析波形，可得變壓器原邊繞組電流有效值[17-18]為

則副邊繞組（輔助繞組）電流有效值為

由式（2），變壓器原邊繞組電壓有效值為

式中Vl為輸入線電壓有效值。

根據式（3），副邊繞組電壓有效值為

則變壓器的結構容量為

則變壓器的等效容量為

在一個周期內，整流器輸出為12 脈沖，輸出電壓波形如圖9 所示。

圖9 不對稱式12 脈沖ATRU 輸出電壓Fig.9 Output voltage of asymmetric 12-pulse ATRU

據圖9 可知，輸出電壓可表述為

根據式（20）和式（22）可得，變壓器等效容量為

可見，與對稱式12 脈沖變壓整流器0.316 Vd-avId-av的等效容量相比，不對稱式12 脈沖變壓整流器的等效容量更小了。

5 整流橋選型

整流橋輸入為115 V 三相交流電壓，考慮浪涌電壓，相電壓的有效值短時間內會達到180 V，對應的線電壓峰值約為423 V，考慮裕量一般選擇600～800 V 的整流橋。根據10 kV 的功率計算輸出電壓最大電流約為40 A，主橋和輔橋流過的電流約為30 A 和10 A，本設計中，主橋選擇VUO30-08N03，規格為37 A，800 V，輔橋選擇VUO16-08N01，規格為20 A，800 V。

6 仿真驗證

采用Saber 仿真軟件對不對稱式12 脈沖自耦變壓整流器進行了仿真驗證[19-22]，仿真模型參數設置如下：

（1）繞組匝數，Np=180 匝，Ns=28 匝；

（2）輸入差模濾波電感為100 μH；

（3）輸出濾波電容為200 μF；

（4）負載，阻性載為7.29 Ω。

（5）輸入電壓為115 Vrms/400 Hz。

輸入電流仿真波形如圖10 所示。輸入電流總諧波值為9.6%，單次諧波含量均能滿足DO-160 標準要求。

圖10 輸入電流仿真波形Fig.10 Simulation waveform of input curret

圖11 選取了兩個整流橋輸入電壓中的一組進行分析，可以看出Valbl約為Vab的0.732，相位相差約為60°，與設計預期結果相符。

7 實際應用及驗證

將不對稱式12 脈沖變壓整流技術應用于航空電源教學中，研制出1 臺10 kW 多電飛機高壓直流電源模擬裝置，裝置圖如圖12 所示。

圖12 高壓直流電源模擬裝置Fig.12 HVDC power supply simulator

多電飛機高壓直流電源模擬裝置可以將飛機主電源115 VAC 轉換為270 VDC 輸出。

采用福祿克NORMA 5000 功率分析儀對輸入電流波形、總諧波、關鍵性單次諧波、效率等參數的驗證，輸入電流和輸出電壓測試結果如圖13 所示。

圖13 輸入電流波形Fig.13 Input current waveform

由圖10 和圖13 可以看出，輸入電流的實測值與仿真結果相近，諧波較小。

將不對稱式和對稱式12 脈沖變壓整流器參數進行對比，如表1 所示。從表1 可知，不對稱式12 脈ATRU輸入電流總諧波、關鍵性單次諧波較對稱式略大，但均滿足DO-160 標準的要求。

表1 性能參數Tab.1 Performance parameters

8 結語

由實驗數據可知，本文所提出的不對稱式12 脈沖自耦變壓整流器設計，相對傳統對稱式設計效率更高，等效容量更小，且無需增加IPT，具有更小的體積和重量優勢。后續可以通過變壓器優化設計進一步減小總諧波和單次諧波。因此，不對稱12 脈沖自耦變壓整流器對于體積和重量設計壓力較大的航空電源產品，是一種較為理想的諧波抑制解決方案。