兩種12脈波整流變壓器分析與仿真

葛笑寒

（三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 三門峽 472000）

近年來電力電子技術(shù)的發(fā)展，使得大功率整流設(shè)備普遍應(yīng)用。兼具變換電壓和隔離作用的整流變壓器的應(yīng)用逐漸增多。但是，隨之帶了諧波污染，導(dǎo)致電網(wǎng)波形畸變。減小諧波的辦法主要有有緣電力濾波器、感應(yīng)濾波技術(shù)和多重化整流技術(shù)三種[1]。在大功率整流領(lǐng)域，一般都采用多脈波的整流變壓器降低諧波，12脈波整流變壓器是經(jīng)典的整流變壓器[2]。但是，隨著電源容量的增大，電壓的提升及調(diào)壓的需求，另外一種12脈波整流變壓器也迅速應(yīng)用。這種新的12脈波整流變壓器的主要特點(diǎn)是，內(nèi)部整流變壓器和調(diào)壓器繞組共油箱，即高壓繞組采用自耦多級調(diào)壓，低壓繞組采用雙分裂的獨(dú)立鐵芯的4套繞組，一次采用延邊三角形實(shí)現(xiàn)移相，閥側(cè)采用三角形接入整流繞組。本文主要介紹這兩種結(jié)構(gòu)的整流變壓器，并進(jìn)行比較。

一、方案一整流變壓器結(jié)構(gòu)

（一）脈波整流變壓器的聯(lián)結(jié)組別

目前，常用軸向分裂變壓器。高壓繞組星型或者延邊三角形連接，低壓繞組形成雙分裂的星型和三角形聯(lián)結(jié)的繞組接入整流柜，形成12脈波整流[3]。工業(yè)中常把兩個(gè)12脈波電路并聯(lián)，形成24脈波電流。如圖1所示1號變壓器采用Dy11d0聯(lián)結(jié)，移相7.5°。2號變壓器采用Dy1d2聯(lián)結(jié)，移相-7.5°。都在高壓側(cè)移相，這樣兩臺變壓器就有了15°的相位差。而每一臺變壓器采用裂相運(yùn)行，低壓側(cè)分裂成星型和三角形聯(lián)結(jié)的兩個(gè)繞組，自然形成了30°的相位差，這樣就形成了12脈波整流。通過這種處理，四組整流橋并列運(yùn)行就形成24脈波直流電。

圖1 方案一整流系統(tǒng)拓?fù)?/p>

（二）整流變壓器的結(jié)構(gòu)

該12脈波整流變壓器，在結(jié)構(gòu)上是一臺的獨(dú)立的變壓器。他們共鐵芯，共油箱。常采用上下分裂結(jié)構(gòu)，即高低壓均由上下2個(gè)繞組組成。如圖2示，高壓分主繞組和移相繞組，移相繞組實(shí)現(xiàn)7.5°和-7.5°的移相。低壓繞組是星形連接的繞組和三角形聯(lián)結(jié)的繞組，直接和整流器相連，低壓側(cè)常用y11d0和y1d2聯(lián)結(jié)。

圖2 方案一整流變的結(jié)構(gòu)及聯(lián)結(jié)形式

（三）方案一整流變壓器主要特點(diǎn)

方案一的12脈波整流變壓器的主要特點(diǎn)有：

1.+7.5°與-7.5°都在高壓側(cè)移相。

2.采用分裂式結(jié)構(gòu)有利于改善整流側(cè)電流分配不均問題，但需要注意晶閘管的安全運(yùn)行。

3.鐵芯利用率高，體積小，成本較低。

4.該結(jié)構(gòu)的24脈波整流變壓器的缺點(diǎn)是不能用變壓器實(shí)現(xiàn)粗調(diào)壓。

5.閥側(cè)采用星型接法會形成三次諧波干擾。

二、方案二12脈波整流變壓器結(jié)構(gòu)

（一）方案二12脈波整流變壓器的聯(lián)結(jié)組別

該種變壓器結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖3所示，電源側(cè)有調(diào)壓繞組，能夠?qū)崿F(xiàn)多級調(diào)壓，實(shí)現(xiàn)電壓的粗調(diào)[4]。經(jīng)調(diào)壓繞組后，軸向分裂為兩套全是三角形聯(lián)結(jié)的繞組。整流變壓器一次側(cè)采用延邊三角形聯(lián)結(jié)，實(shí)現(xiàn)相位移動，閥側(cè)采用三角形聯(lián)結(jié)。目前該結(jié)構(gòu)主要采用以下標(biāo)識：Yd-d連接，（-22.5°，+7.5°）；（+22.5°，-7.5°）；（+3.75°，-26.25°）；（-11.25°，+18.75°）；（-3.75°，+26.25°），（+11.25°，-18.75°）。以（-22.5°，+7.5°）移相為例，即1號變壓器整流變的電源側(cè)兩套延邊三角形繞組分別移相（-22.5°，+7.5°）。而一號變的閥側(cè)均為三角形聯(lián)結(jié)，相位不變，故在閥側(cè)形成了30°的相位差，形成12脈波整流。2號整流變網(wǎng)側(cè)移相（+22.5°，-7.5°）就可以形成另外一組12脈波整流，兩組并網(wǎng)后形成24脈波整流。

圖3 方案二整流系統(tǒng)拓?fù)?/p>

（二）整流變壓器的結(jié)構(gòu)

在這種聯(lián)結(jié)組別中，多出一個(gè)繞組，直接和電源聯(lián)結(jié)的是自耦調(diào)壓繞組，即圖4中的星型聯(lián)結(jié)三相電源ABC可以自耦粗調(diào)壓。然后分裂為兩套角型連接整流繞組。整流繞組一次為延邊三角形連接，閥側(cè)也為三角形接法。移相相量圖如圖4所示。在這種結(jié)構(gòu)中，整流一次分別移相22.5°，-7.5°），組整流裝置相差30°，則可形成12輸出，兩套機(jī)構(gòu)并聯(lián)形成24脈波整流。

圖4 方案二 整流變的結(jié)構(gòu)及聯(lián)結(jié)形式

（三）方案二變壓器的的主要特點(diǎn)有：

1.每臺12脈波變壓器由1臺采用自藕升壓接線方式的調(diào)壓變壓器和整流變壓器構(gòu)成。

2.高壓側(cè)的自耦調(diào)壓器不移相，只是實(shí)現(xiàn)多級粗調(diào)壓。

3.整流變壓器網(wǎng)側(cè)兩個(gè)繞組采用延邊三角是實(shí)現(xiàn)移相，閥側(cè)兩繞組全部角型連接。

4.整流變壓器一、二次側(cè)均采用三角形接線可以有效地消除三次諧波。

5.自耦調(diào)壓器的存在，可以實(shí)現(xiàn)靈活調(diào)壓。

6.成本增加，高度增加。適用于負(fù)荷變動較大的場合。

三、諧波分析與仿真

（一）諧波分析

方案一的變壓器制造商常采用DyDd的聯(lián)結(jié)組方式構(gòu)成24脈波整流變壓器，網(wǎng)側(cè)延邊三角形聯(lián)結(jié)實(shí)現(xiàn)移相，閥側(cè)星型或者三角形聯(lián)結(jié)。網(wǎng)絡(luò)三角形聯(lián)結(jié)，3倍次的諧波不會流入交流側(cè)，減小對電網(wǎng)的危害[5-6]；方案二的變壓器制造商常采Yd-d連接，高壓網(wǎng)側(cè)星型自耦調(diào)壓繞組，整流分高壓和低壓繞組。整流的高壓側(cè)分裂為延邊三角形聯(lián)結(jié)，分別移相實(shí)現(xiàn)相位差，閥側(cè)均為三角形聯(lián)結(jié)。該種接法可實(shí)現(xiàn)兩組整流的30度相位差。由于整流變?nèi)珵槿切温?lián)結(jié)，故3倍次諧波同樣不會流入交流側(cè)。

交流側(cè)A相電流傅里葉表達(dá)式為：

輸出電壓的傅里葉展開式為：

綜合分析可以看出，24脈波整流電網(wǎng)側(cè)只含有24K1(K=1，2，3，4…)次諧波電流，而三次諧波由變壓器三角形結(jié)構(gòu)消除，5、7、17、19…等諧波完全抵消；直流輸出側(cè)電壓和電流主要是24K(K=1，2，3，4…)?？梢钥闯龆嘀鼗鹘档土酥C波。有利于大功率系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

（二）仿真分析

使用Matlab/Simulink建立仿真模型，為分析方便變壓器電壓比設(shè)為1:1，變壓器容量1MVA，負(fù)載電阻10歐姆，仿真停止時(shí)間0.06秒。首先對方案一進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖5、圖6所示，網(wǎng)側(cè)電流的THD值為1.11%，網(wǎng)側(cè)電流主要是23，25，47,49等次諧波；直流側(cè)主要是24,48次諧波；方案二的結(jié)果如圖7、圖8所示，網(wǎng)側(cè)電流的THD值為0.39%，網(wǎng)側(cè)電流不含低次諧波，直流輸出電壓的諧波主要是24,48次諧波。兩種方案的結(jié)果基本一致。隨著設(shè)備容量的增加，后期48脈波整流，更接近穩(wěn)定的直流電壓。

圖5 方案一網(wǎng)側(cè)電流頻譜圖

圖6 方案一直流輸出電壓頻譜圖

圖7 方案二電源側(cè)電流頻譜圖

圖8 方案二直流輸出電壓頻譜圖

四、結(jié)語

通過對兩種12脈波整流變壓器設(shè)計(jì)方法的分析比較可知，兩種結(jié)構(gòu)的12脈波整流變壓器各有優(yōu)缺點(diǎn)。方案一可以提供穩(wěn)定的直流高壓，且利用閥側(cè)的星三角自動形成30度的移相，電源側(cè)采用延邊三角形移相，但是電壓可調(diào)性差。此種變壓器結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)較低，可用于鐵路牽引等需要固定穩(wěn)定電壓的領(lǐng)域。方案二電源側(cè)采用自耦調(diào)壓繞組，整流分裂為高低壓兩套繞組，延邊三角形在整流變高壓側(cè)，且都為三角形聯(lián)結(jié)。在整流繞組的高壓側(cè)實(shí)現(xiàn)相位的左右移相。變壓器繞組增多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，高度也比方案一高，故造價(jià)較高，多用于需要頻繁調(diào)壓，大電流中低電壓的電解銅、電解鋁等領(lǐng)域。兩種方案在諧波抑制方面基本相同。再具體使用時(shí)，用戶可以根據(jù)負(fù)載的要求選擇合適的整流方式。