一種六相電源的選相整流技術(shù)及紋波分析

姚佳寧，崔學(xué)深，馬寧博，許 冰，吳 浩，王宇桐

(1.華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206；2.國網(wǎng)河南省電力有限公司洛陽供電公司，河南 洛陽 471023)

0 引 言

自20世紀(jì)90年代以來，電動汽車、電動船舶、多電飛機和高功率工業(yè)器件等得到了飛速發(fā)展，這些應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ζ潋?qū)動電源提出了更加嚴(yán)格的要求[1]。常規(guī)的三相交流電源已經(jīng)應(yīng)用普遍，但三相電源在系統(tǒng)可靠性方面存在明顯不足，一旦有一相出現(xiàn)故障，將會導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。與三相電源相比，多相電源(特指相數(shù)大于3)有其獨特的優(yōu)點：當(dāng)其中一相或者多相退出運行或缺相運行時，系統(tǒng)無需停機，仍然可以穩(wěn)定運行[2]。連接電力電子變流器運行時，多相電源與同等容量的常規(guī)三相電源相比，每相電流定額低，轉(zhuǎn)矩、電流脈動小，諧波分量少，電壓選擇范圍大且整流之后直流側(cè)輸出電壓數(shù)值高、紋波小，故障容錯性高[3]。憑著這些先天的優(yōu)勢，多相電源廣泛應(yīng)用于低壓、大功率、對可靠性要求較高的領(lǐng)域，如船舶電力推進(jìn)、機車動力牽引、電力汽車和混合電力汽車、多電飛機、航空航天等，并在這些應(yīng)用領(lǐng)域中逐漸成為當(dāng)前研究的一個熱點[4]。

直流供電系統(tǒng)易于并網(wǎng)、線路損耗小、供電可靠性高，為了整流得到更穩(wěn)定的直流電壓，常常采用多相整流電路進(jìn)行供電。六相整流電路在帶整流負(fù)載時，顯著降低了直流電流的紋波系數(shù)和脈動系數(shù)，提高了整流質(zhì)量，且其具有復(fù)雜度低、可靠性高和過載能力強等優(yōu)勢，在大功率整流、風(fēng)力發(fā)電、電化學(xué)加工和高壓直流輸電等領(lǐng)域作為交流電網(wǎng)與工業(yè)設(shè)備的接口裝置或電網(wǎng)與機組之間的功率變換器應(yīng)用廣泛[5]。同時，運用直流電力系統(tǒng)為船舶用電設(shè)備、航天領(lǐng)域相關(guān)設(shè)備、電動汽車供電也有較多應(yīng)用[6]。

六相移30°電源是最常用的多相電源之一[7-8]。與常規(guī)三相交流電源相比較，六相移30°電源直接帶整流負(fù)載的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：電源輸出電壓波形畸變較小，有利于兼帶其它動力負(fù)載；與六相移60°電源相比，六相移30°電源直接帶整流負(fù)載的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：有更多的空間電壓矢量，在矢量控制中能提供更多的控制資源；交流側(cè)電流最低諧波次數(shù)為11、13次諧波，不含有對電源危害很大的5、7次諧波，降低了諧波損耗，削弱了附加轉(zhuǎn)矩[9-12]。本文選用六相移30°電源，根據(jù)輸出的六相電壓波形，通過選相整流可以實現(xiàn)三種直流電壓等級的輸出，以驅(qū)動不同的直流負(fù)載或為不同直流電壓需求的用電設(shè)備進(jìn)行供電。直流側(cè)加入電容的作用有：緩沖整流器交流側(cè)與直流側(cè)負(fù)載間的能量交換，穩(wěn)定直流側(cè)電壓，并抑制直流側(cè)紋波電壓[13]。為了有效地提高直流側(cè)的電能質(zhì)量，進(jìn)一步對比分析了有無直流穩(wěn)壓電容和電容大小的選取對輸出直流電壓波形的影響。

1 選相整流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

六相移30°電源的選相整流結(jié)構(gòu)拓?fù)淙鐖D1所示，圖1(a)中交流側(cè)為六相移30°同步發(fā)電機(中性點接在一起)，六相整流橋由上下橋臂共12個晶閘管組成，直流側(cè)包括一個穩(wěn)壓電容以及相應(yīng)的直流負(fù)載。圖1(b)的整流部分以及直流側(cè)的組成結(jié)構(gòu)與圖1(a)相同，交流側(cè)采用六個電壓、頻率相同的單相電源，分別命名為A、B、C、D、E、F相電源。其中A相超前B相30°，B相超前C相90°，C相超前D相30°，D相超前E相90°，E相超前F相30°，且六個單相電源的中性點共地。

圖1 六相移30°電源選相整流拓?fù)鋱D

六相移30°電源提供輸入功率給六相整流橋，整流橋由十二個晶閘管構(gòu)成，上下橋臂(VT1′～VT6′、VT1～VT6)均采用半控的晶閘管器件，其中上橋臂的晶閘管(VT1′～VT6′)多數(shù)模式下在相鄰兩相的自然換相點處觸發(fā)導(dǎo)通，個別模式下需要施加特定的選相觸發(fā)脈沖。下橋臂則始終需要實施選相整流，控制不同等級的直流電壓輸出。通過對上下橋臂的選相整流，對各相連接的晶閘管施加相應(yīng)的觸發(fā)脈沖，從而實現(xiàn)直流側(cè)多電壓等級的控制輸出。

2 六相移30°電源的選相整流技術(shù)

當(dāng)對六相移30°電源進(jìn)行不控整流時，每時每刻電壓矢量差最大的兩相自然導(dǎo)通，那么，當(dāng)將二極管換成半控或全控器件時，通過對其實施控制就可以選擇非電壓矢量差最大的兩相導(dǎo)通，從而可以根據(jù)實際需要實現(xiàn)多電壓等級的控制輸出[14]。六相移30°電源的電動勢相量圖如圖2所示，輸出的六相電壓波形如圖3所示，六相不對稱，A相超前B相30°，B相超前C相90°，C相超前D相30°，D相超前E相90°，E相超前F相30°。上下橋臂均采用的是半控晶閘管，主要對下橋臂實施選相整流，上橋臂可在各相的自然換相點處換相觸發(fā)導(dǎo)通，也可實施選相整流。當(dāng)控制上橋臂始終在各相的自然換相點處觸發(fā)導(dǎo)通時，以前T/6周期內(nèi)的電壓波形為例加以說明：上橋臂即A相導(dǎo)通，此時實施選相整流，觸發(fā)導(dǎo)通相應(yīng)的晶閘管，可以使A相波形分別與D相、C相、E相、F相、B相波形上下圍成的區(qū)域輸出五種電壓等級，由于A相波形與B相波形圍成的區(qū)域輸出電壓太小，A相波形與F相波形、A相波形與E相波形圍成的區(qū)域輸出電壓脈動較大，沒有實際利用價值，因此只采用前兩種組合方式。在整個T周期內(nèi)，這兩種組合方式定義為模式一和二。當(dāng)對上橋臂也實施選相整流時，與上述分析思路相類似，前T/6周期內(nèi)可以得到B相波形與C相波形圍成的區(qū)域輸出電壓較為理想。在整個T周期內(nèi)，這種組合方式定義為模式三。

圖2 電動勢相量圖

圖3 六相移30°電源輸出的六相電壓波形

當(dāng)需要較高直流電壓驅(qū)動負(fù)載或為直流電壓需求較高的用電設(shè)備進(jìn)行供電時，選擇電壓空間矢量差最大的兩相導(dǎo)通，即采用模式一的導(dǎo)通方式，導(dǎo)通相包絡(luò)線圍成的區(qū)域如圖4，即控制上下橋臂晶閘管都在自然換相點處換相導(dǎo)通，此時直流側(cè)輸出電壓等級最高?？刂品绞綖椋篢周期內(nèi)上下橋臂分別觸發(fā)導(dǎo)通A相與D相、B相與E相、C相與F相、D相與A相、E相與B相、F相與C相，上下橋臂各個晶閘管每次導(dǎo)通1/6T，且各個晶閘管每個周期內(nèi)導(dǎo)通一次。各相對應(yīng)的晶閘管施加觸發(fā)脈沖的序列如圖5。

圖4 導(dǎo)通相包絡(luò)線圍成的區(qū)域

圖5 上下橋臂晶閘管觸發(fā)脈沖

在六相移30°電源輸出相電壓為220 V(50 Hz)的情況下，對六相整流橋施加選相整流。通過仿真，在直流側(cè)不加穩(wěn)壓電容時模式一輸出電壓波形如圖6所示。

圖6 不加穩(wěn)壓電容時模式一直流側(cè)輸出電壓波形

當(dāng)驅(qū)動負(fù)載的直流電壓或為用電設(shè)備供電的直流電壓需求低于模式一時，采用模式二的導(dǎo)通方式，導(dǎo)通相包絡(luò)線圍成的區(qū)域如圖7，控制上橋臂晶閘管在自然換相點處換相導(dǎo)通，下橋臂實施選相整流。控制方式為：T周期內(nèi)上下橋臂分別觸發(fā)導(dǎo)通A相與C相、B相與F相、C相與E相、D相與B相、E相與A相、F相與D相，上下橋臂各個晶閘管每次導(dǎo)通1/6T，且各個晶閘管每個周期內(nèi)導(dǎo)通一次。各相對應(yīng)的晶閘管施加觸發(fā)脈沖的序列如圖8所示。

圖7 導(dǎo)通相包絡(luò)線圍成的區(qū)域

圖8 上下橋臂晶閘管觸發(fā)脈沖

通過仿真，在直流側(cè)不加穩(wěn)壓電容時模式二輸出電壓波形如圖9所示。

圖9 不加穩(wěn)壓電容時模式二直流側(cè)輸出電壓波形

當(dāng)驅(qū)動負(fù)載的直流電壓或為用電設(shè)備供電的直流電壓需求低于模式二時，采用模式三的導(dǎo)通方式，導(dǎo)通相包絡(luò)線圍成的區(qū)域如圖10，對上下橋臂都實施選相整流。控制方式：T周期內(nèi)上下橋臂分別導(dǎo)通B相與C相、A相與F相、D相與E相、C相與B相、F相與A相、E相與D相，上下橋臂各個晶閘管每次導(dǎo)通1/6T，且各個晶閘管每個周期內(nèi)導(dǎo)通一次。各相對應(yīng)的晶閘管施加觸發(fā)脈沖的序列如圖11所示。

圖10 導(dǎo)通相包絡(luò)線圍成的區(qū)域

圖11 上下橋臂晶閘管觸發(fā)脈沖

通過仿真，在直流側(cè)不加穩(wěn)壓電容時模式三輸出電壓波形如圖12所示。

圖12 不加穩(wěn)壓電容時模式三直流側(cè)輸出電壓波形

通過計算，在模式一、二和三的情況下，直流側(cè)電壓幅值與繞組電壓幅值之比分別為1.93、1.77和1.40。仿真結(jié)果表明，在六相移30°電源輸出電壓不變的情況下，單純地通過對上下橋臂的晶閘管實施選相整流就可以實現(xiàn)直流側(cè)多電壓等級的輸出。

3 直流側(cè)電壓紋波及穩(wěn)壓電容選擇分析

在直流側(cè)不加穩(wěn)壓電容時，由仿真可看出輸出電壓存在明顯紋波。利用Matlab對不加穩(wěn)壓電容時模式一、二、三的直流電壓紋波進(jìn)行分析，如圖13所示。分析可知模式一、三的電壓紋波比模式二小，且模式一、三主要含6、12、18等次紋波，其中6次紋波含量最高；模式二主要含3、6、9、12等次紋波，其中3次紋波含量最高。

圖13 不加穩(wěn)壓電容不同模式紋波分析圖

設(shè)置模式一、二、三直流側(cè)穩(wěn)壓電容參數(shù)分別為6×6-2F、8×10-2F、5×10-2F，經(jīng)選相整流選擇穩(wěn)定后的輸出電壓波形放大圖如圖14所示。

圖14 加穩(wěn)壓電容不同模式輸出電壓波形放大圖

對比分析有無穩(wěn)壓電容及所加電容的大小，可以得出穩(wěn)壓電容能明顯減小直流電壓紋波，針對不同模式選擇不同的穩(wěn)壓電容值能夠有效提高直流側(cè)的電能質(zhì)量。

4 結(jié) 語

本文提出的一種新型的適用于多相整流系統(tǒng)的僅含晶閘管和穩(wěn)壓電容的整流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及相應(yīng)的選相整流技術(shù)，很大程度上拓寬了目前多相整流電路在不同直流供電領(lǐng)域的應(yīng)用范圍?；赟imulink仿真環(huán)境，通過實施不同的選相整流策略，在六相移30°電源輸出電壓不變的前提下，實現(xiàn)了直流側(cè)三種電壓等級的控制輸出。同時，通過對比分析有無直流側(cè)穩(wěn)壓電容和電容大小的選取對直流側(cè)輸出電壓紋波的影響，仿真得出了較為理想的匹配三種選相整流模式的穩(wěn)壓電容值，減小了直流系統(tǒng)的電壓紋波，有效提高了直流側(cè)的電能質(zhì)量。選相整流技術(shù)具有控制簡單、成本低的特點，尤其適用于船舶

電力推進(jìn)、機車動力牽引、電力汽車和混合電力汽車、多電飛機、航空航天等需要直流系統(tǒng)供電且存在不同等級直流電壓需求的場合。