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带自耦调压的12脉波桥式整流变压器设计海理; 肖金凤; 王博; 谢艳【期刊名称】《《电气技术与经济》》【年(卷),期】2019(000)004【总页数】3页(P44-46)【关键词】自耦调压; 12脉波桥式整流; 同相逆并联; 移相变压器【作者】海理; 肖金凤; 王博; 谢艳【作者单位】[1]南华大学电气工程学院【正文语种】中文【中图分类】TM4220 引言随着低电压、大电流、调压范围宽的大功率可控可调直流电源在电化学工业、电解电镀设备、钢铁冶金行业及交通驱动等领域中广泛应用，电力电子整流装置的功率需求不断增大，它所产生的谐波、无功功率等对电网的干扰也随着增大。
为解决电网谐波污染问题，往往采用多脉波整流技术，即通过增加整流器的输入相数的方法来抑制甚至完全消除输入电流中某些特定次数的谐波。
孟凡刚［3］［4］等人提出了一种低容量联结的六相自耦变压器应用于12脉波整流系统；张先进［5］等人研制了不带平衡电抗器的隔离型12脉波多边形自耦变压器的整流系统。
这些方法将6脉波桥式整流提升到12脉波输出，大大减小了谐波污染，但是阀侧多边形移相，绕组数量多，制造工艺复杂，对大容量整流变压器设计而言，往往需要满足调压范围大、制造工艺简单的要求。
本文介绍带自耦调压的12脉波桥式整流变压器能满足这种需要低电压、大电流、调压范围宽的直流电源设备的要求，也能解决直流电压脉动及高次谐波问题，使电压质量提高、电网危害减少。
该变压器采用“一拖二”的结构，由一台调变和两台整变按“品”字形共箱布置，调变网侧为35kV进线自耦调压，两台整变分别采用Y、D接法，阀侧Δ接通过同相逆并联方式在油箱两侧对称输出，与4组桥式整流柜及负载设备构成整流回路。
1 变压器接线原理图1.1 调变绕组接线原理图调变接线原理见图1。
采用自耦正反调压，调节范围80%～105%，在容量相同时，自耦变压器体积比隔离式变压器小，可节省硅钢片和铜线，且效率高。
图1 调变接线原理图1.2 整变绕组接线原理图整变接线原理见图2。
不对称式 P型 12脉冲自耦整流变压器摘要：多脉冲整流技术在工业大功率AC/DC变换、直流电机驱动等场合应用广泛，通过构造多电平阶梯状输入电流，可有效抑制网侧电流谐波。
文章介绍一种基于不对称式12相电压合成方法的P型自耦整流变压器，并对该变压器的电压矢量、绕组匝比关系以及整流系统的输入输出特性进行了分析。
关键词：自耦变压器整流器匝比关系电压矢量 P型结构1 不对称式P型12脉变压整流器拓扑结构图1为不对称式P型12脉变压整流器的拓扑结构。
该新型12脉变压整流器包含两个主要部分：不对称式P型12脉自耦整流变压器和三相整流单元。
三相自耦整流变压器为封闭的P型（多边形）结构，每相含原边和副边2个绕组。
三相整流单元包括主三相整流桥B1和辅三相整流桥B2。
主三相整流桥电流流过的时间比辅三相整流桥长，承担主要功率变换。
三相输入交流电接入变压器原边的ap,bp,cp输入端，该组电压称为主三相电压（Vap,Vbp,Vcp），同时该组三相电压接入主整流桥的输入端。
通过自耦变压器副边电压与原边电压相量之和构造辅助三相电压（Vas,Vbs,Vcs），该组三相电压接入辅整流桥的输入端。
不同时区，不同的主、辅电压矢量之和构成12相输出线电压矢量，主辅整流桥的二极管依据线电压矢量的切换顺序依次选通，输出电压为各时区内线电压的最大值，从而输出含12个脉动的直流电压，由于同一时刻仅一个线电压输出，不需要平衡电抗器。
图1 不对称式P型12脉变压整流器图2为该绕组在三相铁心上的绕制示意图，同一铁心柱上的绕组绕制方向相同。
每相上原边绕组中间抽头（ap,bp,cp），副边绕组中间抽头（as,bs,cs），其中抽头匝数均为总匝数的一半。
A相原边起始端与B相副边起始端相连为a1，B相原边起始端与C相副边起始端相连为b1，C相原边起始端与A相副边起始端相连为c1；A相原边终末端与C相副边终末端相连为a2，B相原边终末端与A相副边终末相连为b2，C相原边终末端与B相副边终末端相连为c2。
/view/f05a78d850e2524de5187e42.html 串联型12脉波二极管整流器摘要：串联型12脉波二极管整流器是由两个相同的6脉波二极管整流器在直流输出侧串联得到的。
该类型整流器一般用作中压传动系统的变频器的前端。
但一般情况下，12脉波的二极管整流器的总谐波畸变率不能满足IEEE 标准。
关键词：串联型、二极管、整流器变频调速是当今理想的调速方法之一，也是重要的节能措施。
交—直—交变频方式因其优势受到越来越广泛的应用。
大多数的交—直—交变流装置的前置输入部分都采用二极管整流。
随着多脉波整流技术的兴起，各种大功率设备都越来越多的采用多脉波二极管整流器。
1.理论分析假定直流滤波电容d C 足够大，从而可以忽略直流电源d V 中的纹波含量。
在任何时刻（换相过程除外），上、下两个6脉波二极管整流器中各有两个二极管导通，d i 同时经过4个二极管形成回路。
由于两个6脉波二极管整流器的输出为串联连接，二次侧绕组的漏电感也可以认为是串联连接，直流电流的纹波相对较小。
输出直流电流d i 连续，且在每个供电频率周期内包含有12个脉波。
变压器二次侧星形连接的绕组中的电流a i 近似为梯形波，只是在顶端有4个纹波。
变压器二次侧三角形连接的绕组中的电流~ai 和a i 的波形形状相同，只是在相位上相差 30。
由于变压器一次侧和二次侧上面的绕组都为星形连接，折合后的电流'a i 和折合前的电流a i 波形形状应该相同，只是幅值将减少一半（可根据两个绕组匝数比计算得到）。
而二次侧三角形绕组中折合前的电流~a i 和折合后的电流'~a i 波形会不同。
且一次侧电流与二次侧电流之间存在如下关系：''~a a A i i i += 2. 仿真结果2.1 验证图2.1为12脉波串联型二极管整流器工作在额定条件下仿真所得的电流波形，从上到下依次为一次侧电流A i 、二次侧星形绕组中电流a i 、二次侧三角形绕组中电流~ai 和输出电流d i 。
- 45 -工 业 技 术１ 项目背景多脉波移相整流变压器广泛应用于各行各业的变频调速系统中，电压等级一般为10 kV~35 kV，低压侧输出脉波数以6脉波和12脉波为主，12脉波整流变压器高压侧经移相后，2台可组成24脉波输出，大大降低整流装置注入电网的谐波，提高电能质量[1]。
该项目所设计的35 kV 12脉波整流变压器，安装地点位于海拔高达4 600 m 的西藏地区，外绝缘距离与变压器温升需要特殊考虑，同时，该地区运行的变压器遭受大气过电压概率大，需要对变压器绕组进行必要的保护。
目前国内外市场上的35 kV 高压外延三角形移相整流变压器，基本绕组与高压移相绕组都采用辐向排列方式，在雷电冲击电压下，高压移相绕组尾端与高压基本绕组首端连接处冲击电位震荡很大，绝缘性能不易保证，需要增大绝缘距离以保证绝缘强度[2]。
为了解决上述技术问题，该项目通过技术研究与电磁仿真技术，将高压基本绕组与移相绕组调整为轴向排列，经仿真计算与测试，移相绕组尾端与基本绕组首端连接处的冲击电位震荡明显下降，提高了绝缘可靠性，高压移相绕组引线与其它绕组引线连接更加方便，器身的布置结构更加紧凑合理，器身机械稳定性得到提高。
２ 产品开发与设计针对项目技术协议中所需特点，研究采用合理的结构满足实现35 kV 高压外延三角形移相，单器身输出12脉波的整流变压器。
并可以D （+7.5°）d0y11配合D （-7.5°）d0y11组成24脉波整流变压器。
２．１ 电磁设计部分采用了组合式双分裂绕组结构，高压线圈4个绕组采用轴向排列后，器身布置更加紧凑，机械强度较原辐向排列结构大大提高。
经波过程电磁分析软件仿真分析，改进后结构在大气过电压下，绕组中的电位振荡大为降低，由原来电位幅值达到入波的约150%以上降低到入波的约115%，如图1所示，降低了绝缘设计的难度。
经电磁场仿真软件进行器身的详细磁场仿真计算，绕组结构与布置改进后油箱中磁密有一定程度的增大，如图2所示，右侧绕组磁通密度明显高于左侧绕组。
12脉波整流变压器结构型式的选择
在大型的电化学或电冶金用直流电源系统中，同相逆并联12脉波整流机
组是组成24相、36相、48相整流系统的基本组成单元。
12脉波整流机组主电路的连接型式有两种方案：一种是由一台整流变压器与两台整流装置组成的单机组12脉波整流电路（简称单机组12脉波整流电路）；另一种是由置于同一
油箱内的两台完全独立的整流变压器与两台整流装置组成的双机组等值12脉
波整流电路（简称等值12脉波整流电路）。
二者的连接方式如图1、图2所示。
上述两种连接方式的整流电路，对12脉波整流输出电压（电流）波形的对
称性以及对网侧谐波电流的影响是不同的，应引起设计人员和用户的注意。
1两种连接方式对谐波电流的影响
理想情况下，12脉波整流电路运行过程中，不会在网侧产生5次和7次谐波电流。
但单机组12脉波整流电路，由于变压器两个阀侧绕组的输出电压和阻
抗不容易做到很一致，使得运行时存在着严重的负荷分配不均的问题。
需要通过晶闸管相控或饱和电抗器的励磁调节来纠正这种偏差，从而导致二个三相桥晶闸管导通的相位差不能严格地保持为30°，使得网侧仍然存在5次和7 次谐波电流。
对于等值12脉波整流电路，由于变压器两个阀侧绕组的输出电压和阻抗容
易做到一致，而不会破坏12脉波的对称性。
图1单机组12脉波整流电路
图2等值12脉波整流电路
2阀侧绕组之间负荷电流分配不均的问题
2.1单机组12脉波整流电路单机组12脉波整流电路，其整流变压器网侧只。
两种12脉波整流变压器分析与仿真葛笑寒【摘要】比较两种12脉波整流变压器的结构和设计原理.一种利用阀侧的星三角自动30度移相,电源侧采用延边三角形移相.第二种电源侧采用自耦调压绕组,整流分裂为高低压两套绕组,延边三角形在整流变高压侧,都为三角形联结,在整流绕组的高压侧实现相位的左右移相.前者结构简单,造价较低,电压可调性较差.后者变压器绕组增多,结构复杂,高度、造价增加,但调压灵活,多用于需要频繁调压的领域.【期刊名称】《安徽电子信息职业技术学院学报》【年(卷),期】2019(018)001【总页数】5页(P10-13,26)【关键词】整流变压器;12脉波整流变压器;三角形连接【作者】葛笑寒【作者单位】三门峡职业技术学院,河南三门峡 472000【正文语种】中文【中图分类】TM422近年来电力电子技术的发展，使得大功率整流设备普遍应用。
兼具变换电压和隔离作用的整流变压器的应用逐渐增多。
但是，随之带了谐波污染，导致电网波形畸变。
减小谐波的办法主要有有缘电力滤波器、感应滤波技术和多重化整流技术三种[1]。
在大功率整流领域，一般都采用多脉波的整流变压器降低谐波，12脉波整流变压器是经典的整流变压器[2]。
但是，随着电源容量的增大，电压的提升及调压的需求，另外一种12脉波整流变压器也迅速应用。
这种新的12脉波整流变压器的主要特点是，内部整流变压器和调压器绕组共油箱，即高压绕组采用自耦多级调压，低压绕组采用双分裂的独立铁芯的4套绕组，一次采用延边三角形实现移相，阀侧采用三角形接入整流绕组。
本文主要介绍这两种结构的整流变压器，并进行比较。
一、方案一整流变压器结构（一）脉波整流变压器的联结组别目前，常用轴向分裂变压器。
高压绕组星型或者延边三角形连接，低压绕组形成双分裂的星型和三角形联结的绕组接入整流柜，形成12脉波整流[3]。
工业中常把两个12脉波电路并联，形成24脉波电流。
如图1所示1号变压器采用Dy11d0联结，移相7.5°。
串联型12脉波二极管整流器摘要：串联型12脉波二极管整流器是由两个相同的6脉波二极管整流器在直流输出侧串联得到的。
该类型整流器一般用作中压传动系统的变频器的前端。
但一般情况下，12脉波的二极管整流器的总谐波畸变率不能满足IEEE 标准。
关键词：串联型、二极管、整流器变频调速是当今理想的调速方法之一，也是重要的节能措施。
交—直—交变频方式因其优势受到越来越广泛的应用。
大多数的交—直—交变流装置的前置输入部分都采用二极管整流。
随着多脉波整流技术的兴起，各种大功率设备都越来越多的采用多脉波二极管整流器。
多脉波二极管整流器有两种类型：串联型多脉波二极管整流器和并联型多脉波二极管整流器。
前者的所有6脉波二极管整流器的直流侧串联输出，主要用在仅需要一个直流供电的中压传动系统的变频器的前端；后者的每一个6脉波二极管整流器给一个单独的直流负载供电，可以用在需要多个独立直流供电电源的串联H 桥多电平逆变器中。
本文主要介绍串联型12脉波二极管整流器。
1.串联型12脉波二极管整流器1.1整流器的结构图1 12脉波串联型二极管整流器简化结构框图12脉波串联型二极管整流器的典型结构简化框图如图1所示，它由两个完全相同的6脉波二极管整流器构成，移相变压器二次侧两个三相对称绕组分别给其供电。
两个整流器的直流输出串联连接。
为了消除网侧电流A i 中的低次谐波，可令变压器二次侧星形连接的绕组的线电压ab V 与变压器一次侧绕组线电压AB V 同相，而变压器 三角形连接的绕组的线电压~~abv 超前AB v 一个相角，即30~~=∠-∠=AB abv v δ二次侧绕组线电压的有效值为2/~~AB abab V V V ==则变压器的绕组匝数比为221=N N 3231=N N图1中的s L 表示供电电源和变压器之间总的线路电感，变压器总的漏电感可在变压器内部设置。
1.2 理论分析假定直流滤波电容d C 足够大，从而可以忽略直流电源d V 中的纹波含量。
12脉波整流变压器结构型式的选择
在大型的电化学或电冶金用直流电源系统中，同相逆并联12脉波整流机组是组成24相、36相、48相整流系统的基本组成单元。
12脉波整流机组主电路的连接型式有两种方案：一种是由一台整流变压器与两台整流装置整流装置组成的单机组12脉波整流电路整流电路（简称“单机组12脉波整流电路”）；另一种是由置于同一油箱内的两台完全独立的整流变压器与两台整流装置组成的双机组等值12脉波整流电路（简称“等值12脉波整流电路”）。
二者的连接方式。
上述两种连接方式的整流电路，对12脉波整流输出电压（电流）波形的对称性以及对网侧谐波电流谐波电流的影响是不同的，应引起设计人员和用户的注意。
1两种连接方式对谐波电流的影响
理想情况下，12脉波整流电路运行过程中，不会在网侧产生5次和7次谐波电流。
但单机组12脉波整流电路，由于变压器两个阀侧绕组的输出电压和阻抗不容易做到很一致，使得运行时存在着严重的负荷分配不均的问题。
需要通过晶闸管相控或饱和电抗器的励磁调节来纠正这种偏差，从而导致二个三相桥晶闸管导通的相位差不能严格地保持为30°，使得网侧仍然存在5次和7次谐波电流。
对于等值12脉波整流电路，由于变压器两个阀侧绕组的输出电压和阻抗容易做到一致，而不会破坏12脉波的对称性。
图1单机组12脉波整流电路
图2等值12脉波整流电路
2阀侧绕组之间负荷电流分配不均的问题
2.1单机组12脉波整流电路单机组12脉波整流电路，其整流变压器网侧只有一组绕组，导致两组阀侧绕组间负荷分配不均的原因是Y接和△接这两组绕组间匝比NY/N△偏离1/，彼此理想空载直流电压Udio不相等，因此，负荷分配不可能平均。
整流变压器阀侧两组绕组间的匝比NY/N△值接近1/的可取整数比为4/7（偏差1.04％）、7/12（偏差1.02％）、11/19（偏差0.27％）。
由此可见，将NY/N△做成11/19，可使△Udio偏差减到最小，改善电流分配不均问题。
但由于变压器结构上的合理性和制造方面（变压器变比越大尤其如此）的原因，这样的匝比实际上是不容易做到的。
对于三相桥式整流电路，整流变压器阀侧绕组间匝比NY/N△=4/7时，理想空载直流电压之差△Udio=1.04％。
但两组整流器的负载电流负载电流分配却相差很大。
因为变压器网侧绕组的电抗X1＊为各整流桥整流桥公有，对整流桥间的负载电流分配没有调节作用。
负载电流分配完全取决于各组阀侧绕组电抗值X2＊=XY＊＋X△＊和阀侧连接母线的电抗XM＊。
（其中XY＊为Y形连接绕组的电抗值，X△＊为△形连接绕组的电抗值）。
根据有关资料计算结果表明：当变压器二次电抗X△＊=XY＊=5％时，
IdY=0.2928IdnId△=0.7072Idn
当变压器二次电抗X△＊=XY＊=10％时，
IdY=0.3964IdnId△=0.6036Idn
由此可见，变压器二次电抗数值愈小，负载分配相差就愈大。
有实际例子可以证明这一点。
兰州有一用户采用这种单机组12脉波二极管整流电路，投运后发现，其中一整流桥直流电流达到12000A（额定值）时，另一整流桥的直流电流只有4500A。
导致设备无法正常运行，后来被迫重新改造。
理论计算表明：增大整流变压器二次电抗X2＊=X△＊＋XY＊，可以部分减小负载电流分配
不均的问题。
但完全依赖于增大X2＊的值来弥补△Udio的影响是不切实际的。
因为要将二者（匝比4/7）的电流偏差△Id＊限制到3％以下，则要求整流变压器二次电抗X2＊=X△＊＋XY＊达到69.3％。
由于整流变压器阀侧△连接的电压U2△大于Y连接的电压U2Y，设想在变压器设计时可人为地使X△＊比XY＊大4.16％，则在额定运行条件下，可以使二者的负载电流分配达到均衡。
但由于整流变压器阀侧电抗可调整的只有变压器内部引线电抗和阀侧母线电抗，可调节范围很有限。
而且，整流机组的负载率是随生产工艺和备用机组的投切经常变化的。
所以，这样的设想具有很大的局限性，实际上是做不到的。
将整流变压器绕组按分裂式变压器结构（如轴向分裂）设计，增大绕组间阻抗，也有利于改善负载电流分配不均问题。
但针对晶闸管整流器而言，可能存在着其它不利于晶闸管安全运行的因素（下面另有分析说明）。
采用晶闸管整流器虽然可以对两套阀侧绕组的电流作适当的调整，使之达到均衡，但存在着其它不利于晶闸管整流器安全运行的因素（下面另有分析说明）。
采用饱和电抗器进行细调，能较好地解决二者负载电流分配不均问题。
但也是有代价的。
饱和电抗器占用的地方、增加的制造成本、本身的电耗和对功率因数的影响等都是不能忽略的。
2.2等值12脉波整流电路对于等值12脉波整流电路来讲，就不存在因△、Y连接引起负载电流分配不均的问题。
在等值12脉波整流电路中，尽管其整流变压器的网侧也有Y形连接和△形连接之分，但由于变压器网侧绕组匝数比阀侧绕组匝数多得多，将匝数之比做到接近1/是很容易的事。
又因为两台变压器绕组的每匝电势可以设计成不相等，完全可以使两台整流变压器的阀侧电压U2Y=U2△、△Udio=0。
再加上变压器网侧电抗X1＊不是公共的，对电流分配有调节作用，完全可以使两台的负载电流达到均衡分配。
3两台晶闸管整流器之间的兼容问题
图3典型的6脉波整流器阀侧电压换相缺口波形图
在12脉波整流电路中，整流主电路是由两台6脉波晶闸管整流桥组成的。
二者之间的相位角（或控制延迟角）相差30°，由两组完全独立的阀侧绕组供电。
整流装置在运行过程中会导致电网各点电压波形产生畸变，干扰电网上其它电气设备的正常运行。
同理，电网的扰动超过一定极限时，也会导致整流装置规定性能的下降，使其运行中断、甚至损坏。
这就是整流器与所在电网的兼容性问题。
按国标GB10236－88的规定，兼容的含义是：第一，整流器对电网的干扰在电网的容许范围之内；第二，整流器接入电网后，整流器进线上的电压波动、频率、波形等参数的扰动（包括其本身接入后引起的扰动）应低于所选整流器的抗电网干扰极限值。
按照国标GB10236 88的规定，B级抗扰等级的整流器允许的换相缺口极限值是：最大深度为40％；最大宽度为30°；最大面积为最大深度与最大宽度之积的1/10，即40×30×0.1=120。
换相缺口过大，会造成触发失败、误触发或整流器工作不稳定。
一个典型的6脉波整流器其阀侧的电压换相缺口波形。
电网换相的变流器在换相期间，参与换相的两相交流端子被瞬间短路，使变流器阀侧线电压突降到接近于零，而导致电压波形出现缺口。
在大型整流系统中，直流回路存在着很大的电感。
当直流电压出现快速波动时，电感中的储能被逆变馈送给电网。
这个过程中整流器实际上是做逆变运行。
国外公司对用于单机组12脉波整流的整流变压器就要求：阀侧绕组解耦因子α≤10％，以避免一个桥路（整流桥）运行所产生的陷落（换相缺口）干扰另一个桥路（整流桥），防止产生换相失败。
对于单机组12脉波整流电路，两台晶闸管整流桥由同一台变压器供电，两阀侧绕组间共一
个磁路。
一台整流桥所产生的阀侧换相缺口很大部分（80％以上）被耦合到另一组的阀侧上，这就导致二者之间相互干扰。
其主要影响在于：激发高频振荡，有可能产生过电压；当延迟角大于30°时，换相缺口处过高的dv/dt有可能导致晶闸管被误触发，使整流器工作不稳定。
在武汉、长春两地，曾有过类似的例子。
用户因采用单机组12脉波整流电路而导致晶闸管整流器难以可靠、稳定地运行。
对于等值12脉波整流电路，变压器的两个器身是完全独立的，没有共磁路的问题。
两台整流桥所产生的换相缺口经整流变压器的漏抗衰减（到20％左右）之后，相互之间的干扰小得多。
一般不会超过整流器的抗扰极限。
所以等值12脉波整流电路的兼容好得多。
4造价的比较
单机组12脉波整流电路的变压器，只有一个器身，一台调压开关。
铁心利用率高。
所以有造价低、体积小之优点。
等值12脉波整流电路的整流变压器为双器身结构，需要两台调压开关。
相当于化整为零，铁心利用率也低。
所以，有造价高和体积相对较大的缺点。
5结语
在两种12脉波整流电路用整流变压器的结构方案选择过程中，专业的整流变压器和整流器制造厂家都会主张用户采用等值12脉波整流电路的结构形式，以保证技术和性能指标的要求。
