多脉波整流电路缺相检测问题研究
1984年创刊(双月刊)
ISSN 1009-3664      CN 42-1380/TN

多脉波整流电路缺相检测问题研究
作者:张斐,王斌,黄君涛,余俊宏 日期:2018-08-30 

多脉波整流电路缺相检测问题研究
张斐,王斌,黄君涛,余俊宏
(中国电子科技集团公司第29研究所,四川 成都 610031)
【摘要】具有谐波抑制功能的多脉波整流电路在机载电子设备中应用时,需要设计缺相检测电路进行故障检测上报。文中分析了多脉波整流电路的特点,基于P型18脉波整流电路进行了缺相工作特性分析,提出了一种简单的缺相检测方法,并给出了自耦变压器设计约束条件。最后,通过仿真与实验结果验证了理论分析的正确性。
关键字:多脉波整流;自耦变压器;缺相检测
Research on Phase Lack Detection of Multi-Pulse Rectifier Circuit
Zhang Fei,Wang Bin,Huang Jun-tao,Yu Jun-hong
(The 29 Research Institute of Electronic Technology Group Company,Chengdu 610031,China)
Abstract:When the multi-pulse rectifying circuit with harmonic suppression function is applied in the airborne electronic equipment, it is necessary to design phase lack detection circuit to report the fault detection. In this paper, the characteristics of multi-pulse rectifier circuit are analyzed. Based on the P-type 18 pulse rectifier circuit, the working characteristics of the phase lack detection are analyzed. A simple phase lack detection method is proposed, and the design constraints of the auto-transformer are also given. Finally, the correctness of the theoretical analysis is verified by the simulation and experimental results.
Key words:Multi-pulse rectifier;Auto transformer;Phase lack detection


0  引  言
为减小谐波电流引起的污染和损耗等问题,满足GJB181A-2003等标准对用电设备的网侧电流谐波不大于10%的要求,已开发了无源滤波、有源滤波和低谐波整流电路等多种谐波电流抑制技术[1-3]。
对于机载电子设备,特殊的航空应用场合对系统的可靠性、过载能力和体积重量会提出苛刻的要求。多脉波整流电路可有效地降低用电设备的输入电流谐波,解决开关电源类负载与交流发电机的匹配问题,具有结构简单、可靠性高、效率高、过载能力强等显著的优点,且用于航空中频供电场合时变压器的体积重量会明显降低。因此在民用与军用机载电源系统上得到了广泛应用[4-7]。
当多脉波整流电路应用于机载场合时,为保证用电系统的可靠性,GJB181A-2003等标准要求用电设备在供电缺相时不工作并上报故障,因此需设计多脉波整流电路的缺相检测电路。受体积重量的限制,多脉波整流电路采用自耦变压器实现,自耦变压器的特性导致传统缺相检测电路无法直接应用,需进行适应性改进。本文分析了多脉波整流电路在缺相时的工作特性,提出了一种简单的、可应用于多脉波整流电流缺相检测方法针,对自耦变压器提出了设计约束条件,最后进行了仿真与实验验证。
1  多脉波整流器电路
多脉波整流电路就是利用不同的匝比变换和绕组联结(如三角形联结和星形等)来构造得到相位不同的电压矢量,使得网侧电流由不同相位的电流矢量叠加而成,包含不同电压矢量的信息,最终使得传统三相桥式整流电路的方波电流变为叠加而成的阶梯波电流。根据阶梯波抵消原理,当相位不同的电压矢量数增加时,合成电流波形的阶梯数越多,网侧电流波形越趋于正弦化,输入电流的总谐波畸变率(Total Harmonic Distortion, THD)也越小,如表1所示。
表 1  多脉波整流器电流谐波分析结果
整流脉波数 谐波成分 THD理论值
6脉波 (6K±1)次 31.08%
12脉波 (12K±1)次 15.2%
18脉波 (18K±1)次 10.1%
24脉波 (24K±1)次 6.8%
由于自耦变压器不仅有磁路上的耦合而且还有电路上的连接,使得一部分输出功率无需通过磁场耦合来传输,则可有效减小变压器的等效容量、材料消耗和成本,有利于减小变压器的体积、重量。而一部分功率可直接传输使得自耦变压器比隔离变压器效率更高,有利于提高系统的效率。因此,目前多脉波整流电路大多采用18脉波自耦变压器实现。图1给出了P型18脉波自耦变压器整流电路图,其中与电网输入电压同向的主三相电压(VA、VB、VC)直接供电给主整流桥,另外两组辅助电压(VA1、VB1、VC1)和(VA2、VB2、VC2)分别供电给两组辅助整流桥,三个整流桥的输出电压并联后向负载供电。其中,P型18脉波自耦变压器的每个铁心柱有五个绕组,按如图2方法绕制。

图 1  18脉波自耦变压器整流电路图

图 2  P型18脉波自耦变压器绕制图
令NP为变压器绕组总匝数,当自耦变压器的各个绕组满足式(1)时,由自耦变压器产生的另外两组辅三相电压分别超前和滞后于输入三相电压37°、幅值为输入相电压幅值的0.767倍,实现18脉波整流。
    (1)
2  缺相工作特性
由图2可知,与隔离变压器相比,自耦变压器的每个绕组之间既有磁耦合又有电耦合。令电网输入相电压矢量长度为Us,其中相电压(VA,VB,VC)与线电压(VAB,VBC,VCA)可分别表示为:


由图2可知,对于每个铁心磁柱,根据变压器原伏边感应电动势相同原理可得:

将式(1)代入上式可知:
当自耦变压器缺A相时, ,此时:
    (2)
当自耦变压器缺B相时, ,此时:

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