摘要：  本文对一种不对称型18脉冲自耦变压整流器进行了详细的理论分析。与传统的12脉冲变压整流器相比，不对称型18脉冲自耦变压整流器具有更好的输入特性，自耦变压器的使用大大减小了整流器的体积与成本。实验结果验证了理论分析的正确性。

关键字：  谐波，多脉冲整流，自耦变压器，18脉冲整流

l 引言
近年来，由于电力电子装置的应用日益广泛，使得谐波问题引起人们越来越多的关注。大容量整流器减少谐波的主要方法是采用多脉冲整流，通过增加整流的脉冲数来减少输入电流中的谐波含量。传统的12脉冲整流器由Y—Y/Δ联结的隔离变压器和两路三相整流桥构成，这种整流器结构简单，但是变压器的容量为输出功率的1.03倍，所以这种整流器的体积庞大。在不要求电气隔离的情况下，通常采用自耦变压器代替隔离变压器。文献[1]介绍的12脉冲自耦变压整流器中的变压器容量仅为输出功率的0.1834倍，大大减小了整流器的体积与成本。
本文分析了两种18脉冲自耦变压整流器的工作原理，并采用不对称型18脉冲自耦变压整流器结构，设计了一台三相115V，400Hz交流输入，270V直流输出，6kW的自耦式变压整流器。输入电流THD为6.9％，整机效率98％。
2 对称型18脉冲自耦变压整流器
多脉冲整流器由移相变压器和多路三相整流桥构成。18脉冲自耦变压整流器由自耦变压器和三路三相整流桥组成。根据每个整流桥传输的功率是否相等，18脉冲自耦变压整流器可分为对称型和不对称型两种。
2.1 带平衡电抗器的对称型18脉冲自耦变压整流器
图1所示为带平衡电抗器的对称型18脉冲自耦变压整流器系统结构图。自耦变压器产生三组三相电压，其中一组三相电压(Va， Vb， Vc)与输入电压同相位，其它两组三相电压(Va'， Vb'， Vc')(Va"， Vb"， Vc")分别超前与滞后于输入电压20°。相电压幅值与输入相电压幅值相等。三组电压分别与三路整流桥相连，整流桥输出通过平衡电抗器并联输出到负载。平衡电抗器保证整流桥之间的独立工作。这种带平衡电抗器的对称型18脉冲自耦变压整流器相当于三组6脉冲整流器同时工作，只是相位相差20°。每个整流桥传输功率相等（为1/3的输出功率），所以称之为对称型18脉冲自耦变压整流器。
2.2 不带平衡电抗器的对称型18脉冲自耦变压整流器
不带平衡电抗器的对称型18脉冲自耦变压整流器系统结构图如图2所示，整流桥输出直接并联到负载。自耦变压器也产生三组三相电压，只是相位依次相差40°，相电压幅值与输入相电压幅值相等。整流器相当于一个9相整流器，整流桥之间是相互作用的，每一时刻有两个整流桥流过负载电流。每个整流桥同样传输1/3的输出功率。
3 不对称型18脉冲自耦变压整流器
3.1 工作原理
18脉冲自耦变压整流器的三组三相电压中，其中一组与输入电压相位相同，其它两组分别超前与滞后于输入电压一定的相位。为了使输出功率更多地从输入电源直接传输到负载，而不是通过移相过的自耦变压器。文献[2]介绍了一种不对称型18脉冲自耦变压整流器，其电路图如图3所示。
自耦变压器副边绕组产生另外两组三相电压(Va'， Vb'， Vc')(VVa"， Vb"， Vc")，分别超前与滞后于输入电压37°，相电压幅值为输入相电压幅值的0.767倍。变压器电压矢量图如图4所示，线电压幅值相等，相位依次相差20°。当主线电压最大时（如Vab），主桥中对应的二极管导通，负载功率直接通过主桥从输入电源端传输到负载，只有主桥中流过负载电流。当复合线电压（如Vab"）最大时，主桥和辅桥中对应的二极管导通，两个桥中均流过负载电流。主桥在整个过程中连续工作，每个二极管导通80°，传输2/3的输出功率。剩余的输出功率通过两个辅桥传输，辅桥中的每个二极管只导通20°。[#page#]
3.2 自耦变压器的设计
图5所示为不对称型18脉冲自耦变压整流器的变压器绕组图，如图5所示可以由主相电压(Va， Vb， Vc)和线电压（Vab， Vbc， Vca等）产生另外两组三相电压。
设：Va'=Va+k1Vca+k2Vcb；Va"=Va+klVba+k2Vbc
通过各个相、线电压的幅值和相位可得：kl=0.259，k2=0.135。
则：Va'=Va+0.259Vca+0.135Vcb；
        Va=Va"+0.259Vba+0.135Vbc
同理：Vb'=Vb+0.259Vab+0.135Vac；
     Vb"=Vb+0.259Vcb+0.135Vca；
     Vc'=Vc+0.259Vbc+0.135Vba；
     Vc'=Vc+0.259Vac+0.135Vab
所以满足以上各式，可产生两组相电压分别超前与滞后于输入电压37°，相电压幅值为输入相电压幅值的0.767倍。
综上所述，如图5所示，变压器每个铁芯柱有三个绕组，原边绕组三角形联结，两个副边绕组匝数为原边绕组匝数的0.135倍。在距原边绕组两端0.259倍原边匝数的地方引出两个抽头，用于连接其他两个铁芯柱上的副边绕组。变压器如上绕制，可以产生满足不对称18脉冲自耦变压整流的三组三相电压。
3 实验结果
在以上理论分析的基础上，设计了一台6kVA的不对称型18脉冲自耦变压整流器。自耦变压器原边绕组167匝，两个副边绕组均为23匝。输入三相115VAC，400Hz，输入滤波电感50μH，输出270VDC。如图6(a)所示主桥二极管导通80°，图6(b)所示辅桥二极管只导通20°，图6(c)所示为变压器输入电流波形，THD为6.9％。整机效率98％。
4 结语
介绍了两种18脉冲自耦变压整流器，分析了一种不对称型18脉冲自耦变压整流器的工作原理及自耦变压器的设计。实验结果表明，这种整流器结构简单，体积小，可靠性高，具有良好的输入特性。

参考文献
[1] S．Choi，P．Enjeti，and I．Pitel，Polyphase Transformer Arrangements With Reduced kVA Capacities for Harmonic Current Reduction in Rectifier-Type Utility Interface，in IEEE Trans．on Pow．Elec，11(5)：680-690，Sep．1996．
[2] G．Kamath，D. Benson，and R．Wood，A Novel Autotrans-former Based 18-pulse Rectifier Circuit，in Proceed．IEEE APEC02，vol．2，795—801，Mar．2000．
[3] D．Paice．Power Electronic Converter Harmonics-Multipulse Methods for Clean Power．IEEE Press，Piscataway，NJ，1996．
作者简介
任志新，南京航空航天大学电机与电器专业，硕士研究生。
马义林，男，硕士研究生。
张方华，男，副教授，博士。