CN117578893A - 一种基于三级式pet的并联型多脉波整流器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于三级式PET的并联型多脉波整流器。本发明对基于三级式PET的并联型12脉波整流技术进行研究，在减小隔离式移相变压器体积的同时，利用PFC电路在网侧进行功率因数调节，以满足谐波标准；使用PFC变换器以及Boost电路实现由低频到高频转换的过程，成倍地减小隔离型移相变压器的体积，降低制造成本，提高功率密度。相较于二级式PET多脉波整流***，本发明具有更高的控制精度，且能提供直流接口，有更广泛的应用场合。
Description
技术领域
本发明属于多脉波整流技术领域，尤其涉及一种基于三级式PET（电力电子移相变压器）的并联型多脉波整流器。
背景技术
多脉波整流器具有实现简单、可靠性高、过载能力强等优点，被广泛应用在风力发电机组、舰船和坦克供电等军事领域、电镀和直流电弧炉等工业领域中电子设备与交流电网的接口。移相变压器作为多脉波整流***最重要的组件之一。如今随着能源互联与智能电网的高速发展，对供电的可靠性、灵活性以及电能质量都提出了更高质量的要求。
传统的移相变压器如体积大、重量大、空载损耗大、谐波畸变、污染严重等问题，已经不能满足当下技术的飞速发展。电力电子变压器（power electronic transformer，PET）作为一种基于电力电子变换技术的新型变压器得到了广泛的关注。电力电子变压器，也称为固态变压器（solid-state transformer，SST）或智能变压器（smart transformer，ST）等，是指将电力电子技术与高频变压器结合成具有优于传统工频交流变压器的新型电力电子设备，具有电压等级变换、电气隔离、功率调节与控制、多个交直流端口接入、电能质量控制以及与其他智能设备通信等一系列功能优势，被广泛应用于能源互联、能量路由器、交直流混合配电网/微电网、新能源直流并网、电动汽车充电站、数据中心电源等领域。在多脉波整流***中，基于PET的功能与优点，传统移相变压器可以被PET所替代，可有效减小多脉波整流***的体积，抑制网侧谐波污染，提高***的灵活性等，具有很大的发展空间。
美国通用电气（General Electric Company，GE）于20世纪70年代提出一种高频单相AC/AC变换器，为PET的发展提出的新的思路。美国海军及美国电力科学研究院相继研发了PET样机，在考虑成本、效率、可靠性等因素上，与同容量的工频移相变压器相比并不具备优势。于是早期的PET研究集中于对变压器重量和占用空间有要求的机车牵引***中。随着交流电网技术的日益成熟，PET由于其灵活性高、提供交直流接口、可靠性高等特点被越来越多的PET结构被专家所研究，最常见的PET两种结构为级联H桥（cascaded H-bridge，CHB）和模块化多电平换流器（modular multilevel converter，MMC），但级联型PET结构复杂、控制难度及加工成本高。Krishnamoorthy H S（参考文献：Krishnamoorthy H S, Enjeti PN, Garg P. Simplified medium/high frequency transformer isolation approachfor multi-pulse diode rectifier front-end adjustable speed drives[C]//AnnualIEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition （APEC）, Charlotte,NC, USA, 2015: 527-534.）提出将PET应用于多脉波整流电路中，但该文献仅关注于前端的电能变换环节，未提及整流器工作频率切换过程的原理分析，以及后级整流桥的工作模态。孟凡刚（参考文献：孟凡刚，姜彤，郭依宁．基于电力电子变压器的串联型12脉波整流器[J].电机与控制学报，2021，25（05）：52-59.）提出基于二级式的PET多脉波整流***，但谐波畸变率不满足谐波标准。
发明内容
本发明的目的在于提供一种体积小，能实现功率因数校正和电压调整功能的多脉波整流*** ，旨在解决传统的多脉波整流***因体积问题限制其适用场合以及谐波畸变率不满足谐波标准的问题。
本发明是这样实现的，一种基于三级式PET的并联型多脉波整流器，该整流器包括三相电源、三级式PET、高频移相变压器、三相整流桥、平衡电抗器以及负载；
所述三级式PET为AC-DC-AC式结构，由PFC变换器与电压型SPWM逆变器电路串联而成，PFC变换器由单相整流桥连接Boost变换电路，电压型SPWM逆变器由单相逆变器连接LC滤波电路；
所述三相电源的三相电压输入三级式PET，由三级式PET输出三相高频交流电压，该三相高频交流电压由高频移相变压器进行移相后直接接入到两组三相整流桥中，经过两组三相整流桥输出的直流电流经过平衡电抗器并联后向负载供电，所述平衡电抗器吸收两组三相整流桥之间所产生的电压瞬时差。
优选地，所述PFC变换器包括由四个二极管组构成的单相整流桥、Boost变换电路以及变换控制电路；其中，所述单相整流桥与Boost变换电路连接，所述变换控制电路由电压外环和电流内环构成，电压外环为电流内环提供电流参考信号Is的幅值信息，同时对Boost变换器输出电压进行调整；电流内环使电感电流跟随电流参考信号以进行功率因数校正。所述电压外环调节输入电流平均值，使其波形与输入电压波形相同，输出电压与参考电压的误差经过PID调节器与整流器输出的采样电压相乘，作为基准电流，所述电流内环通过控制基准电流，改变电感电流来调节输出电压的稳定，基准电流与电感电流的误差，经PID控制器实时调节，并生成控制信号，控制电感电流的占空比，进而控制改变平均电感电流，从而实现单位功率因数的校正。
优选地，所述电压型SPWM逆变器包括单相全桥逆变电路，用于减少单相全桥逆变电路谐波的LC滤波器，以及逆变电路控制电路；其中， 所述单相全桥逆变电路由两个半桥电路组合而成，共4个桥臂，每个桥臂由二极管IGBT组成，分别记为VTa1、VTa2 、VTa3 、VTa4；该单相全桥逆变电路包括以下工作模式：
工作模式一，VTa1和VTa4导通，VTa2和VTa3关断，此时输出电压与输入电压相等；
工作模式二，VTa2和VTa3导通，VTa1和VTa4关断，输出电压为负的输入电压。
所述逆变电路控制电路将LC滤波器的输出电压作为被控对象，计算其测量值与给定的正弦波参考信号的误差，该误差信号经PID控制器实时调节，并生成控制信号，使逆变器输出电压跟随正弦参考信号，并保持输出电压幅值恒定。
优选地，所述高频移相变压器的二次侧采用之字型连接，每相绕组匝数比相同，以使二次侧漏电感平衡；其中，次级绕组的连接使两组三相电压的净相位差30°馈给12脉波二极管整流器，第一组三相电压相对于一次绕组位移+15°，而第二组三相电压相对于一次绕组位移-15°，且绕组的匝数比为：
式中，N 0、N 1和N 2分别是原边和两个副边绕组的匝数。
本发明克服现有技术的不足，提供一种基于三级式PET的并联型多脉波整流器，本发明将PET替换多脉波整流***中的工频移相变压器，因在其原有基础上增加了移相的功能故称电力电子移相变压器。相对于传统开环控制的二级式PET多脉波整流***，本发明所使用的三级式PET精度更高，可在网侧进行功率因数调节，满足谐波标准，提供直流接口，满足更多的应用场合。
本发明对基于三级式PET的并联型12 脉波整流技术进行研究，在减小隔离式移相变压器体积的同时，利用PFC电路在网侧进行功率因数调节，以满足谐波标准。使用PFC变换器以及Boost电路实现由低频到高频转换的过程，成倍地减小隔离型移相变压器的体积，降低制造成本，提高功率密度。相较于二级式PET多脉波整流***，具有更高的控制精度，且能提供直流接口，有更广泛的应用场合。本发通过分析三级式PET多脉波整流***电路结构以及各部分工作原理，计算负载电压以及输入电流谐波畸变率，进行半实物验证，得出结论。
相比于现有技术的缺点和不足，本发明具有以下有益效果：本发明在传统的隔离式移相变压器基础上减小了其体积，提供了直流接口，使得应用场合增加，可进行功率因数调节，满足谐波标准。
附图说明
图1是本发明实施例中并联型多脉波整流器的电路结构示意图；
图2是本发明实施例中整流***中的电力电子变换器拓扑图；
图3是本发明实施例中PFC变换器的电路结构示意图；
图4是本发明实施例中经过PFC变换器前、中、后电压波形；
图5是本发明实施例中PFC变换器调节前、后波形；
图6本发明实施例中PFC变换器在临界电流模式与连续电流模式下输入电压与电流图；
图7是本发明实施例中PFC变换器的控制电路图；
图8是本发明实施例中逆变器的电路结构图；
图9是本发明实施例中经过逆变器前、后电压波形；
图10是本发明实施例中逆变器的控制电路图；
图11是本发明实施例中之字型高频移相变压器的向量图；
图12是本发明实施例中整流桥I中Sa1的开关函数
图13是本发明实施例中Boost电路的两种工作模式；
图14是本发明实施例中单相逆变器的两种工作模式；
图15是本发明实施例中负载的电压波形；
图16是本发明实施例中之字型隔离式变压器绕组结构图；
图17是本发明实施例中a相输入线电流波形图；
图18是本发明实施例中电力电子变换器各部分的输出电压；
图19是本发明实施例中移相变压器输入电压；
图20是本发明实施例中移相变压器原边输入电流仿真波形；
图21是本发明实施例中移相变压器原边输入电流实验波形；
图22是本发明实施例中***输入电流及FFT分析；
图23 是本发明实施例中Boost变换器的输出电压；
图24是本发明实施例中整流桥Ⅰ输入电流；
图25是本发明实施例中负载电压和电流仿真波形；
图26是本发明实施例中半实物仿真的负载电压；
图27是本发明实施例中半实物仿真的电流实验波形。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例公开了一种基于三级式PET的并联型多脉波整流器，如图1所示，该整流器包括三相电源、三级式PET、高频移相变压器、三相整流桥、平衡电抗器以及负载u 0；
如图2所示，所述三级式PET为AC-DC-AC式结构，由PFC变换器与电压型SPWM逆变器电路串联而成，PFC变换器由单相整流桥连接Boost变换电路，电压型SPWM逆变器由单相逆变器连接LC滤波电路；
所述三相电源的三相电压usa、usb、usc输入三级式PET（三级式电力电子变压器），由三级式PET输出三相高频交流电压uapri、ubpri、ucpri，该三相高频交流电压由高频移相变压器进行移相后直接接入到两组三相整流桥中，经过两组三相整流桥输出的直流电流经过平衡电抗器并联后向负载u 0供电，所述平衡电抗器吸收两组三相整流桥之间所产生的电压瞬时差。
为便于理论分析做出假设：（1）三相电源为理想电源。（2）***工作于电感电流连续工作模式。（3）忽略高频移相变压器和平衡电抗器漏感及负载。（4）所有开关均为理想器件。
1.1、PFC变换器工作原理分析
PFC变换器结构包括由四个二极管组构成的单相整流桥、Boost变换电路以及变换控制电路。PFC变换器的拓扑如图3所示，Boost变换电路由开关管VTa、电感La、输入滤波电容Ca、二极管Da和负载R组成；开关管VTa的控制端输入驱动信号来控制其导通和截止，当控制端的输入信号为高电平时，开关管VTa导通，输入电压给电感La充电，电感两端电压的极性为左正右负，二极管Da反向截止，相当于断路，电感放电，且随着时间的增加，电感上的电流不断减小，输入电压和电感La上的电压叠加起来，一起给电容Ca充电，同时给负载R供电。以a相为例，当交流电压u sa经过单相整流桥后由交流电变为直流电，波形由交流的正弦波变为直流的馒头波，波形如图4所示。在Boost电路中，电感电流i La跟随整流电压uPQ的相位信息，能够实现单位功率因数校正的功能，同时Boost输出可为整流器提供直流接口，拓宽了多脉波整流***的应用范围。
在未加PFC变换器前，***的输入电压为正弦波，但由于单相整流桥中单相二极管的非线性特性，导致***的输入电流产生严重畸变，如图5所示，降低***的功率因数，造成能量的浪费。由此需设计PFC控制电路使电流电压同相位，提高功率因数。
如图6所示为PFC电路在临界电流模式（CRM）与连续电流模式（CCM）下的输入电流电压波形，在CRM模式下由于流向IGBT的峰值电流较大，CRM有较大的传导损耗，所以不适用于大功率场合。
对于CCM的情况，流过开关器件的电流峰值以及rms电流较小，可以有效降低IGBT，整流二极管以及电感电容的应力，由于其开关频率恒定，对于Boost电感以及EMI滤波器的设计比较有利，因此本发明选择在CCM下进行研究，平均电流模式可以在较宽的输入电压范围以及负载电压范围内获得接近于正弦波的输入电流，利用平均电流模式实现CCM模式PFC，交流电压信号和输出电压误差信号相乘后作为电流控制器的电流参考信号如图7所示，为PFC变换器控制电路图。其中，变换控制电路由电压外环和电流内环构成，其中，电压外环为电流内环提供电流参考信号Is的幅值信息，同时对Boost变换器输出电压的调整；电流内环使电感电流跟随电流参考信号，实现功率因数校正的功能。具体来说，电压外环调节输入电流平均值，使其波形与输入电压波形相同。输出电压与参考电压的误差经过PID调节器与整流器输出的采样电压相乘，作为基准电流。电流内环通过控制电流基准，改变电感电流，来调节输出电压的稳定。基准电流与电感电流的误差，经PID控制器实时调节，并生成控制信号，控制电感电流的占空比，控制改变平均电感电流。
1.2、电压型SPWM逆变器工作原理分析
在逆变电路中，电压型SPWM逆变器由单相全桥逆变电路、LC滤波器构成，拓扑如图8所示，单相全桥逆变电路由两个半桥电路组合而成，共4个桥臂，每个桥臂由二极管IGBT组成，分别记为VTa1、VTa2 、VTa3 、VTa4；在本发明实施例中， 全桥逆变电路由两个半桥电路组合而成，共4个桥臂，每个桥臂由二极管IGBT组成。
LC滤波器为一种谐波补偿装置由电感，电容和电阻组合而成，可对主要次谐波（3、5、7）构成低阻抗旁路，减少谐波。
逆变电路的控制电路将LC滤波器的输出电压u apri作为被控对象，计算其测量值与给定的正弦波参考信号的误差，该误差信号经PI控制器实时调节，并生成控制信号，使逆变器输出电压跟随正弦参考信号，并保持输出电压幅值恒定。
经过PFC整流后的直流电压，经过逆变成为高频的正弦波，波形如图9所示。
为提高 SPWM 逆变器的控制精度，其使用电压瞬时值反馈控制，如图10所示，逆变电路控制电路将LC滤波器的输出电压u apri作为被控对象，计算其测量值与给定的正弦波参考信号的误差，该误差信号经PID控制器实时调节，并生成控制信号，使逆变器输出电压跟随正弦参考信号，并保持输出电压幅值恒定。
1.3、之字型变压器结构分析
一般来说，在12脉波的应用中，使用星-三角绕组连接在二次侧产生净30°相位差。然而，由于星-三角连接绕组匝数比的不同，导致二极管桥式整流器馈电端子的漏电感并不相等。
这个问题会导致二极管桥之间的电流分配不均衡。为了解决这个问题，本发明提出了一种改进的整流***，其中高频变压器的二次侧采用了之字型连接。通过采用之字形布置，每相绕组匝数比相同，从而实现二次侧漏电感的平衡。
次级绕组的连接使两组三相电压的净相位差30°馈给12脉波二极管整流器。一组三相电压相对于一次绕组位移+15°，而第二组三相电压相对于一次绕组位移-15°。一次侧和二次侧电压向量图如图11所示。
为了实现净30°相位差，绕组的匝数比必须设置为式（1），并如图11所示连接：
（1）
式中，N 0、N 1和N 2分别是原边和两个副边绕组的匝数。
1.4、整流桥工作原理分析
电力电子变压器的作用是将输入整流桥的电压，频率由低频变为高频，根据高频移相变压器副边绕组的电压关系，可得整流桥 I 三个桥臂的开关函数为：
（2）
以绘制整流桥 I 的开关函数，如图12所示。类似地，可以得到整流桥II的开关函数波形。
根据图12可以看出，在使用三级式电力电子变压器代替传统工频移相变压器后，整流桥的工作模式没发生改变，工作频率提升。以整流桥I为例二极管换相顺序依次为VD1VD6—VD1VD2—VD3VD2—VD3VD4—VD5VD4—VD5VD6—VD1VD6。由于开关频率加快提高了二极管的开关次数，可选SiC和GaN二极管来延长二极管寿命。
2、移相变压器输入电流与负载电压分析
2.1、负载电压分析
假设三相交流输入电压为：
（3）
其中，E为相电压有效值，ω为三相交流电源的角频率。
由此，以a相为例，可得到经过单相不控整流桥的电压为：
（4）
PFC变换器中，设经过单相整流桥后的电压为u PQ，输出位置等效为Ra，Boost电路的开关管在导通和关断条件下有两种部分的工作模式分别如图13（a）和（b）所示。
工作模式一时，参照图13（a），Va导通，u PQ向电感La充电，电容Ca向电阻Ra放电。此时的电感电压VLa为：
（5）
工作模态二时，参照图13（b），Va关断，u PQ和电感La同时向电容Ca充电并向电阻Ra放电，此时电感电压满足：
（6）
当Va的开关频率远大于电源周期时频率时，可以理想化的认为电感在工作模式一二两种情况下充电和放电电量相同，即一个周期内的平均电压为0由此关系在一个周期内电感电压的线性方程为：
（7）
其中T PWM为PWM开关周期，D为电感电压输入与输出占空比。由式（7）得占空比D的表达式为：
（8）
当占空比满足式（8）条件式，电感电流连续，使其跟随u PQ变化，输入电流将更接近正弦波，实现功率因数校正的功能。
单相逆变器的也有两种工作模式分别如图14（a）和（b）所示，工作模式一中，参照图14（a），VTa1和VTa4导通，VTa2和VTa3关断，此时输出电压与输入电压相等，工作模式二与一完全相反，参照图14（b），VTa2和VTa3导通，VTa1和VTa4关断，输出电压为输入电压的负值。
设逆变器的调制度为M，则逆变器的输出电压为：
（9）
根据电感电流以及电容电压方程可得流过电容Cas的电流和电感Las上的电压为：
（10）
联立式（3）（8）（9）可得高频移相变压器的输入电压为：
（11）
其中，ϕω表示一个周期内输入电压振动的全次数，ϕ为提高频率的倍数。
本发明中，高频移相变压器使用之字型隔离变压器，其一次侧三个单相绕组相互独立，副边的两个绕组采用正负15°移相的连接方式；根据高频移相变压器的联结形式和匝比关系，可得其原边电压满足：
（12）
其中，K为原、副边间的变比。根据调制原理，整流桥的输出电压可表示为：
（13）
其中，u d1，u d2 为两个整流桥的输出电压。根据KVL，负载电压u0满足：
（14）
联立式推导出负载电压表达式：
（15）
根据式（15），可在MATLAB中绘制出负载电压的理论波形，如图15所示。由图可知，在八分之一电源周期内，负载电压有12个波头，和传统12脉波整流器的一个周期负载电压波形完全一致。
2.2、移相变压器输入电流分析
设负载为大电感负载，负载电流与两个整流桥的输出电流之间满足：
（16）
其中，I d为负载电流的有效值。
采用开关函数法，可以得到移相变压器的输出电流为：
（17）
图16所示为三相五芯柱之字型连接方式的高频变压器的绕组结构图，N 0、N 1和N 2分别是原边和两个副边绕组的匝数，i a，i b，i c为原边Y型连接的绕组电流，i a1，i b1，i c1为移相负15°的绕组电流，i a2，i b2，i c2为移相正15°的绕组电流。原边的三个绕组相互独立，副边绕组采用了之字型的方式联结。为便于分析，设变压器匝比满足，由此可知经过高频变压器输出的两组三相电压幅值相同，相位相差30°。
根据 KCL 和安匝平衡原理，可得：
（18）
根据变压器的匝比关系，结合式（16）~式（18）可得到a相输入电流i a的表达式为：
（19）
根据式（19）可得到a相输入电流理论波形如图17所示，从该图可以看出，输入线电流在八分之一个电源周期内呈现12个阶梯波，在提升频率的同时实现了12脉波整流。
电流有效值的计算公式为：
（20）
结合电流有效值计算公式和图17可计算出输入电流的有效值为：
（21）
利用奇延拓以波形八分之一个周期的中间时刻作为零时刻进行Fourier级数分解，n取1得到基波有效值为：
（22）
由此可以得到电流谐波畸变率为：
（23）
通过对电流有效值以及电流总畸变率的分析发现，在隔离式之字型变压器改造为三级式电力电子器件后，***输入电流与传统的多脉波整流***相同。这表明，改造后的电力电子变压器不会影响多脉波整流***的输入电流质量。此外，由于电力电子变压器的应用，相同功率下整流***的总体积大大减小，提高了之字型电力电子变压器的功率密度。
3、负载适应性分析
为研究负载变化对PET多脉波整流器电能质量的影响，假设***轻载运行时的负载为100Ω，满载运行时负载为20Ω，负载从满载到轻载的变化所得到的数据如表1所示。
表1 不同负载阻值下电能质量参数
由表1可得，当整流器负载由20Ω增长到100Ω的过程中，负载电压在负载增大的情况下几乎保持不变，a相网侧输入电流THD值略有增加，但数值均小于3%，由此可知无论在轻载还是满载的情况下，所提PET多脉波整流电路各项电能质量参数均正常，能很好地的对电能质量要求严格的场合。
目前，大功率整流器在工业场合应用时，对应的负载类型丰富多样。理想情况下，如果考虑没有电感的负载类型，此时分为R型和RC型两种负载。然而实际整流器中包含了较多磁性器件，如移相变压器、平衡变换器等，这些磁性器件在工作时无法避免出现漏感的情况，电感参数可以直接等效至负载两侧，此时输出负载类型为 RL型和RLC型。综上所述，为了分析不同类型负载对整流器电能质量的影响，分别将负载参数依次设置为R型（20Ω）、RC型（20Ω, 4700μF）、RL型（20Ω, 50mH）和 RLC型（20Ω, 50mH, 4700μF），得到的数据如表2所示。
表2 不同负载种类下电能质量参数
由表2可以看出，无论负载为RC型、RL型还是RLC型时，各项电能质量参数正常，THD值均小于3%，符合谐波标准。因此所设计的PET多脉波整流器适用于各种不同负载下的场合。
4、实验验证
为验证上述理论分析的正确性和有效性，本发明利用Matlab/Simulink软件及Starsim，搭建设计了基于三级式并联之字型电力电子变压器的12脉波整流器仿真及实验模型。以上海远宽能源研发的Starsim HIL实时仿真软件及HIL实时仿真器进行实验，其***可基于状态方程，开关平均，大小电阻建模等方法对电力电子模型进行小步长的实时测试，本发明以5us的步长及20KHz的采样频率在实时测试***（MT6020）进行半实物验证。
高频移相变压器的绕组联接形式为之字型结构，其变比设置为1:0.298:0.816。为使仿真模型与整流***实际工作状态更加接近，仿真条件如下：（1）输入相电压有效值为220V，频率为工频50Hz；（2）负载为阻性负载，阻值为20Ω；
以A相为例，图18为电力电子变换器各部分的输出电压波形，变压器原边输入电压的频率由50Hz升至400Hz，仿真波形与理论分析一致。
图19所示移相变压器输入电压为400Hz正弦交流电，图20所示为输入线电流的波形，输入线电流在一个周期内呈现8组12阶梯波，每一组12脉波与传统12脉波整流电路中的输入线电流一个周期内完全一致。符合并联型多脉波整流器的特征。由图21所示为实验波形，与理论相一致，由图可知，输入线电流有一定的尖峰，且不完全平坦，这是由于变压器的漏感和电路采用硬开关导致的。
图22所示为***输入电流及FFT分析，由图中可以看出经过PFC变换器之后***输入电流接近于正弦波，且经过FFT分析，***的输入电流THD值降为2.49%，满足谐波标准，达到了功率因数校正的目的。
图23显示了Boost变换器的输出电压，从图中可以看出，采用闭环控制后，Boost变换器的输出电压能够跟随给定的参考值，并且输出电压中含有2倍电网频率的交流成分。
图24为整流桥Ⅰ输入电流波形，自上而下分别是电流ia1、电流ib1和电流ic1。由图可知与理论推导相一致，频率在原有的50Hz基础上提升了8倍，达到了400Hz，实现了频率的提升。
图25所示为负载电压和电流的仿真波形，由图可知，一个电源周期内，负载电压电流有96脉波，纹波系数小，实现了功率提升的同时，使负载电压电流更接近与稳定值。
如图26、27所示，由于实验过程中，开关管高频通断，使负载电压和电流中含有较多毛刺，一个周期内含有96脉波，验证了理论推导。
5、结论
通过以上理论推导和半实物测试实验，得出以下结论：
（1）本发明整流器减小了传统工频移相变压器的重量和体积，并提高了功率密度，适用于对变压器体积要求严格的场合。
（2）本发明整流器对网侧进行功率因数调节，使得网侧输入电流的谐波畸变率降低，以满足谐波标准。
（3）本发明整流器可提供直流和交流接口，实现公共电网和新能源转化电能的并网。
（4）本发明整流器具有普适性，可应用于24脉波和36脉波电路，并具有良好的拓展应用性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于三级式PET的并联型多脉波整流器，其特征在于，该整流器包括三相电源、三级式PET、高频移相变压器、三相整流桥、平衡电抗器以及负载；
所述三级式PET为AC-DC-AC式结构，由PFC变换器与电压型SPWM逆变器电路串联而成，PFC变换器由单相整流桥连接Boost变换电路，电压型SPWM逆变器由单相逆变器连接LC滤波电路；
所述三相电源的三相电压输入三级式PET，由三级式PET输出三相高频交流电压，该三相高频交流电压由高频移相变压器进行移相后直接接入到两组三相整流桥中，经过两组三相整流桥输出的直流电流经过平衡电抗器并联后向负载供电，所述平衡电抗器吸收两组三相整流桥之间所产生的电压瞬时差。
2.如权利要求1所述的并联型多脉波整流器，其特征在于，所述PFC变换器包括由四个二极管组构成的单相整流桥、Boost变换电路以及变换控制电路；其中，所述单相整流桥与Boost变换电路连接，所述变换控制电路由电压外环和电流内环构成，电压外环为电流内环提供电流参考信号Is的幅值信息，同时对Boost变换器输出电压进行调整；电流内环使电感电流跟随电流参考信号以进行功率因数校正；所述电压外环调节输入电流平均值，使其波形与输入电压波形相同，输出电压与参考电压的误差经过PID调节器与整流器输出的采样电压相乘，作为基准电流，所述电流内环通过控制基准电流，改变电感电流来调节输出电压的稳定，基准电流与电感电流的误差，经PID控制器实时调节，并生成控制信号，控制电感电流的占空比，进而控制改变平均电感电流。
3.如权利要求1所述的并联型多脉波整流器，其特征在于，所述电压型SPWM逆变器包括单相全桥逆变电路、用于减少单相全桥逆变电路谐波的LC滤波器、以及逆变电路控制电路；其中， 所述单相全桥逆变电路由两个半桥电路组合而成，共4个桥臂，每个桥臂由二极管IGBT组成，分别记为VTa1、VTa2 、VTa3 、VTa4；该单相全桥逆变电路包括以下工作模式：
工作模式一，VTa1和VTa4导通，VTa2和VTa3关断，此时输出电压与输入电压相等；
工作模式二，VTa2和VTa3导通，VTa1和VTa4关断，输出电压为负的输入电压；
所述逆变电路控制电路将LC滤波器的输出电压作为被控对象，计算其测量值与给定的正弦波参考信号的误差，该误差信号经PID控制器实时调节，并生成控制信号，使逆变器输出电压跟随正弦参考信号，并保持输出电压幅值恒定。
4.如权利要求1所述的并联型多脉波整流器，其特征在于，所述高频移相变压器的二次侧采用之字型连接，每相绕组匝数比相同，以使二次侧漏电感平衡；其中，次级绕组的连接使两组三相电压的净相位差30°馈给12脉波二极管整流器，第一组三相电压相对于一次绕组位移+15°，而第二组三相电压相对于一次绕组位移-15°，且绕组的匝数比为：
；
式中，N 0、N 1和N 2分别是原边和两个副边绕组的匝数。
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Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN201699603U (zh) * | 2010-06-13 | 2011-01-05 | 保定三伊电力电子有限公司 | 用于单晶硅炉的高频电源 |
| CN108258886A (zh) * | 2017-12-29 | 2018-07-06 | 河南北瑞电子科技有限公司 | 一种基于单片机的单相正弦波逆变电源 |
| US20180274122A1 (en) * | 2017-03-21 | 2018-09-27 | Rockwell Automation Technologies, Inc. | Adjustable ac/dc conversion topology to regulate an isolated dc load with low ac ripple |
| CN108649806A (zh) * | 2018-05-02 | 2018-10-12 | 哈尔滨工业大学（威海） | 一种用于多脉波整流器的电子电力移相变压器 |
| CN109245572A (zh) * | 2018-10-24 | 2019-01-18 | 哈尔滨工业大学（威海） | 基于电力电子变压器的串联型12脉波整流器 |
| CN109905035A (zh) * | 2019-03-07 | 2019-06-18 | 哈尔滨工业大学（威海） | 一种能量双向流动的超低纹波电动汽车充电电源 |
| CN110212791A (zh) * | 2019-01-16 | 2019-09-06 | 哈尔滨工业大学（威海） | 一种应用于电动汽车快速充电的电能变换装置 |
| CN110492752A (zh) * | 2019-08-19 | 2019-11-22 | 哈尔滨工业大学（威海） | 基于曲折联结双反星型变压器的12脉波整流器 |
| CN113346735A (zh) * | 2021-07-15 | 2021-09-03 | 珠海拓芯科技有限公司 | 一种pfc控制方法、装置、空调及计算机可读存储介质 |
-
2024
- 2024-01-16 CN CN202410062793.3A patent/CN117578893A/zh active Pending
Patent Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN201699603U (zh) * | 2010-06-13 | 2011-01-05 | 保定三伊电力电子有限公司 | 用于单晶硅炉的高频电源 |
| US20180274122A1 (en) * | 2017-03-21 | 2018-09-27 | Rockwell Automation Technologies, Inc. | Adjustable ac/dc conversion topology to regulate an isolated dc load with low ac ripple |
| CN108258886A (zh) * | 2017-12-29 | 2018-07-06 | 河南北瑞电子科技有限公司 | 一种基于单片机的单相正弦波逆变电源 |
| CN108649806A (zh) * | 2018-05-02 | 2018-10-12 | 哈尔滨工业大学（威海） | 一种用于多脉波整流器的电子电力移相变压器 |
| CN109245572A (zh) * | 2018-10-24 | 2019-01-18 | 哈尔滨工业大学（威海） | 基于电力电子变压器的串联型12脉波整流器 |
| CN110212791A (zh) * | 2019-01-16 | 2019-09-06 | 哈尔滨工业大学（威海） | 一种应用于电动汽车快速充电的电能变换装置 |
| CN109905035A (zh) * | 2019-03-07 | 2019-06-18 | 哈尔滨工业大学（威海） | 一种能量双向流动的超低纹波电动汽车充电电源 |
| CN110492752A (zh) * | 2019-08-19 | 2019-11-22 | 哈尔滨工业大学（威海） | 基于曲折联结双反星型变压器的12脉波整流器 |
| CN113346735A (zh) * | 2021-07-15 | 2021-09-03 | 珠海拓芯科技有限公司 | 一种pfc控制方法、装置、空调及计算机可读存储介质 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 刘东;黄进;胡浩峰;: "12脉波不控整流***中的环流分析", 电力电子技术, no. 09, 20 September 2011 (2011-09-20) * |
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