一种多脉波整流装置的研究及特性分析
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中国高等学校电力系统及其自动化专业第 29 届学术年会，湖北宜昌：三峡大学，2013
一种多脉波整流装置的研究及特性分析
卢桥1,2，杭乃善1,2，康海云1,2，丁才文1,2，刘柏江1,2
1广西大学电气工程学院 2广西电力系统最优化与节能技术重点实验室 广西南宁市，530004
摘 要：面对日益增加的大功率直流电源需求，例如在机车牵引、化工电解、直流输电等应用场合， 多脉动整流是提高整流质量，降低交流侧谐波注入的有效方式。本文针对脉波数越多整流效果越佳但 结构愈加复杂制作工艺要求越高的矛盾，研究并制作了基于旋转磁场理论，通过不同绕组连接获取多 相电压输出满足多脉波整流需求，利用相间耦合特性进行谐波过滤的多脉波整流装置。该装置直流侧 无需串并联平衡均流器件，交流侧无需加装滤波装置，即可实现直流输出平稳，交流侧电流波形正弦 化好，谐波含量少等目标，并通过实验进行了验证。
Nanning 530004, Guangxi Zhuang Autonomous Region, China
Abstract: Facing the increasing demand for high-power DC power supply, such as locomotive traction, chemical electrolysis and DC transmission, multi-pulse rectifier is a effective way to improve electric energy quality, and reduce harmonic injection in AC side. The more pulse for rectifying, the better of the results, but requiring more complex structure production. In this paper we propose a model which is based on rotating magnetic field, multiphase voltage output can be got through different windings connection to meet the needs of multi-pulse rectifier, and using the phases coupling characteristic for multi-harmonic filter. In this device, the output voltage is stable in DC side without adding balancing reactor and the current have less harmonic content in the AC side without other filter device. Tests and characterization analysis are proposed.
rN 匝的两个绕组中通过的电流相序相邻，则变压器
T1，T2，Tn合成磁动势为
⎧ ⎪ ⎨
F1 F2
= rNI1 − N (I2 + In ) = rNI2 − N (I3 + I1)
⎪⎩Fn = rNIn − N (I1 + In−1)
（7）
电流关系有
⎧ ⎪ ⎨
I1 I2
+ +
I1 In
= 2I1 cosα = 2I1 cosα
2 相关理论分析
2.1 三相绕组的磁动势矢量分析
以整距集中绕组的 2 极电机分析，如图 1，三相
绕组 a1、b1、c1 以 Y 形联结，绕组匝数为 N，其中， a1 相绕组的线圈边分别是 A1 和 X1 ，a1 相绕组的分布 函数如图 2，其中，ϕ 为沿气隙位移电角度。
M-231
中国高等学校电力系统及其自动化专业第 29 届学术年会，湖北宜昌：三峡大学，2013
=
∞ n=1
N 2
(4 mπ
) sin
mπ 2
cos m(ϕ
+
2π 3
)
用空间矢量来表示的三相绕组波形分布：
⎧ ⎪ ⎪ ⎪ ⎨ ⎪
Na1 Nb1
= =
2N mπ 2N mπ
−
e
j
2mπ 3
⎪ ⎪⎩ N c1
=
2N mπ
−
e
j 4mπ 3
(m = 3,5...) （3）
式中：m=1 时即是基波空间矢量，其他即为谐波的空
如图 9 为三相/十二相变压器整流后输出的电压波
M-231
中国高等学校电力系统及其自动化专业第 29 届学术年会，湖北宜昌：三峡大学，2013
形，其中负载为一 200W 灯泡，CH1 为原边输入测 C 相电压，CH2 为整流输出测直流电压；图 10 为直流 侧基波和谐波含量数据：
图 9. 输入 C 相电压和输出电压波形
间矢量，则三相绕组分布的 m 次谐波矢量和 n 次谐波
电流生成的磁动势可以表示成：
Fm,n = N i am am (t) + N i bm bm (t) + N icm cm (t)
=
2N mπ
− j 2mπ
[iam (t) + ibm (t)e 3
− j 4mπ （4）
+ icm (t)e 3 ]
2
cos
2π n
h
)
N
铁芯磁导率为 μ 的等效电感值为
（9） （10）
Lf
(h)eq
=
N
2 eq
(
h
)
μ
（11）
则图 3 的等效滤波如图 5 ：
Neq1
可以看出，滤波变压器上三个绕组的合成磁动势
可以看成是一相电流通过等效匝数为 Neq (h) 的线圈
形成，以相间电磁耦合的变压器等效为滤波电抗器， 同样计算好滤波电抗器大小即可形成滤波变压器的具
T1
I1I1
I2 N
rN In N
T2 I3 N
I1I2
rN
N
Tn I1In
N I1
rN
In-1
N
图 4.n 相滤波电抗器原理
电机和变流器间各串联一个类单相变压器的电抗 器，如图 4，该变压器铁芯有三个对称绕组，确定串
M-231
中国高等学校电力系统及其自动化专业第 29 届学术年会，湖北宜昌：三峡大学，2013
⎪⎩I2 + In−1 = 2I1 cosα
(α = 2π h) n
（8）
则合成磁动势为
⎧ ⎪
F1
(h)
⎪
⎪ ⎨
F2
(h)
⎪
= =
NI1 (r NI2 (r
− 2 cos − 2 cos
2π h) n 2π h) n
⎪ ⎪⎩Fn
(h)
=
NIn
(r
−
2
cos
2π h) n
令等效匝数
N
eq
(h)
=
(r
−
即谐波磁动势幅值大小：
Fm,n
=
12 mnπ
2
NI
2.2 多相耦合电抗器滤波原理
（5）
1985 年，Klingshirn提出了在多相电机和变流器间 串入多相耦合电抗器来实现滤波功能的方案，并进行 了相关的理论分析[11]。如图 3 所示：
N1
N2
电机
L1n Nn
… …
L12
变
流
器
L2n
图 3.多Βιβλιοθήκη Baidu耦合电抗器滤波
Keywords: Multi-pulse; rectifier; rotating magnetic; filter
1 引言
随着整流装置在日常生产生活中应用的日益广泛， 其引起的谐波污染问题也得到了很多的关注和研究。其 中，多脉波整流是有效降低输出端直流电压纹波幅值， 提高整流输出质量，同时减少谐波电流对电网影响的措 施之一[1-3]。特别在直流输电、大型化工、机车牵引、 航空船舶等要求大功率应用的场合，多脉波整流更凸显 其必要性和优势[4-5]。
b1
A1
a1
c1
X1
图 1.三相绕组布置
N (φ) a1
A1
X1
φ A1
图 2.绕组分布函数
设三相绕组流入周期电流为：
∞
∑ ia1(t) = In sin nωt n =1
∑ ib1 (t )
=
∞ n=1
In
sin
n(ωt
−
2π 3
)
∑ ic1(t)
=
∞ n =1
In
sin
n(ωt
−
4π 3
)
（1）
传统的 12 相整流变压器与自耦变压器整流后输 入电流的谐波畸变率一致[12]，均为 15.22% 。本变压 器整流后的输入电流波形 如图 11 中CH3 所示，其对 应电流畸变率结果如图 12。从图可以看出，输入电流 波形呈现正弦化，交流侧电流 5 次谐波电流仅为 3.398%，谐波含量THD-F为 4.36%，THD-R为 3.93%， 比传统 12 相整流变压器和自耦整流变压器好，交流侧 电流畸变小，对系统的运行影响小。
关键词：多脉波；整流；旋转磁场；谐波过滤
Research on a New Multi-pulse Rectifier Device
LU Qiao1,2， HANG Naishan1,2，KANG Haiyun1,2，DING Caiwen1,2，LIU Baijiang1,2
1 College of Electrical Engineering, Guangxi University 2 Guangxi Key Laboratory of Power System Optimization and Energy Technology
图 10. CH3 输入电流
图 11. 输入电流成分
º
图 10. 输入电压成分
整流后的电压波形很平稳，每周期脉动 12 次，输 出电压最大值 25.6V，最小值 21.2V,平均值 23.5V，波 形输出波动小，波形平整。
交流侧谐波含量低，畸变率为 2.17%，最高次谐 波三次谐波含量与基波含量的比值仅为 1.170% ，说 明整流对原边的影响较小，产生电压谐波含量少。
的场合应用具有一定的限制[6]。文献[7-9]利用感应发电 机定子各相绕组的不同空间布置来获取多相电源形成 多脉波直流输出的交直流集成系统常用于舰船、航天等 要求独立电源的变流系统中，对多脉波整流的发展起到 很好的推动和启发作用。
寻求一种输出电压平稳，网侧谐波含量低，易于制 造的多脉波整流装置具有很好的应用意义。本文基于电 机绕组的旋转理论，利用电气旋转磁场和和相间耦合方 式研究并制作了具有电机磁路结构的变压器型滤波装 置，并进行了相关实验。
以 a1 为 参 考 ， 则 a1、b1、c1 绕 组 分 布 函 数 的
Foutier表达式[10]如下
∑ N a1 (ϕ )
=
∞ n=1
N 2
(
4 mπ
) sin
mπ 2
cos mϕ
∑ Nb1(ϕ) =
∞ n=1
N 2
4 mπ ( ) sin mπ 2
cos m(ϕ − 2π ) 3
（2）
∑ Nc1 (ϕ )
体要求。即需要 Lf (h)eq > 0 则能实现变压器的滤除
谐波能力。
2.3 模拟空间分布式旋转磁场的电磁耦合
研究的多重化整流变压器就是模拟电机中的旋转 磁场，以多绕组合成正弦变化的旋转磁场，结合电压 器的电磁耦合特性，在多绕组副边中感应电动势的原 理。变压器采用 12 槽铁芯结构，原边副边各放置 24 个线圈绕组，通过不同接线方式，可以获得 24 相、12 相、6 相和 3 相等不同的电源形式，制作时采用了副 边接成 12 相的环形方式，如图 6、7 所示。对应的实 验接线原理图如图 8 所示。
3.2 负载变化整流特性分析
为了测试整流装置负载变化时的性能，在负载端 分别连接不同阻值大小和性质的负荷进行。
多脉波整流装置常常采用移相变压器副边曲折形、 多边形、延长三角形等接线方式获取多脉波，经过整流 桥的串并联组合来获取直流，对制作工艺具有较高的要 求，如还需在整流桥间加上平衡电抗器来实现吸收瞬时 电压差、均流作用，将增加装置的复杂度和制作成本。 自耦变压器降低了成本和损耗但在一些需要电气隔离
资助信息：广西研究生教育创新计划项目（YCSZ2012026）。 Innovation Project of Guangxi Graduate Education（YCSZ2012026）
联绕组的同名端和匝数比 r 使得正序基波电流在铁芯
产生磁动势为零，谐波电流磁动势非零，即滤波电抗
器基波电感值 Lf (1) 和滤波电感值 Lf (1) 有：
⎧ ⎨ ⎩
Lf Lf
(1) (h)
= >
0 0
（6）
要求变压器一个绕组的匝数为N，另外两个绕组
的的匝数为 rN ，且N匝的绕组中通过的电流必须和
1 2
3 4
56 78 9 10 11 12
uabc
ia bc
图 6. 3/12 相变压器
图 7. 整流接线图
u' abc i'abc
id ud
R
电机
Neq2 Neqn
图 5.多相耦合等效电抗器
… …
变
图 8. 实验原理接线图
流
器 3 实验测试及其数据分析
3.1 输出直流电压质量及交流侧谐波含量分析
一种多脉波整流装置的研究及特性分析
卢桥1,2，杭乃善1,2，康海云1,2，丁才文1,2，刘柏江1,2
1广西大学电气工程学院 2广西电力系统最优化与节能技术重点实验室 广西南宁市，530004
摘 要：面对日益增加的大功率直流电源需求，例如在机车牵引、化工电解、直流输电等应用场合， 多脉动整流是提高整流质量，降低交流侧谐波注入的有效方式。本文针对脉波数越多整流效果越佳但 结构愈加复杂制作工艺要求越高的矛盾，研究并制作了基于旋转磁场理论，通过不同绕组连接获取多 相电压输出满足多脉波整流需求，利用相间耦合特性进行谐波过滤的多脉波整流装置。该装置直流侧 无需串并联平衡均流器件，交流侧无需加装滤波装置，即可实现直流输出平稳，交流侧电流波形正弦 化好，谐波含量少等目标，并通过实验进行了验证。
Nanning 530004, Guangxi Zhuang Autonomous Region, China
Abstract: Facing the increasing demand for high-power DC power supply, such as locomotive traction, chemical electrolysis and DC transmission, multi-pulse rectifier is a effective way to improve electric energy quality, and reduce harmonic injection in AC side. The more pulse for rectifying, the better of the results, but requiring more complex structure production. In this paper we propose a model which is based on rotating magnetic field, multiphase voltage output can be got through different windings connection to meet the needs of multi-pulse rectifier, and using the phases coupling characteristic for multi-harmonic filter. In this device, the output voltage is stable in DC side without adding balancing reactor and the current have less harmonic content in the AC side without other filter device. Tests and characterization analysis are proposed.
rN 匝的两个绕组中通过的电流相序相邻，则变压器
T1，T2，Tn合成磁动势为
⎧ ⎪ ⎨
F1 F2
= rNI1 − N (I2 + In ) = rNI2 − N (I3 + I1)
⎪⎩Fn = rNIn − N (I1 + In−1)
（7）
电流关系有
⎧ ⎪ ⎨
I1 I2
+ +
I1 In
= 2I1 cosα = 2I1 cosα
2 相关理论分析
2.1 三相绕组的磁动势矢量分析
以整距集中绕组的 2 极电机分析，如图 1，三相
绕组 a1、b1、c1 以 Y 形联结，绕组匝数为 N，其中， a1 相绕组的线圈边分别是 A1 和 X1 ，a1 相绕组的分布 函数如图 2，其中，ϕ 为沿气隙位移电角度。
M-231
中国高等学校电力系统及其自动化专业第 29 届学术年会，湖北宜昌：三峡大学，2013
=
∞ n=1
N 2
(4 mπ
) sin
mπ 2
cos m(ϕ
+
2π 3
)
用空间矢量来表示的三相绕组波形分布：
⎧ ⎪ ⎪ ⎪ ⎨ ⎪
Na1 Nb1
= =
2N mπ 2N mπ
−
e
j
2mπ 3
⎪ ⎪⎩ N c1
=
2N mπ
−
e
j 4mπ 3
(m = 3,5...) （3）
式中：m=1 时即是基波空间矢量，其他即为谐波的空
如图 9 为三相/十二相变压器整流后输出的电压波
M-231
中国高等学校电力系统及其自动化专业第 29 届学术年会，湖北宜昌：三峡大学，2013
形，其中负载为一 200W 灯泡，CH1 为原边输入测 C 相电压，CH2 为整流输出测直流电压；图 10 为直流 侧基波和谐波含量数据：
图 9. 输入 C 相电压和输出电压波形
间矢量，则三相绕组分布的 m 次谐波矢量和 n 次谐波
电流生成的磁动势可以表示成：
Fm,n = N i am am (t) + N i bm bm (t) + N icm cm (t)
=
2N mπ
− j 2mπ
[iam (t) + ibm (t)e 3
− j 4mπ （4）
+ icm (t)e 3 ]
2
cos
2π n
h
)
N
铁芯磁导率为 μ 的等效电感值为
（9） （10）
Lf
(h)eq
=
N
2 eq
(
h
)
μ
（11）
则图 3 的等效滤波如图 5 ：
Neq1
可以看出，滤波变压器上三个绕组的合成磁动势
可以看成是一相电流通过等效匝数为 Neq (h) 的线圈
形成，以相间电磁耦合的变压器等效为滤波电抗器， 同样计算好滤波电抗器大小即可形成滤波变压器的具
T1
I1I1
I2 N
rN In N
T2 I3 N
I1I2
rN
N
Tn I1In
N I1
rN
In-1
N
图 4.n 相滤波电抗器原理
电机和变流器间各串联一个类单相变压器的电抗 器，如图 4，该变压器铁芯有三个对称绕组，确定串
M-231
中国高等学校电力系统及其自动化专业第 29 届学术年会，湖北宜昌：三峡大学，2013
⎪⎩I2 + In−1 = 2I1 cosα
(α = 2π h) n
（8）
则合成磁动势为
⎧ ⎪
F1
(h)
⎪
⎪ ⎨
F2
(h)
⎪
= =
NI1 (r NI2 (r
− 2 cos − 2 cos
2π h) n 2π h) n
⎪ ⎪⎩Fn
(h)
=
NIn
(r
−
2
cos
2π h) n
令等效匝数
N
eq
(h)
=
(r
−
即谐波磁动势幅值大小：
Fm,n
=
12 mnπ
2
NI
2.2 多相耦合电抗器滤波原理
（5）
1985 年，Klingshirn提出了在多相电机和变流器间 串入多相耦合电抗器来实现滤波功能的方案，并进行 了相关的理论分析[11]。如图 3 所示：
N1
N2
电机
L1n Nn
… …
L12
变
流
器
L2n
图 3.多Βιβλιοθήκη Baidu耦合电抗器滤波
Keywords: Multi-pulse; rectifier; rotating magnetic; filter
1 引言
随着整流装置在日常生产生活中应用的日益广泛， 其引起的谐波污染问题也得到了很多的关注和研究。其 中，多脉波整流是有效降低输出端直流电压纹波幅值， 提高整流输出质量，同时减少谐波电流对电网影响的措 施之一[1-3]。特别在直流输电、大型化工、机车牵引、 航空船舶等要求大功率应用的场合，多脉波整流更凸显 其必要性和优势[4-5]。
b1
A1
a1
c1
X1
图 1.三相绕组布置
N (φ) a1
A1
X1
φ A1
图 2.绕组分布函数
设三相绕组流入周期电流为：
∞
∑ ia1(t) = In sin nωt n =1
∑ ib1 (t )
=
∞ n=1
In
sin
n(ωt
−
2π 3
)
∑ ic1(t)
=
∞ n =1
In
sin
n(ωt
−
4π 3
)
（1）
传统的 12 相整流变压器与自耦变压器整流后输 入电流的谐波畸变率一致[12]，均为 15.22% 。本变压 器整流后的输入电流波形 如图 11 中CH3 所示，其对 应电流畸变率结果如图 12。从图可以看出，输入电流 波形呈现正弦化，交流侧电流 5 次谐波电流仅为 3.398%，谐波含量THD-F为 4.36%，THD-R为 3.93%， 比传统 12 相整流变压器和自耦整流变压器好，交流侧 电流畸变小，对系统的运行影响小。
关键词：多脉波；整流；旋转磁场；谐波过滤
Research on a New Multi-pulse Rectifier Device
LU Qiao1,2， HANG Naishan1,2，KANG Haiyun1,2，DING Caiwen1,2，LIU Baijiang1,2
1 College of Electrical Engineering, Guangxi University 2 Guangxi Key Laboratory of Power System Optimization and Energy Technology
图 10. CH3 输入电流
图 11. 输入电流成分
º
图 10. 输入电压成分
整流后的电压波形很平稳，每周期脉动 12 次，输 出电压最大值 25.6V，最小值 21.2V,平均值 23.5V，波 形输出波动小，波形平整。
交流侧谐波含量低，畸变率为 2.17%，最高次谐 波三次谐波含量与基波含量的比值仅为 1.170% ，说 明整流对原边的影响较小，产生电压谐波含量少。
的场合应用具有一定的限制[6]。文献[7-9]利用感应发电 机定子各相绕组的不同空间布置来获取多相电源形成 多脉波直流输出的交直流集成系统常用于舰船、航天等 要求独立电源的变流系统中，对多脉波整流的发展起到 很好的推动和启发作用。
寻求一种输出电压平稳，网侧谐波含量低，易于制 造的多脉波整流装置具有很好的应用意义。本文基于电 机绕组的旋转理论，利用电气旋转磁场和和相间耦合方 式研究并制作了具有电机磁路结构的变压器型滤波装 置，并进行了相关实验。
以 a1 为 参 考 ， 则 a1、b1、c1 绕 组 分 布 函 数 的
Foutier表达式[10]如下
∑ N a1 (ϕ )
=
∞ n=1
N 2
(
4 mπ
) sin
mπ 2
cos mϕ
∑ Nb1(ϕ) =
∞ n=1
N 2
4 mπ ( ) sin mπ 2
cos m(ϕ − 2π ) 3
（2）
∑ Nc1 (ϕ )
体要求。即需要 Lf (h)eq > 0 则能实现变压器的滤除
谐波能力。
2.3 模拟空间分布式旋转磁场的电磁耦合
研究的多重化整流变压器就是模拟电机中的旋转 磁场，以多绕组合成正弦变化的旋转磁场，结合电压 器的电磁耦合特性，在多绕组副边中感应电动势的原 理。变压器采用 12 槽铁芯结构，原边副边各放置 24 个线圈绕组，通过不同接线方式，可以获得 24 相、12 相、6 相和 3 相等不同的电源形式，制作时采用了副 边接成 12 相的环形方式，如图 6、7 所示。对应的实 验接线原理图如图 8 所示。
3.2 负载变化整流特性分析
为了测试整流装置负载变化时的性能，在负载端 分别连接不同阻值大小和性质的负荷进行。
多脉波整流装置常常采用移相变压器副边曲折形、 多边形、延长三角形等接线方式获取多脉波，经过整流 桥的串并联组合来获取直流，对制作工艺具有较高的要 求，如还需在整流桥间加上平衡电抗器来实现吸收瞬时 电压差、均流作用，将增加装置的复杂度和制作成本。 自耦变压器降低了成本和损耗但在一些需要电气隔离
资助信息：广西研究生教育创新计划项目（YCSZ2012026）。 Innovation Project of Guangxi Graduate Education（YCSZ2012026）
联绕组的同名端和匝数比 r 使得正序基波电流在铁芯
产生磁动势为零，谐波电流磁动势非零，即滤波电抗
器基波电感值 Lf (1) 和滤波电感值 Lf (1) 有：
⎧ ⎨ ⎩
Lf Lf
(1) (h)
= >
0 0
（6）
要求变压器一个绕组的匝数为N，另外两个绕组
的的匝数为 rN ，且N匝的绕组中通过的电流必须和
1 2
3 4
56 78 9 10 11 12
uabc
ia bc
图 6. 3/12 相变压器
图 7. 整流接线图
u' abc i'abc
id ud
R
电机
Neq2 Neqn
图 5.多相耦合等效电抗器
… …
变
图 8. 实验原理接线图
流
器 3 实验测试及其数据分析
3.1 输出直流电压质量及交流侧谐波含量分析