高性能中频多脉波变压整流技术研究

Medium-frequency multi-pulse rectifier is the frequently-used transformation rectifier in wide-variable-frequency aircraft power supply. Based on the practical experience, the applicant proposes a novel multi-pulse rectifier with high power density,high energy conversion efficiency,zero harmonics in input line current and constant ouptput voltage.Starting from designing delta-connected auototransformer optimally, the applicant will analyze the effect of autotransformer winding configuration on its kVA rating to find out the optimal configuration with the least kVA rating and winding numbers, which will improve the power density.The applicant also will model decouply the delta-connected autotransformer,and analyze the effect of leakage inductance of autotransformer on the reverse recovery loss and communation of diode bridge rectifier.According to the relationship between the currents of ac and dc side, and the voltages respectively, the applicant uses the configuration with active interphase reactor and PWM rectifier at dc side to realize the zero harmonics in the line currents and constant output voltage via controlling the input current and output voltage of PWM rectifier. The expectant results will promote the application of multi-pulse rectifer in wide-variable-frequency aircraft power supply.

中频多脉波整流器是宽变频飞机电源系统中常用的变压整流器。在前期科研实践基础上，申请人提出了一种具有高功率密度、高能量变换效率及输出恒压和输入电流零谐波的新型多脉波整流器。从优化设计三角形联结自耦变压器入手，分析变压器绕组结构对其等效容量的影响，寻找具有最小等效容量和最少绕组个数的变压器结构，提高系统的功率密度；建立三角形联结自耦变压器全解耦模型，研究变压器副边漏抗对整流桥二极管反向恢复损耗及换相的影响，通过选取合适漏抗值提高系统能量变换效率；根据多脉波整流系统交、直流侧电流关系和电压关系，在直流侧使用有源平衡电抗器并联PWM整流器的结构，通过控制PWM整流器输入电流和输出电压，分别实现多脉波整流器输入电流零谐波和输出电压近似恒定。预期研究成果将促进中频多脉波整流器在宽变频飞机电源系统中的应用。

项目针对宽变频飞机电源系统、远程火箭炮用直流电源、坦克电源系统等小容量应用场合，提出了具有高功率密度、高能量变换效率及输出恒压和输入电流零谐波的新型多脉波整流器，分别研究了自耦变压器的优化设计和直流侧有源谐波抑制。移相变压器是多脉波整流器的必需器件，使用自耦变压器作为移相变压器可有效减小系统的体积和成本。本项目研究了移相角对三角形联结自耦变压器输入电流THD值、负载电压纹波系数、自耦变压器容量的影响。理论和实验分析表明，当移相角为π/6、π/2、5π/6时，输入电流THD，负载电压纹波系数达到最小值；当移相角为π/6时，自耦变压器的等效容量最小；当移相角为π/2、5π/6时，自耦变压器工作于大升压比状态； 本项目的研究结果给出了移相角为π/2、5π/6时的自耦变压器的最优结构，扩展了角形联结自耦变压器的应用场合。针对星形联结自耦变压器，分析了绕组结构对其等效容量的影响，结构最优的星形联结自耦变压器的每个芯柱上有3个绕组，将其应用于12脉波整流器中时其等效容量为21%。本项目研究了一种基于直流侧双级辅助电路结构的多脉波整流器直流侧谐波抑制拓扑，给出了直流侧谐波抑制时可实现的环流形式，分析了直流侧有源谐波抑制对整流器磁性器件容量的影响；理论分析和实验结果表明，当双级辅助电路的输入特性满足一定条件时，辅助电路能最大程度上降低谐波，提辅助电路的容量仅为输出功率的2%，这可有效减小系统损耗。相比于采用单级辅助电路的12脉波整流器，所提的12脉波整流器具有更好的谐波抑制性能，并对负载电压变化或者输入电压变化有更好的适应性。本项目同时分析了输入侧断相对直流侧有源谐波抑制方法的影响，给出了断相时多脉波整流器各处的电压和电流特征。输入侧断相时，12脉波整流器等效为两个具有相同输入电压的单相整流桥并联工作，两整流桥输出电压瞬时差等于零，导致平衡电抗器端电压等于零；负载电压为2脉波，负载电压纹波系数为0.785；虽然电阻性负载下未断相的两相输入电流近似为正弦波，但是断相的一相输入电流等于零，整流器工作于严重的不对称状态。因此，输入侧断相将同时导致输入侧和负载侧电能质量恶化，相关结果为多脉波整流器的断相故障提供了检测依据。.本项目的相关研究结论为多脉波整流器在远程火箭炮用直流电源、坦克电源系统等小容量应用场合的应用奠定了理论和实践基础。