一种六相电源的选相整流技术及纹波分析

0 引 言

自20世纪90年代以来，电动汽车、电动船舶、多电飞机和高功率工业器件等得到了飞速发展，这些应用领域对其驱动电源提出了更加严格的要求[1]。常规的三相交流电源已经应用普遍，但三相电源在系统可靠性方面存在明显不足，一旦有一相出现故障，将会导致系统崩溃。与三相电源相比，多相电源(特指相数大于3)有其独特的优点：当其中一相或者多相退出运行或缺相运行时，系统无需停机，仍然可以稳定运行[2]。连接电力电子变流器运行时，多相电源与同等容量的常规三相电源相比，每相电流定额低，转矩、电流脉动小，谐波分量少，电压选择范围大且整流之后直流侧输出电压数值高、纹波小，故障容错性高[3]。凭着这些先天的优势，多相电源广泛应用于低压、大功率、对可靠性要求较高的领域，如船舶电力推进、机车动力牵引、电力汽车和混合电力汽车、多电飞机、航空航天等，并在这些应用领域中逐渐成为当前研究的一个热点[4]。

直流供电系统易于并网、线路损耗小、供电可靠性高，为了整流得到更稳定的直流电压，常常采用多相整流电路进行供电。六相整流电路在带整流负载时，显著降低了直流电流的纹波系数和脉动系数，提高了整流质量，且其具有复杂度低、可靠性高和过载能力强等优势，在大功率整流、风力发电、电化学加工和高压直流输电等领域作为交流电网与工业设备的接口装置或电网与机组之间的功率变换器应用广泛[5]。同时，运用直流电力系统为船舶用电设备、航天领域相关设备、电动汽车供电也有较多应用[6]。

六相移30°电源是最常用的多相电源之一[7-8]。与常规三相交流电源相比较，六相移30°电源直接带整流负载的优势主要体现在：电源输出电压波形畸变较小，有利于兼带其它动力负载；与六相移60°电源相比，六相移30°电源直接带整流负载的优势主要体现在：有更多的空间电压矢量，在矢量控制中能提供更多的控制资源；交流侧电流最低谐波次数为11、13次谐波，不含有对电源危害很大的5、7次谐波，降低了谐波损耗，削弱了附加转矩[9-12]。本文选用六相移30°电源，根据输出的六相电压波形，通过选相整流可以实现三种直流电压等级的输出，以驱动不同的直流负载或为不同直流电压需求的用电设备进行供电。直流侧加入电容的作用有：缓冲整流器交流侧与直流侧负载间的能量交换，稳定直流侧电压，并抑制直流侧纹波电压[13]。为了有效地提高直流侧的电能质量，进一步对比分析了有无直流稳压电容和电容大小的选取对输出直流电压波形的影响。

1 选相整流拓扑结构

六相移30°电源的选相整流结构拓扑如图1所示，图1(a)中交流侧为六相移30°同步发电机(中性点接在一起)，六相整流桥由上下桥臂共12个晶闸管组成，直流侧包括一个稳压电容以及相应的直流负载。图1(b)的整流部分以及直流侧的组成结构与图1(a)相同，交流侧采用六个电压、频率相同的单相电源，分别命名为A、B、C、D、E、F相电源。其中A相超前B相30°，B相超前C相90°，C相超前D相30°，D相超前E相90°，E相超前F相30°，且六个单相电源的中性点共地。

图1 六相移30°电源选相整流拓扑图

六相移30°电源提供输入功率给六相整流桥，整流桥由十二个晶闸管构成，上下桥臂(VT1′～VT6′、VT1～VT6)均采用半控的晶闸管器件，其中上桥臂的晶闸管(VT1′～VT6′)多数模式下在相邻两相的自然换相点处触发导通，个别模式下需要施加特定的选相触发脉冲。下桥臂则始终需要实施选相整流，控制不同等级的直流电压输出。通过对上下桥臂的选相整流，对各相连接的晶闸管施加相应的触发脉冲，从而实现直流侧多电压等级的控制输出。

2 六相移30°电源的选相整流技术

当对六相移30°电源进行不控整流时，每时每刻电压矢量差最大的两相自然导通，那么，当将二极管换成半控或全控器件时，通过对其实施控制就可以选择非电压矢量差最大的两相导通，从而可以根据实际需要实现多电压等级的控制输出[14]。六相移30°电源的电动势相量图如图2所示，输出的六相电压波形如图3所示，六相不对称，A相超前B相30°，B相超前C相90°，C相超前D相30°，D相超前E相90°，E相超前F相30°。上下桥臂均采用的是半控晶闸管，主要对下桥臂实施选相整流，上桥臂可在各相的自然换相点处换相触发导通，也可实施选相整流。当控制上桥臂始终在各相的自然换相点处触发导通时，以前T/6周期内的电压波形为例加以说明：上桥臂即A相导通，此时实施选相整流，触发导通相应的晶闸管，可以使A相波形分别与D相、C相、E相、F相、B相波形上下围成的区域输出五种电压等级，由于A相波形与B相波形围成的区域输出电压太小，A相波形与F相波形、A相波形与E相波形围成的区域输出电压脉动较大，没有实际利用价值，因此只采用前两种组合方式。在整个T周期内，这两种组合方式定义为模式一和二。当对上桥臂也实施选相整流时，与上述分析思路相类似，前T/6周期内可以得到B相波形与C相波形围成的区域输出电压较为理想。在整个T周期内，这种组合方式定义为模式三。

图2 电动势相量图

图3 六相移30°电源输出的六相电压波形

当需要较高直流电压驱动负载或为直流电压需求较高的用电设备进行供电时，选择电压空间矢量差最大的两相导通，即采用模式一的导通方式，导通相包络线围成的区域如图4，即控制上下桥臂晶闸管都在自然换相点处换相导通，此时直流侧输出电压等级最高。控制方式为：T周期内上下桥臂分别触发导通A相与D相、B相与E相、C相与F相、D相与A相、E相与B相、F相与C相，上下桥臂各个晶闸管每次导通1/6T，且各个晶闸管每个周期内导通一次。各相对应的晶闸管施加触发脉冲的序列如图5。

图4 导通相包络线围成的区域

图5 上下桥臂晶闸管触发脉冲

在六相移30°电源输出相电压为220 V(50 Hz)的情况下，对六相整流桥施加选相整流。通过仿真，在直流侧不加稳压电容时模式一输出电压波形如图6所示。

图6 不加稳压电容时模式一直流侧输出电压波形

当驱动负载的直流电压或为用电设备供电的直流电压需求低于模式一时，采用模式二的导通方式，导通相包络线围成的区域如图7，控制上桥臂晶闸管在自然换相点处换相导通，下桥臂实施选相整流。控制方式为：T周期内上下桥臂分别触发导通A相与C相、B相与F相、C相与E相、D相与B相、E相与A相、F相与D相，上下桥臂各个晶闸管每次导通1/6T，且各个晶闸管每个周期内导通一次。各相对应的晶闸管施加触发脉冲的序列如图8所示。

图7 导通相包络线围成的区域

图8 上下桥臂晶闸管触发脉冲

通过仿真，在直流侧不加稳压电容时模式二输出电压波形如图9所示。

图9 不加稳压电容时模式二直流侧输出电压波形

当驱动负载的直流电压或为用电设备供电的直流电压需求低于模式二时，采用模式三的导通方式，导通相包络线围成的区域如图10，对上下桥臂都实施选相整流。控制方式：T周期内上下桥臂分别导通B相与C相、A相与F相、D相与E相、C相与B相、F相与A相、E相与D相，上下桥臂各个晶闸管每次导通1/6T，且各个晶闸管每个周期内导通一次。各相对应的晶闸管施加触发脉冲的序列如图11所示。

图10 导通相包络线围成的区域

图11 上下桥臂晶闸管触发脉冲

通过仿真，在直流侧不加稳压电容时模式三输出电压波形如图12所示。

图12 不加稳压电容时模式三直流侧输出电压波形

通过计算，在模式一、二和三的情况下，直流侧电压幅值与绕组电压幅值之比分别为1.93、1.77和1.40。仿真结果表明，在六相移30°电源输出电压不变的情况下，单纯地通过对上下桥臂的晶闸管实施选相整流就可以实现直流侧多电压等级的输出。

3 直流侧电压纹波及稳压电容选择分析

在直流侧不加稳压电容时，由仿真可看出输出电压存在明显纹波。利用Matlab对不加稳压电容时模式一、二、三的直流电压纹波进行分析，如图13所示。分析可知模式一、三的电压纹波比模式二小，且模式一、三主要含6、12、18等次纹波，其中6次纹波含量最高；模式二主要含3、6、9、12等次纹波，其中3次纹波含量最高。

图13 不加稳压电容不同模式纹波分析图

设置模式一、二、三直流侧稳压电容参数分别为6×6-2F、8×10-2F、5×10-2F，经选相整流选择稳定后的输出电压波形放大图如图14所示。

图14 加稳压电容不同模式输出电压波形放大图

对比分析有无稳压电容及所加电容的大小，可以得出稳压电容能明显减小直流电压纹波，针对不同模式选择不同的稳压电容值能够有效提高直流侧的电能质量。

4 结 语

本文提出的一种新型的适用于多相整流系统的仅含晶闸管和稳压电容的整流拓扑结构以及相应的选相整流技术，很大程度上拓宽了目前多相整流电路在不同直流供电领域的应用范围。基于Simulink仿真环境，通过实施不同的选相整流策略，在六相移30°电源输出电压不变的前提下，实现了直流侧三种电压等级的控制输出。同时，通过对比分析有无直流侧稳压电容和电容大小的选取对直流侧输出电压纹波的影响，仿真得出了较为理想的匹配三种选相整流模式的稳压电容值，减小了直流系统的电压纹波，有效提高了直流侧的电能质量。选相整流技术具有控制简单、成本低的特点，尤其适用于船舶

电力推进、机车动力牵引、电力汽车和混合电力汽车、多电飞机、航空航天等需要直流系统供电且存在不同等级直流电压需求的场合。