学术简报︱基于电力电子移相变压器的12脉波整流技术
哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院的研究人员孟凡刚、满忠诚、高蕾、朱春波，在2019年第18期《电工技术学报》上撰文，为减小移相变压器的体积，提出一种基于电力电子移相变压器的12脉波整流器拓扑。
在该拓扑中，工频交流电压通过电力电子变换器转换成高频电压，后经高频移相变压器进行移相后，进入两组三相二极管整流桥，从而完成整流的功能。分析电力电子移相变压器的工作原理，并给出其尺寸参数；研究高频状态下三相二极管整流桥的工作模态；推导出输入电流和负载电压的数学表达式。
仿真和实验均表明，使用该技术后，变压器的体积可减小至工频的1/3以下，同时可保证相同的输入电流质量，且整流装置工作稳定，验证了理论分析的正确性和可行性。
多脉波整流器具有实现简单、成本低、可靠性高等优点，在大型舰船、火箭炮和坦克供电等军事领域，以及电解、电镀和直流电弧炉等工业领域得到了广泛的应用。随着“”制造强国战略的持续推进，钢铁、装备制造、冶炼等诸多传统制造业领域成为升级发展的重要环节，大功率的多脉波整流器在传统工业现场也将迎来新的发展契机。
移相变压器是多脉波整流电路的必需器件，其主要作用是为整流桥提供几组存在相位差的三相电压。但是，移相变压器体积庞大，约占整流装置总体积的60%～70%，总质量的80%，严重制约了大功率多脉波整流器的应用。为了减小移相变压器的体积，可对变压器进行改造：一是将其改造为自耦变压器；二是改造为电力电子变压器。
有学者发表研究指出，自耦联结的移相变压器通过其内部的磁联系和电连接进行电能传递，成倍地降低了移相变压器的体积和质量。但是自耦型移相变压器调压困难，不能灵活地进行电压等级变换，且交直流侧存在电联系，降低了整流系统的安全性。
为兼顾变压器的隔离性并同时减小变压器体积，20世纪70年代，美国GE公司率先提出使用单相高频变压器进行电能变换与传递。这为基于AC-AC电能变换的电力电子变压器的研发提供了思路。为了丰富电力电子变压器的功能，提高其可控性，该变压器的结构往多级电能变换的方向发展，如AC-DC-AC三级电能变换结构。但是，多级化结构的电力电子变压器存在着电能转换效率低，控制结构复杂，可靠性较差的问题。
本文所使用的变压器是电力电子变压器的一种特殊形式，因为这种变压器兼顾移相的功能，故称其为电力电子移相变压器（Power Electronic Phase-shifting Transformer, PEPT）。有学者提出将电力电子变压器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。相对于多级电能变换的电力电子变压器，本文所使用的拓扑，电能变换级数降低，效率得到保证，控制方法更为简单。
本文将对基于电力电子移相变压器的12脉波整流技术进行研究，实现高频移相变压器在并联型12脉波整流电路中的应用，以成倍地减小隔离型移相变压器的体积。
所提拓扑电路中，使用开关器件实现对电能频率的控制，让变压器工作在高频状态。相对于工频自耦型移相变压器，电力电子移相变压器可进行电气隔离，提高安全性，易升降压，便于实现电压等级变换的功能；相对于工频隔离型移相变压器，电力电子移相变压器可以使铁心体积减小，降低制造成本，提高功率密度，拓宽多脉波整流器的应用场合。
文中首先对基于电力电子变压器的12脉波整流电路进行电路分析；其次给出电力电子移相变压器与工频移相变压器的参数对比；然后进行仿真和实验验证；最后得出结论。
图1 基于电力电子移相变压器的并联型12脉波整流电路
图8 移相变压器的实物对比
研究了一种基于电力电子变压器的12脉波整流技术，以高功率密度的高频移相变压器取代工频移相变压器，有效减小了整流装置的体积，且该技术通用性强，在24脉波、36脉波等电路中同样适用。仿真和实验表明，本文所提的高频移相变压器的体积可降至工频移相变压器的1/3以下，功率密度提高3.8倍，且基于电力电子移相变压器的12脉波整流器工作性能良好，可更好地应用于大功率和高功率密度的场合。