变压器集成滤波理论及其在船舶12脉波整流系统的应用

摘要

随着船舶供电的综合电力系统化和电力电子化，电能质量问题日渐突显，主推进系统的变流装置以及大量非线性负载产生严重谐波污染。船舶对电力设备可靠性要求极高，目前主推进系统谐波抑制主要采取多重化整流与无源滤波相结合的方式。这种滤波方案不能解决谐波对变压器本体带来的危害，损耗和噪声水平较高，且这种滤波方案空间占用太大。针对船舶广泛使用的12脉波整流系统，提出一种变压器集成滤波方法以及针对12脉波整流的新型接线方案。围绕该方案，本文主要开展了如下几方面的研究工作：
　　首先，介绍了船舶电力系统的发展现状及特点。分析了船舶电力系统谐波的来源，对各种船舶用谐波抑制方法的优势与不足进行对比。对船舶广泛采用的12脉波整流结合无源滤波的技术方案进行分析。对比了两种船舶12脉波整流变压器的结构型式。分析了传统船舶12脉波整流系统谐波的传递特性。分析了传统12脉波整流系统谐波抑制方法的接线方案和谐波抑制原理。建立了采用传统滤波方法的12脉波整流系统谐波模型及其等效电路。
　　其次，对变压器集成滤波理论展开了深入研究。研究变压器集成感应滤波绕组的谐波屏蔽机理，建立了集成感应滤波绕组变压器的谐波模型，并进一步得到其良好滤波效果的实现条件。介绍了为了达到滤波实现条件的集成感应滤波绕组整流变压器的绕组布置方式和阻抗设计方法。研究了变压器集成滤波电抗器绕组理论。介绍了非正交解耦理论和由此构建的集成滤波电抗器绕组结构。分析了集成滤波电抗绕组与变压器其他绕组之间以及两两集成滤波电抗绕组之间的功率解耦原理和实现方法。介绍了集成滤波电抗器的电感值计算方法以及技术优势。
　　再次，针对传统的电路仿真方法不能反应集成滤波整流变压器电磁关系以及传统的场路耦合仿真方法计算量大、效率低的问题，使用一种新型场路耦合仿真计算方法对集成滤波整流变压器进行系统建模与分析。介绍了新型场路耦合建模的流程以及电感矩阵和耦合度矩阵的计算方法。用Ansoft软件建立了两台集成滤波整流变压器样机的模型，并计算得到电感矩阵和耦合度矩阵。将电磁仿真得到的电感矩阵作为集成滤波整流变压器耦合电感电路模型的参数进行电路仿真，得到采取集成滤波措施前后网侧的电流波形，证明了良好的滤波效果和仿真正确性。
　　最后，搭建了12脉波集成滤波整流变压器小容量样机实验平台。实验结果证明了变压器集成滤波理论的正确性，体现了集成滤波技术对单台整流变压器网侧电流和总网侧电流的良好滤波效果。

目录

第1章 绪 论

1.1本课题的研究背景和意义

1.2船舶电力系统的谐波产生原因及其危害

1.3船舶电力系统的谐波抑制方法综述

1.4本课题研究的主要内容

第2章 传统12脉波整流系统谐波抑制方法

2.1 船舶12脉波整流变压器结构型式

2.2 传统12脉波整流变压器的谐波特性分析

2.3 传统12脉波船舶推进供电系统谐波抑制接线方案

2.4 采用传统滤波方案的12脉波整流系统谐波模型及其等效电路

2.5 本章小结

第3章 变压器集成滤波理论

3.1 变压器集成感应滤波绕组理论

3.2 变压器集成滤波电抗器理论

3.3 12脉波整流系统变压器集成滤波技术新方案

3.4 本章小结

第4章 12脉波集成滤波整流变压器仿真建模及结果分析

4.1 12脉波集成滤波整流系统场路耦合建模方法

4.2 12脉波集成滤波整流变压器样机Ansoft仿真模型及结果分析

4.3 12脉波集成滤波整流系统场路耦合仿真模型及结果分析

4.4 本章小结

第5章 12脉波集成滤波整流变压器样机实验结果及分析

5.1 样机实验系统简介

5.2 实验结果及分析

5.3 本章小结

结论

参考文献

致谢

附录A 攻读硕士学位期间发表的主要学术成果