基于Labview的18脉冲ATRU变压器参数设计

摘要：以不对称式DP型18脉冲自耦变压整流器(ATRU)为研究对象，介绍了其工作原理及参数设计流程，并在Labview平台上完成了18脉冲ATRU变压器的设计软件，减小了18脉冲ATRU设计的复杂性。最后在软件设计的参数基础上完成了12．5 kW18脉冲ATRU的样机研制和实验验证。
关键词：自耦变压整流器；参数设计；软件

1 引言
多脉冲整流技术具有谐波抑制能力强，结构简单，可靠性高，过载能力强等特点，应用前景广阔。对18脉冲ATRU的变压器部分进行参数设计，并经过多次优化完成了基于Labview的软件设计，减小了18脉冲ATRU设计的复杂性。

2 工作原理
图1示出不对称式DP型18脉冲ATRU的电路原理图，其中，自耦变压器用于产生满足整流器要求的3组三相电压。

两组辅三相电压相位分别超前和滞后于主三相电压37°，幅值为其0．746倍。3组电压经整流桥后的输出电压为任意时刻线电压最大值，二极管按照相应线电压的矢量切换次序选通，输出18个幅值相同，相位间隔20°的电压，即18脉波。根据磁势平衡原理及基尔霍夫电流定律，可得各结点电流表达式及理论波形，进而得到输入电流理论波形为18脉冲阶梯方波，如图2所示。

根据波形计算可得，不对称式18脉冲ATRU输入电流的总谐波含量理论值为10．1％。实际铁心绕组中，每个铁心柱对应有一个初级绕组，4个次级绕组，初级绕组总匝数为Np，次级绕组Ns匝数分别为Ns1，Ns2，Ns3，Ns4，且Ns1=Ns4，Ns2=Ns3。通过矢量计算可得：Ns1／Np= 0．746，Ns2／Np=0．389。

3 DP型18脉冲ATRU软件设计步骤
3．1 磁芯型号选择
磁芯从BSD的E型铁心型号中选取，由于设计功率基本为5 kW以上，流过导线的电流均比较大，所以导线选用扁导线，而非圆导线，从而提高窗口的利用率。
3．2 参数设计软件的输入输出变量
软件设计的输入变量：电流密度j；铁心磁密度Bm；铁心尺寸；频率f(360～800 Hz)；有效截面系数ks；排绕系数kp；叠绕系数kd和功率等级P。
输出量：铁心尺寸及其有效截面积S；初、次级导线尺寸及要求：导线宽度d>3 mm，导线厚h>1mm，d>1．5mm，h7．5 mm；初、次级导线有效截面积Sp，Ss1，Ss2，Ss3，Ss4；初、次级线圈匝数Np，Ns1，Ns2，Ns3，Ns4；初、次级线圈层数Cp，Cs1，Cs2，Cs3，Cs4；窗口系数ku(0．2～0．4)。
3．3 变压器设计的基本步骤
自耦变压器的等效容量Pt,tr=0．56P，所选磁芯的窗口空间SQ1=1．5AwSc，其中，Aw为窗口面积，Sc为磁芯柱有效截面积。需要的窗口空间SQ2=Pt,tr／(4．44fBmjku)。

Dm与窗口的一半进行校核，绕不下则可进行两种优化调整：①按每层匝数均匀原则重新分配，使得每层匝数变少，从而d可变大，h相应变小，线圈厚度会变小，校核容易通过；②观察增大一层后线圈厚度变化趋势进行调整，若增大一层后线圈厚度变小则增大层数，若变大则保持层数不变。再次计算线圈总厚度，并判断线圈总厚度与窗口宽度一半的大小，校核厚度上是否绕得下，不符合则重新选择磁芯大小。ku的表达式为：
ku=2(SpNp+Ss1Ns1+Ss2Ns2+Ss3Ns3+SsNs4)／(ah0) (8)
根据经验，判断ku是否在0．2～0．4之间，判断是否要重新选择磁芯尺寸。
3．4 软件设计流程图
图3示出DP型18脉冲ATRU软件流程图。

3．5 DP型18脉冲ATRU参数设计软件界面
利用Labview软件设计的18脉冲ATRU变压器部分参数设计界面的初始界面为12．5 kW的ATRU变压器设计范例，各种经验系数均有显示作为参考。该设计适用于5～200 kW的18脉冲ATRU变压器。操作时，输入输入变量或调节输入变量滑块，按下运行按钮，界面会给出一个该功率下变压器磁芯尺寸的参考值，用户可根据参考值调整磁芯尺寸输入，再次按下运行按钮，界面会显示各种校核是否通过，若通过则给出设计结果，包括导线线径大小、绕组匝数分配等，同时给出窗口系数、线圈厚度的大小作为调整磁芯大小的参考；若不通过会提示重新选择磁芯进行设计，直到得到一个满意的结果为止。

4 样机实验
基于软件设计参数，研制了一个12．5 kW的18脉冲ATRU样机。实验条件：115 V／400 Hz三相电源。图4为18脉冲ATRU在额定负载下a相输入电压和输入的18阶梯电流波形。测得a相输入电流的总谐波畸变率为10％，与理论值相似。

5 结论
在软件设计过程中，对参数设计的过程及方法进行了多次调整和优化。所选择的方法既能保证导线较好的宽厚比，又能充分有效利用磁芯，还能让用户根据实际情况，灵活地选择各个绕制变压器的松紧程度和对工艺的把握程度。根据设计参数研制了一台12．5 kW的样机，验证了18脉冲ATRU的良好性能及设计软件的实用性。