0　引　言

同其他推进方式相比，电力推进船舶具有燃油消耗低、船舶操纵性好和节约船舶空间等优点，因此逐渐成为未来船舶的主要发展方向之一^[1]。船舶电力推进系统一般需要大功率直流电源，而多脉冲整流技术广泛应用于大功率直流电源中^[2]。

传统三相整流器的输入电流中含有很多谐波，对船舶电网系统带来较大的影响^[3]。因此可采用多相变压整流电路，这样能有效消除电力系统中较高次数的谐波，从而减小谐波干扰^[4]。

1 多脉冲变压整流

多脉冲移相叠加整流技术是按某种规律将 2 个或多个同种结构的整流电路组合、移相和多重联结，利用各整流负载的谐波电流相位差及其叠加合成而自身削弱或消除的原理进行多相整流的方式^[5]。根据多脉冲变流器的工作原理，对于 p 脉冲桥式变流器，将输入电流 i_a 正负半波之间的中点设为时间零点，对 i_a 进行傅里叶分解可得^[6]：

$\begin{split}& {i_a} = \frac{p}{3}\frac{{\sqrt 3 }}{\pi }{I_d}\left\{ {\sin (\omega t) + \frac{1}{{p - 1}}\sin [(p - 1)\omega t] + } \right.\\& \;\;\;\;\;\;\; \frac{1}{{p + 1}}\sin [(p + 1)\omega t] + \frac{1}{{2p - 1}}\sin [(2p - 1)\omega t] + \\& \;\;\;\;\;\; \left. {\frac{1}{{2p + 1}}\sin [(2p + 1)\omega t] + \ldots } \right\}\text{。}\end{split}$

(1)

式中：p 为脉冲数；I_d 为直流侧电流。

由式（1）可看出，对于 p 脉冲整流器，输入电流 i_a 中除含有基波外，还含有 kp ± 1（k 为正整数）次谐波，且谐波有效值为基波有效值的 $\frac{{\rm{1}}}{{kp \pm 1}}$ 倍，因此，采用多脉冲整流器可以有效抑制谐波电流。以下对常用的12、18和24脉冲整流器进行比较分析。

1.1 12脉冲变压整流电路

12脉冲变压整流电路的原理如图 1 所示。2 组整流桥 T₁ 和 T₂ 为串联联接；T 为整流变压器，a₂，b₂，c₂ 和 a₃，b_c，c₃为二次侧绕组，分别采用 Y 形和 ∆ 形联结，并构成相位差为 30° 的 2 组电压。∆ 形联结的变压器二次绕组相电压与 Y 形联结二次绕组相电压存在 $\sqrt 3 $ 倍的关系，可以保证 2 组交流电源的线电压相等。

对于12脉冲整流电路，则将 p = 12 代入式（1）中，可得：

$\begin{split}{i_a} = & \frac{{4\sqrt 3 }}{{\rm{\pi }}}{I_d}\left[ {\sin (\omega t) + \frac{1}{{11}}\sin (11\omega t) + \frac{1}{{13}}\sin (13\omega t)} \right. + \\& \left. {\frac{1}{{23}}\sin (23\omega t) + \frac{1}{{25}}\sin (25\omega t) + \ldots } \right] \text{。}\end{split}$

(2)

由式（2）可知，12脉冲整流电路的网侧电流从理论上来说应该只含有 12k ± 1 次谐波。为了验证该结论，根据图 1 所示的原理图在 Matlab/simulink 中搭建仿真模型，线电压分别设为 380 V，190 V，190 V，变压器容量为 250 kVA，频率 50 Hz。仿真时间设为 0.4 s，仿真结果如图 2 所示。

由图 2（a）可知，交流侧电流基本为正弦波；由图 2（b）可知，交流侧电流谐波中，除了基波外，11次和13 次谐波比较明显，说明了式（2）的正确性；由图 2（c）可知，U_d = 511.9 V，U_d 满足与 U₂ 的关系：U_d = 1.34～1.45U₂，即 U_d 在 509.5～551 V 范围内变化；由图 2（d）可知 i_d = 50 A，满足关系式 I_d = U_d/R。由图 2（e）可知，交流侧电流的总谐波畸变率为 11.88%，谐波失真较小。

同6脉冲整流相比，在相同负载下12脉冲整流的谐波畸形率大大降低，交流侧的电流波形较平滑，接近正弦波，直流侧电流和电压波形也更加平滑。由于在电路中采用了移相变压器，交流侧电流中的 5次、7次、17次和19 次谐波相互抵消，只剩下 11次、13 次谐波^[7]，即12脉冲整流电路可以很好地抑制某些特定次数的谐波。

1.2 18脉冲整流

18脉冲整流电路的原理如图 3 所示。T₁，T₂ 和 T₃ 为串联的三组整流桥；T 为整流变压器，二次侧绕组分别采用 Z 形、Y 形和 Z 形联结，构成相差 20° 的三组电压，这样连接可以保证这三组交流电源的线电压相等^[8]。

对于18脉冲整流电路，则将 p = 18 代入式（1）中，可得：

$\begin{split}{i_a} = & \frac{{6\sqrt 3 }}{\pi }{I_d}\left[ {\sin (\omega t) + \frac{1}{{17}}\sin (17\omega t) + \frac{1}{{19}}\sin (19\omega t)} \right. + \\& \left. { \frac{1}{{35}}\sin (35\omega t) + \frac{1}{{37}}\sin (37\omega t) + \ldots } \right]\text{。}\end{split}$

(3)

由式（3）可知，从理论上来说，十八脉冲整流电路的网侧电流中只含有 18k ± 1 次谐波，相比 12 脉冲，谐波含量降低。为了验证该结论，根据图 3 原理在 Matlab/simulink 中搭建18脉冲整流电路模型。其中，一次绕组采用星形连接，次级线圈分别采用 Z 形连接、Y 形连接及 Z 形连接^[9]。线电压分别设为 380 V，127 V，127 V，127 V。2 个 Z 形连接变压器分别设定超前 20° 及滞后 20°。仿真时间设为 0.4 s，则仿真结果如图 4 所示。

图 4（a）、图 4（c）和图 4（d）的分析同图 2。由图 4（b）可知，交流侧电流谐波中，17次和19 次谐波比较明显，验证了式（3）的正确性；由图 4（e）可知，交流侧电流的总谐波畸变率为 6.91%，较6脉冲及12脉冲整流电路而言，18脉冲整流电路的谐波失真更小。

同样地，与6脉冲及12脉冲相比，在相同负载情况下18脉冲的谐波畸变率大大降低，交流侧的电流波形很平滑，更加接近正弦波，直流侧电流和电压波形也更加平滑。由于采用了移相变压器，交流侧电流中的 5次、7次、11次 及 13 次谐波相互抵消，且 17次 和 19 次谐波成份很小，对系统的运行性能影响较小，所以十八脉冲整流电路可以很好地抑制更多特定次数的谐波。

1.3 24四脉冲整流

24脉冲整流电路原理如图 5 所示。T₁，T₂，T₃ 和 T₄ 为串联的四组整流桥；T 为四组整流变压器，二次侧绕组分别采用 Z 形、Y 形、Z 形和 ∆ 形联结，构成相位差为 15° 的四组电压，可产生 24 脉冲。四组交流电源的线电压相等^[11]。

对于24脉冲整流电路，则将 p = 24 代入式（1）中，可得：

$\begin{split}{i_a} = \frac{{8\sqrt 3 }}{\pi }{I_d}\left[ {\sin (\omega t) + \frac{1}{{23}}\sin (23\omega t) + \frac{1}{{25}}\sin (25\omega t)} \right. + \\\left. {\frac{1}{{47}}\sin (47\omega t) + \frac{1}{{49}}\sin (49\omega t) + \ldots } \right]\text{。}\end{split}$

(4)

由式（4）可知，24脉冲整流电路的网侧电流中只含有 24k ± 1 次谐波，谐波含量进一步降低了。为了验证该结论，根据图 5 在 Matlab/Simulink 中搭建24脉冲整流电路模型。其中，一次绕组采用星形连接，次级线圈分别采用 Z 形连接、Y 形连接、Z 形连接及 ∆ 形连接。线电压分别设为 380 V，95 V，95 V，95 V，95 V，2 个 Z 形连接变压器分别设定超前 15° 及滞后 15°，由于连接不同，三角形连接与星形连接相差 30°。仿真时间设为 0.4 s，则仿真结果如图 6 所示。

同理，图 6（a）、图 6（c）和图 6（d）的分析同图 2。由图 6（d）可知，交流侧电流的总谐波畸变率为 4.8%，谐波失真已经很小。同6脉冲、12脉冲以及18脉冲相比，在相同负载下，24脉冲整流器的谐波畸变率大大降低，交流侧的电流波形几乎已经是正弦波，直流侧电流和电压波形更加平滑且没有纹波。同样地，由于采用了移相变压器，5次、7次、11次、13次及 19 次谐波相互抵消，所剩下的高次谐波成份很小，对系统的运行性能影响不大，所以24脉冲整流电路也可以很好地抑制某些特定次数的谐波^[12]。

比较图 2、图 4 和图 6 可得，24脉冲整流电路较6脉冲、12脉冲及18脉冲的谐波失真更小。

　　综上，船舶电力推进系统采用多脉冲变压整流器，可以有效减小谐波的影响，提高船舶电网的稳定性，且满足中国船级社的要求^[12]。

2 结　语

多脉冲整流技术广泛应用于船舶电力推进系统的大功率直流电源中，可有效减小电网系统谐波。本文在分析多脉冲变压整流器原理的基础上，通过在 Matlab/simulink 中搭建仿真模型来进一步分析网侧电流谐波。通过仿真结果可看出，多脉冲变压整流器输出电压稳定，特别是24脉冲整流，能够消除网侧电流中的 5次、7次、11次、13次及 19 次谐波，大大提高了波形质量和正弦度，且能保证此时的电网质量可以满足船级社的规定。总之，12相、18相及24相多脉冲变压整流电路都可以在一定程度上抑制特定次数的谐波，可根据船舶参数、需求及用途等应不同的到对功率因数要求较高的电力推进船舶系统中。