1.1课题研究目的及意义

近年来，随着电力半导体器件和现代控制技术的快速发展，电力电子设备的性能不断优化，功率等级不断增大，应用范围日益广泛。以二极管或晶闸管为基本功率器件的整流电路具有结构简单、成本较低、可靠性高的优点，是连接电力系统网络的最主要的电力电子装置，大量应用于电化学处理、不间断电源、高压直流输电和交直流传动等领域。由于电力半导体器件的非线性和时变性，在公用电网中产生大量的谐波。谐波会增加电力网络的无功损耗，降低整流电路的效率和功率因数，使得电网侧的电压、电流产生畸变，并对邻近的设备造成影响，引起多种不良效应，如串、并联谐振引起的过电压、过电流、机械谐振等，危及设备安全。如何有效地抑制谐波，保证设备的正常运行，减小电力电子变流器对电网的谐波污染，是当前研究的一个重要方向。

为了减小电力系统中的谐波含量，提高电网电能质量，解决AC-DC整流过程中输入kHz级交流电变换为高品质的直流电这一难题。采用一种24脉波整流技术，其中包括多绕组移相整流变压器和整流桥等部件。其中三相电路供电的变压器的二次线圈互相存在一个相位差，实现了输入多重化，多重联结多个全桥或半桥整流电路对同一直流负载供电，使一个整流电路产生的谐波可以被其他整流电路产生的谐波所抵消，由此可以消除变频器各单元产生的谐波对电网的污染，是高压变频器成为“绿色”电力电子产品的重要组成部分。

如果设计不当，可能会增加成本，并且在使用运行过程中，绕组在辐向力和轴向力的共同作用下造成绕组结构强度不足或支撑结构强度不足，进而导致绕组变形或者轴向或辐向失稳，导致线圈产生变形，使其局部或整体受到破坏，从而出现安全问题。因此，使用电磁场仿真分析软件Maxwell 2D/3D对10kW的24脉波整流系统中多绕组移相整流变压器进行静磁场、瞬态场和线圈在空载和短路情况下的受力情况等方面的理论分析和设计研究，可以进一步深化多移相整流变压器的理论，为以后大容量的多绕组移相整流变压器研究提供一定的技术基础。

1.2国内外研究现状

1996年，Paice在其经典著作《PowerElectronics Converter Harmonics : Multipulse Methods for Clean Power》中首次系统的阐述了MPR的原理及其应用，并分析和设计了多种结构的12和18脉波自耦变压器。进入21世纪以来，众多国家和研究机构纷纷加大了对多脉波整流技术的研究力度。其中以美国Texas A amp; M University和Rensselaer Polytechnic Institute、韩国Seoul National Polytechnical University、日本Tokyo Denki University和印度Instituteof Technology为主，从移相变压器结构、多抽头变换器结构及直流侧谐波抑制方法等方面对多脉波整流技术展开了研究。

在国内，海军工程大学、哈尔滨工业大学、湖南大学等针对抽头变换器的优化设计与建模、移相电抗器抑制谐波机理和移相变压器的优化设计等方面进行了研究，并取得了丰富的研究成果，促进了我国多脉波整流技术的发展。

2011年，Singh等将二抽头变换器与基于抽头三角形、多边形和之字形等结构自耦变压器的12脉波整流系统结合，有效地降低了系统的网侧谐波含量。

由于增加整流脉波数能够显著降低输入线电流谐波总谐波畸变率（Total Harmonic Distortion，THD）值和输出电压纹波系数，因此获得尽可能高的整流脉波数成为多脉波整流系统的主要设计目标之一。增加移相变压器输出相数是提高整流脉波数的传统途径，但这会显著增加变压器的复杂度。绕组数的增多不仅会加大设计难度，还会降低制造精度，导致系统对称性变差，从而降低系统的谐波抑制能力。在不增加移相变压器结构复杂性的前提下，增加整流脉波数主要有2种方法，一种使用二抽头变换器代替平衡电抗器，另一种使用有源平衡电抗器代替平衡电抗器。由于前者利用二极管的交替导通产生的环流抑制了输入电流谐波，因此称之为无源谐波抑制；而后者需要使用有源器件，可以称之为有源谐波抑制。

在只使用移相变压器进行移相而不进行升降压的场合，可以使用移相电抗器代替移相变压器。由于移相电抗器串联在主电路中，只对电压进行移相，而不承担升压和降压功能，所需要的移相线圈匝数相对较少，因此与移相变压器相比，其体积和质量要小得多。K.Oguchi等设计了一种采用移相电抗器的多脉波整流系统。移相电抗器输出的2组三相电压分别给2个二极管整流桥供电，可以根据要消除的谐波次数来设置不同的移相角。通过对直流侧电流的调制进一步抑制了交流侧电流谐波。这类系统的主要缺点是不能完全消除特征次谐波。