사각형입니다.

https://doi.org/10.6113/JPE.2019.19.2.463

ISSN(Print): 1598-2092 / ISSN(Online): 2093-4718



Effect of Winding Configuration on the kVA Rating of Wye-connected Autotransformer Applied to 12- pulse Rectifier


Fangang Meng, Qingxiao Du*, Lei Gao*, Quanhui Li*, and Zhongcheng Man*


†,*School of Electrical Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin, China



Abstract

This paper presents the effect of winding configuration on the kVA rating of a wye-connected autotransformer applied to a 12-pulse rectifier. To describe the winding configuration of the wye-connected autotransformer, position and proportional parameters are defined and their quantitative relation is calculated. The voltages across and currents through the windings are measured under different winding connections. Consequently, a relation between the kVA rating and position parameter is established in accordance with the analysis, and the optimal winding configuration is obtained on the basis of this relation. A wye-connected autotransformer with the least equivalent kVA rating and simplest winding configuration is designed and applied to the 12-pulse rectifier. Simulations and experiments are conducted to validate the theoretical analysis.


Key words: kVA rating, Optimal design, Winding configuration, Wye-connected autotransformer


Manuscript received Oct. 30, 2018; accepted Dec. 14, 2018

Recommended for publication by Associate Editor Li Zhang.

Corresponding Author: mfg0327@sina.com Tel: +86-631-5687068, Harbin Institute of Technology

*School of Electrical Engineering, Harbin Institute of Technology, China



Ⅰ. INTRODUCTION

Multi-pulse rectifiers (MPRs) with low electromagnetic interference are widely used in high-power rectifications due to their superior performances in harmonic elimination at AC input and ripple reduction at DC output [1]-[3]. Generally, the MPR is composed of a phase-shifting transformer and two or more three-phase rectifiers [4]. The phase-shifting transformer is used to produce two or more sets of three-phase voltages and to feed the three-phase rectifiers. Moreover, the primary magnetic device in the MPR is the phase-shifting transformer, which determines the MPR volume. To improve the power density of the MPR, the volume of the phase-shifting transformer should be reduced [5]-[7]. In general, the volume of the phase-shifting transformer is determined by its kVA rating. Therefore, reducing the kVA rating of the phase-shifting transformer has become a popular topic in the design of MPRs.

The phase-shifting transformer is classified into two types, namely, isolated transformer and autotransformer [8], [9]. If the required output voltage is considerably higher or lower than the input voltage, then the isolated transformer is preferred in the viewpoint of protection. For example, in electroplating, the load voltage is only approximately 10 or more volts, which is considerably lower than the input voltages. In this application, the isolated transformer is preferred. The isolated transformer uses the magnetic coupling to transmit the load power; hence, the apparent power of the isolated transformer is equal to or more than the load power [10]. Therefore, if the isolated transformer is used as the phase-shifting transformer, then the MPR is bulky. If the required output voltage of the phase-shifting transformer is approximately equal to its input voltage, then the autotransformer is the best option as the phase-shifting transformer. As the windings of the autotransformer are interconnected, only a small fraction of the load power is transmitted by magnetic coupling [11]-[13]. Therefore, the apparent power of the autotransformer is less than the load power, thereby reducing the bulk of the phase-shifting transformer.

In MPRs, the autotransformer is classified into six, nine, 12, or more phases in accordance with the phase number. Among them, the six-phase autotransformer is frequently used because of its least kVA rating under the same load power. This autotransformer includes delta-, wye-, and polygon-connected autotransformers. Although the autotransformers are often used for high-power rectification, not all arbitrarily configurated autotransformers can reduce the MPR bulk. In [11], Meng et al. analyzed the winding configuration on the kVA rating of a delta-connected autotransformer; they reported that the bulk can only be reduced when the autotransformer is optimally designed. In this study, we analyze the winding configuration on the kVA rating of the wye-connected autotransformer and provide an interesting and useful confirmation that the well-used circuit is optimal in terms of kVA rating. Finally, we provide an additional insight into these devices and how they may be analyzed.



Ⅱ. REQUIREMENT OF 12-PULSE RECTIFIER ON THE WYE-CONNECTED AUTOTRANSFORMER

Fig. 1 shows a 12-pulse rectifier with a wye-connected autotransformer. In Fig. 1, an inter-phase reactor (IPR) is used to absorb the instantaneous difference of the output voltages and ensure the independent operation of the two bridge rectifiers [14]. A zero-sequence blocking transformer is utilized to promote a 120° conduction for each rectifier diode due to high impedance to zero sequence currents [14]. The main function of the wye-connected autotransformer in Fig. 1 is to produce two sets of three-phase voltages with appropriate phase-shift angles. As discussed in [15], to eliminate the (12k±1)th (k is an odd number) harmonics, the phase-shift angle should meet

그림입니다.
원본 그림의 이름: image1.png
원본 그림의 크기: 가로 610pixel, 세로 320pixel                  (1)

where M denotes the number of three-phase diode bridge rectifiers.

Therefore, the phase-shift angle between the sets of three-phase voltages should be 30°. Assume the input three-phase voltage of the wye-connected autotransformer as

그림입니다.
원본 그림의 이름: image2.png
원본 그림의 크기: 가로 1626pixel, 세로 768pixel            (2)

where Um is the amplitude of the three-phase input voltage.

From Eqs. (1) and (2), the two sets of three-phase output voltages of the wye-connected autotransformer can be expressed as

그림입니다.
원본 그림의 이름: image3.png
원본 그림의 크기: 가로 1976pixel, 세로 768pixel           (3)

그림입니다.
원본 그림의 이름: image4.png
원본 그림의 크기: 가로 1976pixel, 세로 768pixel           (4)

where Un represents the amplitude of the three-phase output voltage.



Ⅲ. WINDING CONFIGURATIONS OF THE WYE-CONNECTED AUTOTRANSFORMER

The windings of the wye-connected autotransformer can be divided into three types, namely, wye-connected, auxiliary, and extended windings, as shown in Fig. 1. On the basis of positional relations, four winding configurations of the wye-connected autotransformer are available, as shown in Fig. 2. Fig. 3 presents the corresponding phasor diagrams of these winding configurations.


그림입니다.
원본 그림의 이름: image5.png
원본 그림의 크기: 가로 3076pixel, 세로 1155pixel

Fig. 1. 12-pulse rectifier with wye-connected autotransformer.


Fig. 2. Winding configurations of the wye-connected autotransformer under different k1 and k2 values. (a) k1 ≥ 0 and k2 ≥ 0. (b) k1 ≤ 0 and k2 ≥ 0. (c) k1 ≥ 0 and k2 ≤ 0. (d) k1 ≤ 0 and k2 ≤ 0.

그림입니다.
원본 그림의 이름: image6.png
원본 그림의 크기: 가로 1859pixel, 세로 1424pixel

(a)

그림입니다.
원본 그림의 이름: image7.png
원본 그림의 크기: 가로 1843pixel, 세로 1424pixel

(b)

그림입니다.
원본 그림의 이름: image8.png
원본 그림의 크기: 가로 1718pixel, 세로 1448pixel

(c)

 

그림입니다.
원본 그림의 이름: image9.png
원본 그림의 크기: 가로 1776pixel, 세로 1424pixel

(d)


Fig. 3. Phasor diagram of the wye-connected autotransformer under different k1 and k2 values. (a) k1 ≥ 0 and k2 ≥ 0. (b) k1 ≤ 0 and k2 ≥ 0. (c) k1 ≥ 0 and k2 ≤ 0. (d) k1 ≤ 0 and k2 ≤ 0.

그림입니다.
원본 그림의 이름: image19.png
원본 그림의 크기: 가로 1526pixel, 세로 1427pixel

(a)

그림입니다.
원본 그림의 이름: image20.png
원본 그림의 크기: 가로 1268pixel, 세로 1433pixel

(b)

그림입니다.
원본 그림의 이름: image21.png
원본 그림의 크기: 가로 1626pixel, 세로 1422pixel

(c)

그림입니다.
원본 그림의 이름: image22.png
원본 그림의 크기: 가로 1326pixel, 세로 1421pixel

(d)


In Fig. 3, with phase a as an example, 그림입니다.
원본 그림의 이름: image10.png
원본 그림의 크기: 가로 227pixel, 세로 189pixel is the phasor of the input phase voltage ua; 그림입니다.
원본 그림의 이름: image11.png
원본 그림의 크기: 가로 260pixel, 세로 189pixel and 그림입니다.
원본 그림의 이름: image12.png
원본 그림의 크기: 가로 277pixel, 세로 189pixel denote the phasors of output voltages ua1 and ua2, respectively. Given the wye connection of the winding configuration, the voltage across the wye-connected winding is equal to ua, the voltage across the auxiliary winding is equal to ua3a, and the voltage across the extended winding is equal to ua1a3.

In Figs. 3(a) and 3(b), 그림입니다.
원본 그림의 이름: image13.png
원본 그림의 크기: 가로 227pixel, 세로 189pixel, 그림입니다.
원본 그림의 이름: image14.png
원본 그림의 크기: 가로 360pixel, 세로 189pixel, 그림입니다.
원본 그림의 이름: image15.png
원본 그림의 크기: 가로 310pixel, 세로 189pixel, and 그림입니다.
원본 그림의 이름: image16.png
원본 그림의 크기: 가로 310pixel, 세로 189pixel are the phasors of output voltages uc, ua1a3, ua1a, and ua3a, respectively. Figs. 3(a) and 3(b) show that 그림입니다.
원본 그림의 이름: image17.png
원본 그림의 크기: 가로 327pixel, 세로 169pixel is parallel to 그림입니다.
원본 그림의 이름: image18.png
원본 그림의 크기: 가로 210pixel, 세로 169pixel, and 그림입니다.
원본 그림의 이름: image16.png
원본 그림의 크기: 가로 310pixel, 세로 189pixel is parallel to 그림입니다.
원본 그림의 이름: image10.png
원본 그림의 크기: 가로 227pixel, 세로 189pixel, respectively. The relation among 그림입니다.
원본 그림의 이름: image23.png
원본 그림의 크기: 가로 227pixel, 세로 179pixel, 그림입니다.
원본 그림의 이름: image24.png
원본 그림의 크기: 가로 277pixel, 세로 189pixel, 그림입니다.
원본 그림의 이름: image16.png
원본 그림의 크기: 가로 310pixel, 세로 189pixel, 그림입니다.
원본 그림의 이름: image14.png
원본 그림의 크기: 가로 360pixel, 세로 189pixel, and 그림입니다.
원본 그림의 이름: image15.png
원본 그림의 크기: 가로 310pixel, 세로 189pixel meets

그림입니다.
원본 그림의 이름: image25.png
원본 그림의 크기: 가로 1277pixel, 세로 979pixel               (5)

Figs. 3(c) and 3(d) illustrate that 그림입니다.
원본 그림의 이름: image14.png
원본 그림의 크기: 가로 360pixel, 세로 189pixel is parallel to 그림입니다.
원본 그림의 이름: image26.png
원본 그림의 크기: 가로 227pixel, 세로 189pixel, and 그림입니다.
원본 그림의 이름: image16.png
원본 그림의 크기: 가로 310pixel, 세로 189pixel is parallel to 그림입니다.
원본 그림의 이름: image10.png
원본 그림의 크기: 가로 227pixel, 세로 189pixel, respectively. The relation among 그림입니다.
원본 그림의 이름: image10.png
원본 그림의 크기: 가로 227pixel, 세로 189pixel, 그림입니다.
원본 그림의 이름: image24.png
원본 그림의 크기: 가로 277pixel, 세로 189pixel, 그림입니다.
원본 그림의 이름: image16.png
원본 그림의 크기: 가로 310pixel, 세로 189pixel, 그림입니다.
원본 그림의 이름: image14.png
원본 그림의 크기: 가로 360pixel, 세로 189pixel, and 그림입니다.
원본 그림의 이름: image15.png
원본 그림의 크기: 가로 310pixel, 세로 189pixel meets

그림입니다.
원본 그림의 이름: image27.png
원본 그림의 크기: 가로 1277pixel, 세로 979pixel               (6)

where k1 represents the position parameter of the auxiliary winding, which reflects the position relative to the wye-connected windings and turn numbers of the auxiliary winding, and k2 refers to the proportional parameter of the extended winding, which reflects the polarity relative to the wye-connected windings and turn numbers of the extended winding.

In Eq. (6), k1 and k2 are scalars, which can be greater or smaller than zero. As shown in Fig. 2 and Fig. 3, to set phase a as an example, when k1 is greater than zero, 그림입니다.
원본 그림의 이름: image16.png
원본 그림의 크기: 가로 310pixel, 세로 189pixel is in the direction of 그림입니다.
원본 그림의 이름: image10.png
원본 그림의 크기: 가로 227pixel, 세로 189pixel; the auxiliary winding a3a and wye-connected winding ao are different and connected to point a. When k1 is less than zero, 그림입니다.
원본 그림의 이름: image16.png
원본 그림의 크기: 가로 310pixel, 세로 189pixel is opposite to 그림입니다.
원본 그림의 이름: image10.png
원본 그림의 크기: 가로 227pixel, 세로 189pixel; the auxiliary winding a3a is part of wye-connected winding ao. When k2 is greater than zero, 그림입니다.
원본 그림의 이름: image14.png
원본 그림의 크기: 가로 360pixel, 세로 189pixel and 그림입니다.
원본 그림의 이름: image28.png
원본 그림의 크기: 가로 360pixel, 세로 189pixel are parallel to 그림입니다.
원본 그림의 이름: image13.png
원본 그림의 크기: 가로 227pixel, 세로 189pixel and 그림입니다.
원본 그림의 이름: image26.png
원본 그림의 크기: 가로 227pixel, 세로 189pixel, respectively; the extended winding and corresponding wye-connected winding have the same polarity. When k2 is lower than zero, 그림입니다.
원본 그림의 이름: image14.png
원본 그림의 크기: 가로 360pixel, 세로 189pixel and 그림입니다.
원본 그림의 이름: image28.png
원본 그림의 크기: 가로 360pixel, 세로 189pixel are opposite to 그림입니다.
원본 그림의 이름: image26.png
원본 그림의 크기: 가로 227pixel, 세로 189pixel and 그림입니다.
원본 그림의 이름: image13.png
원본 그림의 크기: 가로 227pixel, 세로 189pixel, respectively; the extended winding and corresponding wye-connected winding have opposite polarity.

As shown in Figs. 2(a) and 3(a), when k1 ≥ 0 and k2 ≥ 0, the relation among N1, NY, Nq, k1, and k2 meets

그림입니다.
원본 그림의 이름: image29.png
원본 그림의 크기: 가로 1260pixel, 세로 367pixel              (7)

where NY is the turn number of the wye-connected winding, N1 represents the turn number of the auxiliary winding, and Nq denotes the turn number of the extended winding.

As shown in Figs. 2(b) and 3(b), when k1 ≤ 0 and k2 ≥ 0, the relation among N1, NY, Nq, k1, and k2 meets

그림입니다.
원본 그림의 이름: image30.png
원본 그림의 크기: 가로 1343pixel, 세로 367pixel              (8)

As shown in Figs. 2(c) and 3(c), when k1 ≥ 0 and k2 ≤ 0, the relation among N1, NY, Nq, k1, and k2 meets

그림입니다.
원본 그림의 이름: image31.png
원본 그림의 크기: 가로 1343pixel, 세로 367pixel              (9)

As shown in Figs. 2(d) and 3(d), when k1 ≤ 0 and k2 ≤ 0, the relation among N1, NY, Nq, k1, and k2 meets

그림입니다.
원본 그림의 이름: image32.png
원본 그림의 크기: 가로 1426pixel, 세로 367pixel            (10)

On the basis of Eqs. (5) and (6), the wye-connected, auxiliary, and extended windings are duly connected to produce output voltages with an appropriate phase-shift angle. Therefore, to achieve the phase-shift angle, k1 and k2 should meet some expressions.


A. Constraint Condition Between Parameters

Assume that Um is equal to 1. The turn ratio of the wye-connected autotransformer is defined as

그림입니다.
원본 그림의 이름: image33.png
원본 그림의 크기: 가로 1176pixel, 세로 350pixel               (11)

Fig. 3(a) shows the phasor diagram when k1 ≥ 0 and k2 ≥ 0. Triangle oa1a3 proves that

그림입니다.
원본 그림의 이름: image34.png
원본 그림의 크기: 가로 2259pixel, 세로 317pixel         (12)

Fig. 3(b) presents the phasor diagram when k1 ≤ 0 and k2 ≥ 0. Triangle oa1a3 shows that

그림입니다.
원본 그림의 이름: image34.png
원본 그림의 크기: 가로 2259pixel, 세로 317pixel         (13)

On the basis of Eqs. (12) and (13), when k2 ≥ 0, k2 and k can be expressed as

그림입니다.
원본 그림의 이름: image35.png
원본 그림의 크기: 가로 1460pixel, 세로 646pixel            (14)

Fig. 3(c) displays the phasor diagram when k1 ≥ 0 and k2 ≤ 0. Triangle oa1a3 demonstrates that

그림입니다.
원본 그림의 이름: image38.png
원본 그림의 크기: 가로 2309pixel, 세로 317pixel       (15)

Fig. 3(d) exhibits the phasor diagram when k1 ≤ 0 and k2 ≤ 0. Triangle oa1a3 establishes that

그림입니다.
원본 그림의 이름: image38.png
원본 그림의 크기: 가로 2309pixel, 세로 317pixel       (16)

On the basis of Eqs. (15) and (16), when k2 ≤ 0, k2 and k can be expressed as

그림입니다.
원본 그림의 이름: image39.png
원본 그림의 크기: 가로 1410pixel, 세로 818pixel            (17)

As shown in Fig. 3, k1 should be greater than −1. Fig. 4(a) presents the relation between k1 and k2, whereas Fig. 4(b) visualizes the relation between k1 and turn ratio k.


Fig. 4. Relation among k1, k2, and k. (a) Relation diagram between k1 and k2. (b) Relation between k1 and k.

그림입니다.
원본 그림의 이름: 4.a.bmp
원본 그림의 크기: 가로 567pixel, 세로 404pixel

(a)

그림입니다.
원본 그림의 이름: 4.b.bmp
원본 그림의 크기: 가로 567pixel, 세로 396pixel

(b)


B. Currents Through Windings under Different Winding Configurations

The current through the windings under different winding configurations is calculated.

In Fig. 2(a), from the Ampere-turn equal law,

그림입니다.
원본 그림의 이름: image40.png
원본 그림의 크기: 가로 1710pixel, 세로 710pixel           (18)

From Kirchhoff’s current law,

그림입니다.
원본 그림의 이름: image41.png
원본 그림의 크기: 가로 1809pixel, 세로 628pixel          (19)

Therefore, to set the core limb (a) as an example, the currents through the auxiliary and extended windings and the input line current ia are calculated as

그림입니다.
원본 그림의 이름: image42.png
원본 그림의 크기: 가로 2626pixel, 세로 1096pixel    (20)

Substituting Eq. (7) into Eq. (20) yields

그림입니다.
원본 그림의 이름: image44.png
원본 그림의 크기: 가로 2042pixel, 세로 638pixel         (21)

Under large inductive load, the load current can be assumed to be a constant value Id, and the output currents of the bridge rectifiers can be expressed as

그림입니다.
원본 그림의 이름: image45.png
원본 그림의 크기: 가로 910pixel, 세로 141pixel                 (22)

Output currents ia1, ib1, ic1, ia2, ib2, and ic2 of the autotransformer meet

그림입니다.
원본 그림의 이름: image46.png
원본 그림의 크기: 가로 1676pixel, 세로 638pixel            (23)

where Sa1, Sb1, Sc1, Sa2, Sb2, and Sc2 are the switching functions of phases a1, b1, c1, a2, b2, and c2, respectively.


그림입니다.
원본 그림의 이름: 5.bmp
원본 그림의 크기: 가로 959pixel, 세로 511pixel

Fig. 5. Switching function of Sa1.


Fig. 5 illustrates switching function Sa1 when the three-phase output voltages of the autotransformer meet Eqs. (3) and (4). The relation among the switching functions meets

그림입니다.
원본 그림의 이름: image47.png
원본 그림의 크기: 가로 2459pixel, 세로 714pixel       (24)

Substituting Eqs. (7) and (23) into Eq. (21) yields

그림입니다.
원본 그림의 이름: image48.png
원본 그림의 크기: 가로 2626pixel, 세로 638pixel      (25)

Fig. 6 shows currents i1 and i11, the input line current, and the spectrum when k1 = 1 and k2 = 그림입니다.
원본 그림의 이름: image49.png
원본 그림의 크기: 가로 627pixel, 세로 179pixel.


Fig. 6. Currents through the windings and input line current when k1 = 1 and k2 = 그림입니다.
원본 그림의 이름: image56.png
원본 그림의 크기: 가로 560pixel, 세로 160pixel. (a) Current through the wye-connected winding. (b) Current through the extended winding. (c) Input line current and (d) its spectrum.

그림입니다.
원본 그림의 이름: image52.png
원본 그림의 크기: 가로 2709pixel, 세로 1234pixel

(a)

그림입니다.
원본 그림의 이름: image53.png
원본 그림의 크기: 가로 2709pixel, 세로 1235pixel

(b)

그림입니다.
원본 그림의 이름: image54.png
원본 그림의 크기: 가로 2592pixel, 세로 1300pixel

(c)

그림입니다.
원본 그림의 이름: image55.png
원본 그림의 크기: 가로 2776pixel, 세로 1274pixel

(d)


Similarly, as shown in Figs. 2(b) and 3(b), when k1 ≤ 0 and k2 ≥ 0, the currents through the wye-connected and auxiliary windings can be calculated as

그림입니다.
원본 그림의 이름: image50.png
원본 그림의 크기: 가로 2626pixel, 세로 410pixel    (26)

Fig. 7 shows currents i1 and ia and the spectrum of the input line current when k1 = −0.5 and k2 = 그림입니다.
원본 그림의 이름: image51.png
원본 그림의 크기: 가로 860pixel, 세로 179pixel.


Fig. 7. Currents through the windings and input line current when k1 = −0.5 and k2 = 그림입니다.
원본 그림의 이름: image60.png
원본 그림의 크기: 가로 776pixel, 세로 160pixel. (a) Current through the bottom winding of the wye-connected winding. (b) Current through the top winding of the wye-connected winding, which is also the input line current. (c) Spectrum of the input line current.

그림입니다.
원본 그림의 이름: image57.png
원본 그림의 크기: 가로 2526pixel, 세로 1180pixel

(a)

그림입니다.
원본 그림의 이름: image58.png
원본 그림의 크기: 가로 2626pixel, 세로 1177pixel

(b)

그림입니다.
원본 그림의 이름: image59.png
원본 그림의 크기: 가로 2493pixel, 세로 1166pixel

(c)


Similarly, as shown in Figs. 2(c) and 3(c), when k1 ≥ 0 and k2 ≤ 0, the currents through the auxiliary and extended windings and input line current ia are calculated as

그림입니다.
원본 그림의 이름: image66.png
원본 그림의 크기: 가로 2626pixel, 세로 638pixel     (27)

Fig. 8 shows currents i1 and i11, input line current, and the spectrum when k1 = 1 and k2 = 그림입니다.
원본 그림의 이름: image67.png
원본 그림의 크기: 가로 527pixel, 세로 179pixel.


Fig. 8. Currents through the windings and input line current when k1 = 1 and k2 = 그림입니다.
원본 그림의 이름: image65.png
원본 그림의 크기: 가로 477pixel, 세로 160pixel. (a) Current through the wye-connected winding. (b) Current through the extended winding. (c) Input line current and (d) its spectrum.

그림입니다.
원본 그림의 이름: image61.png
원본 그림의 크기: 가로 2651pixel, 세로 1315pixel

(a)

그림입니다.
원본 그림의 이름: image62.png
원본 그림의 크기: 가로 2942pixel, 세로 1320pixel

(b)

그림입니다.
원본 그림의 이름: image63.png
원본 그림의 크기: 가로 2726pixel, 세로 1295pixel

(c)

그림입니다.
원본 그림의 이름: image64.png
원본 그림의 크기: 가로 2834pixel, 세로 1270pixel

(d)


Similarly, as shown in Figs. 2(d) and 3(d), when k1 ≤ 0 and k2 ≤ 0, the currents through the wye-connected and auxiliary windings are calculated as

그림입니다.
원본 그림의 이름: image68.png
원본 그림의 크기: 가로 2626pixel, 세로 410pixel      (28)

Fig. 9 shows currents i1 and ia and the spectrum of ia when k1 = −0.5 and k2 = 그림입니다.
원본 그림의 이름: image73.png
원본 그림의 크기: 가로 893pixel, 세로 179pixel.


Fig. 9. Currents through the windings and input line current when k1 = −0.5 and k2 = 그림입니다.
원본 그림의 이름: image72.png
원본 그림의 크기: 가로 660pixel, 세로 169pixel. (a) Current through the bottom winding of the wye-connected winding. (b) Current through the top winding of the wye-connected winding, which is also the input line current. (c) Spectrum of the input line current.

그림입니다.
원본 그림의 이름: image69.png
원본 그림의 크기: 가로 2617pixel, 세로 1239pixel

(a)

그림입니다.
원본 그림의 이름: image70.png
원본 그림의 크기: 가로 2617pixel, 세로 1269pixel

(b)

그림입니다.
원본 그림의 이름: image71.png
원본 그림의 크기: 가로 2584pixel, 세로 1209pixel

(c)


Figs. 6(d), 7(c), 8(d), and 9(c) show that the THD of the input line current is approximately 15.21% under different winding configurations, and the winding configuration does not affect the THD.



Ⅳ. RELATION BETWEEN CONFIGURATION PARAMETER AND KVA RATING

The kilovolt-ampere rating of the autotransformer is determined by the voltage across and current through the windings. The kilovolt-ampere rating can be expressed as

그림입니다.
원본 그림의 이름: image74.png
원본 그림의 크기: 가로 993pixel, 세로 188pixel                (29)

where U and I are the voltage across and current through the windings of the transformer.

In accordance with modulation theory, the output voltages of the two bridge rectifiers can be expressed as

그림입니다.
원본 그림의 이름: image75.png
원본 그림의 크기: 가로 1760pixel, 세로 410pixel           (30)

On the basis of Fig. 1, the load voltage can be expressed as

그림입니다.
원본 그림의 이름: image76.png
원본 그림의 크기: 가로 1110pixel, 세로 143pixel              (31)

From Eqs. (2)-(4), (11), and (14), when k2 ≥ 0, the relation between Un and Um meets

그림입니다.
원본 그림의 이름: image77.png
원본 그림의 크기: 가로 1643pixel, 세로 359pixel            (32)

Therefore, when k2 ≥ 0, the two groups of three-phase output voltages can be expressed as

그림입니다.
원본 그림의 이름: image78.png
원본 그림의 크기: 가로 2376pixel, 세로 1610pixel       (33)

From Eqs. (24) and (30)(33), when k2 ≥ 0, load voltage ud is calculated as

그림입니다.
원본 그림의 이름: image79.png
원본 그림의 크기: 가로 3092pixel, 세로 1283pixel       (34)

From Eq. (34), when k2 ≥ 0, the RMS value of load voltage is as follows:

그림입니다.
원본 그림의 이름: image80.png
원본 그림의 크기: 가로 1743pixel, 세로 193pixel          (35)

From Eqs. (2)-(4), (11), and (17), when k2 ≤ 0, the relation between Un and Um meets

그림입니다.
원본 그림의 이름: image81.png
원본 그림의 크기: 가로 1176pixel, 세로 359pixel              (36)

Therefore, when k2 ≤ 0, the two groups of three-phase output voltages can be expressed as

그림입니다.
원본 그림의 이름: image82.png
원본 그림의 크기: 가로 2076pixel, 세로 1610pixel         (37)

From Eqs. (24), (30), (31), and (37), when k2 ≤ 0, the load voltage ud is calculated as

그림입니다.
원본 그림의 이름: image83.png
원본 그림의 크기: 가로 3092pixel, 세로 1306pixel   (38)

From Eq. (38), when k2 ≤ 0, the RMS value of the load voltage is as follows:

그림입니다.
원본 그림의 이름: image84.png
원본 그림의 크기: 가로 1726pixel, 세로 400pixel           (39)

The currents through the extended windings are equal to ia1, ib1, ic1, ia2, ib2, and ic2. Therefore, the RMS values of the currents through the extended windings are calculated as

그림입니다.
원본 그림의 이름: image85.png
원본 그림의 크기: 가로 2226pixel, 세로 361pixel       (40)

The detailed calculation processes of the kVA rating of the wye-connected autotransformer when k1 ≥ 0 and k2 ≥ 0 are shown as follows.

When k1 ≥ 0 and k2 ≥ 0, the voltages across the wye-connected windings are the three-phase input voltages, and their RMS value is equal to Um. From Eq. (22), the RMS values of the currents through the wye-connected windings are as follows:

그림입니다.
원본 그림의 이름: image86.png
원본 그림의 크기: 가로 1576pixel, 세로 390pixel            (41)

On the basis of the definition of position parameter, the RMS value of the voltage across the auxiliary winding is equal to k1Um. Moreover, from Eq. (25), the RMS value of the current through the auxiliary winding is as follows:

그림입니다.
원본 그림의 이름: image87.png
원본 그림의 크기: 가로 726pixel, 세로 372pixel                 (42)

On the basis of the definition of proportional parameter, the RMS value of the voltage across the extended winding is equal to k2Um, and the current through the extended winding meets Eq. (40).

Therefore, when k1 ≥ 0 and k2 ≥ 0, the kVA rating is calculated as

그림입니다.
원본 그림의 이름: image88.png
원본 그림의 크기: 가로 3192pixel, 세로 359pixel     (43)

On the basis of Eq. (35), SkVA1 can also be expressed as

그림입니다.
원본 그림의 이름: image89.png
원본 그림의 크기: 가로 3242pixel, 세로 435pixel      (44)

The load power is defined as

그림입니다.
원본 그림의 이름: image90.png
원본 그림의 크기: 가로 610pixel, 세로 139pixel                  (45)

Substituting Eq. (30) into Eq. (44) yields

그림입니다.
원본 그림의 이름: image91.png
원본 그림의 크기: 가로 3092pixel, 세로 435pixel      (46)

The equivalent kVA rating Seq,kVA is expressed as

그림입니다.
원본 그림의 이름: image92.png
원본 그림의 크기: 가로 860pixel, 세로 352pixel                 (47)

Seq,kVA describes the relation between the kVA rating and configuration parameter under the same load power.

From Eqs. (46) and (47), when k1 ≥ 0 and k2 ≥ 0, the equivalent kVA rating is as follows

그림입니다.
원본 그림의 이름: image94.png
원본 그림의 크기: 가로 3059pixel, 세로 435pixel     (48)

Similarly, when k1 ≤ 0 and k2 ≥ 0, the equivalent kVA rating is calculated as

그림입니다.
원본 그림의 이름: image95.png
원본 그림의 크기: 가로 2726pixel, 세로 559pixel        (49)

When k1 ≥ 0 and k2 ≤ 0, the equivalent kVA rating is calculated as

그림입니다.
원본 그림의 이름: image96.png
원본 그림의 크기: 가로 3142pixel, 세로 435pixel       (50)

When k1 ≤ 0 and k2 ≤ 0, the equivalent kVA rating is calculated as

그림입니다.
원본 그림의 이름: image97.png
원본 그림의 크기: 가로 2709pixel, 세로 559pixel       (51)

From Eqs. (48), (49), (50), and (51), the equivalent kVA rating under different k1 and k2 values is obtained, as shown in Fig. 10.


그림입니다.
원본 그림의 이름: image93.png
원본 그림의 크기: 가로 3267pixel, 세로 1804pixel

Fig. 10. Equivalent kVA rating under different k1 and k2 values.


From Fig. 10, conclusions can be obtained as follows.

(1) When k2 ≥ 0 and k1 = 0, Seq,kVA is minimal, and the minimum is 0.2118. Therefore, when k2 ≥0 and k1 = 0, the kilovolt-ampere rating of the wye-connected autotransformer is approximately 21% of the load power. Fig. 11 shows the winding configuration and phasor diagram of the autotransformer when k2 ≥ 0 and k1 = 0. In comparison with other winding configurations when k2 ≥ 0 as shown in Figs. 2(a) and 2(b), the autotransformer has the simplest winding configuration when k2 ≥ 0 and k1 = 0. In addition, every core limb only has three windings. When k2 ≥ 0 and k1 = 0, the wye-connected autotransformer has the optimal configuration.

(2) When k2 ≥ 0 and k1 = 0, k = 그림입니다.
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원본 그림의 크기: 가로 893pixel, 세로 179pixel, which is less than one. Therefore, the autotransformer operates under a step-down condition in this case. When k2 ≥ 0 and k1 = 0, k2 = 그림입니다.
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원본 그림의 크기: 가로 543pixel, 세로 179pixel. Therefore, the ratio of NY to Nq in Fig. 11 (a) is 1/그림입니다.
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원본 그림의 크기: 가로 543pixel, 세로 179pixel.

(3) When the configuration of the wye-connected autotransformer is optimal, the turn ratio k is constant, indicating that the output voltages of the wye-connected autotransformer are constant. When various output voltages are required, the desired turn ratio is different from the optimal turn ratio. Furthermore, the appropriate k1 and k2 should be selected from Eqs. (14) and (17), respectively. In this manner, the configuration of the wye-connected autotransformer is not optimal.

(4) In fact, when k2 ≤ 0 and k1 = 0, the autotransformer has the simplest winding configuration, and every core limb only has three windings. Fig. 12 shows the winding configuration and phasor diagram when k2 ≤ 0 and k1 = 0, wherein the equivalent kilovolt-ampere rating of the autotransformer is approximately 0.2671. This value is greater than that of the autotransformer when k2 ≥ 0 and k1 = 0. Therefore, in the viewpoint of simplest winding configuration and least equivalent kilovolt-ampere rating, the winding configuration shown in Fig. 11(a) is optimal.


Fig. 11 Winding configuration and phasor diagram of the autotransformer when k2 ≥ 0 and k1 = 0. (a) Winding configuration. (b) Phasor diagram.

그림입니다.
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원본 그림의 크기: 가로 2076pixel, 세로 1375pixel

(a)

그림입니다.
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원본 그림의 크기: 가로 1626pixel, 세로 1387pixel

(b)


Fig. 12. Winding configuration and phasor diagram of the autotransformer when k2 ≤ 0 and k1 = 0. (a) Winding configuration. (b) Phasor diagram.

그림입니다.
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원본 그림의 크기: 가로 2059pixel, 세로 1388pixel

(a)

그림입니다.
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원본 그림의 크기: 가로 1484pixel, 세로 1365pixel

(b)



Ⅴ. EXPERIMENTAL VALIDATION

In this section, eight wye-connected autotransformers with different connections under various input voltages and loads are designed to verify the previous theoretical analysis. Fig. 13 shows pictures of the prototype.

Fig. 13. Pictures of the wye-connected autotransformers. (a) k2 ≥ 0 and k1 = −0.5. (b) k2 ≥ 0 and k1 = 0. (c) k2 ≥ 0 and k1 = 0.5. (d) k2 ≥ 0 and k1 = 1. (e) k2 ≤ 0 and k1 = −0.5. (f) k2 ≤ 0 and k1 = 0. (g) k2 ≤ 0 and k1 = 0.5. (h) k2 ≤ 0 and k1 = 1.

그림입니다.
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원본 그림의 크기: 가로 343pixel, 세로 303pixel

(a)

그림입니다.
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원본 그림의 크기: 가로 259pixel, 세로 303pixel

(b)

그림입니다.
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원본 그림의 크기: 가로 311pixel, 세로 303pixel

(c)

그림입니다.
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(d)

그림입니다.
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원본 그림의 크기: 가로 323pixel, 세로 303pixel

(e)

그림입니다.
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원본 그림의 크기: 가로 272pixel, 세로 301pixel

(f)

그림입니다.
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원본 그림의 크기: 가로 317pixel, 세로 301pixel

(g)

그림입니다.
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원본 그림의 크기: 가로 284pixel, 세로 303pixel

(h)


Experimental results are shown as follows:

(1) k2 ≥ 0 and k1 = −0.5: Fig. 14 shows the voltages across and current through the windings of core limb (a) and the load current and voltage when k2 ≥ 0 and k1 = −0.5. Assume that the autotransformer is symmetrical. The apparent power of the autotransformer is equal to 738.6 VA, and the load power is 1014.3 W. Therefore, the equivalent kVA is 0.728.

(2) k2 ≥ 0 and k1 = 0: Fig. 15 shows the voltages across and current through the windings of core limb (a) and the load current and voltage when k2 ≥ 0 and k1 = 0. The apparent power of the autotransformer is 211.6 VA, and the load power is 1011.8 W. Therefore, the equivalent kVA is 0.2091.

(3) k2 ≥ 0 and k1 = 0.5: Fig. 16 shows the voltages across and current through the windings of core limb (a) and the load current and voltage when k2 ≥ 0 and k1 = 0.5. The apparent power of the autotransformer is 502 VA, and the load power is 1029.6 W. Therefore, the equivalent kVA is 0.4876.

(4) k2 ≥ 0 and k1 = 1: Fig. 17 shows the voltages across and current through the windings of core limb (a) and the load current and voltage when k2 ≥ 0 and k1 = 1. The apparent power of the autotransformer is 723.9 VA, and the load power is 1085.9 W. Therefore, the equivalent kVA is 0.72.

(5) k2 ≤ 0 and k1 = −0.5: Fig. 18 shows the voltages across and current through the windings of core limb (a) and the load current and voltage when k2 ≤ 0 and k1 = −0.5. The apparent power of the autotransformer is 554.64 VA, and the load power is 959.76 W. Therefore, the equivalent kVA is 0.5779.

(6) k2 ≤ 0 and k1 = 0: Fig. 19 shows the voltages across and current through the windings of core limb (a) and the load current and voltage when k2 ≤ 0 and k1 = 0. The apparent power of the autotransformer is 388.8 VA, and the load power is 1458.4 W. Therefore, the equivalent kVA is 0.2666.

(7) k2 ≤ 0 and k1 = 0.5: Fig. 20 shows the voltages across and current through the windings of core limb (a) and the load current and voltage when k2 ≤ 0 and k1 = 0.5. The apparent power of the autotransformer is 763.91 VA, and the load power is 1447.4 W. Therefore, the equivalent kVA is 0.5278.

(8) k2 ≤ 0 and k1 = 1: Fig. 21 shows the voltages across and current through the windings of core limb (a) and the load current and voltage when k2 ≤ 0 and k1 = 1. The apparent power of the autotransformer is 1019 VA, and the load power is 1487.1 W. Therefore, the equivalent kVA is 0.6852.


Fig. 14. Voltage and current. (a) Through the wye-connected winding ao. (b) Through auxiliary winding aa3. (c) Extended winding b1b3. (d) The load voltage and current when k2 ≥ 0 and k1 = −0.5.

그림입니다.
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원본 그림의 크기: 가로 1784pixel, 세로 1410pixel

(a)

그림입니다.
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(b)

그림입니다.
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원본 그림의 크기: 가로 1710pixel, 세로 1409pixel

(c)

그림입니다.
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원본 그림의 크기: 가로 1710pixel, 세로 1409pixel

(d)


Fig. 15. Voltage and current. (a) Through the wye-connected winding ao. (b) Extended winding b1b. (c) The load voltage and current when k2 ≥ 0 and k1 = 0.

그림입니다.
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원본 그림의 크기: 가로 1693pixel, 세로 1409pixel

(a)

그림입니다.
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원본 그림의 크기: 가로 1743pixel, 세로 1409pixel

(b)

그림입니다.
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원본 그림의 크기: 가로 1743pixel, 세로 1409pixel

(c)


Fig. 16. Voltage and current. (a) Through the wye-connected winding ao. (b) Through auxiliary winding aa3, (c) Extended winding b1b3. (d) Load voltage and current when k2 ≥ 0 and k1 = 0.5.

그림입니다.
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원본 그림의 크기: 가로 1768pixel, 세로 1409pixel

(a)

그림입니다.
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원본 그림의 크기: 가로 1743pixel, 세로 1409pixel

(b)

그림입니다.
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원본 그림의 크기: 가로 1768pixel, 세로 1409pixel

(c)

그림입니다.
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원본 그림의 크기: 가로 1768pixel, 세로 1409pixel

(d)


Fig. 17. Voltage and current. (a) Through the wye-connected winding ao. (b) Through auxiliary winding a3a, (c) Extended winding b1b3. (d) The load voltage and current when k2 ≥ 0 and k1 = 1.

그림입니다.
원본 그림의 이름: image123.png
원본 그림의 크기: 가로 1743pixel, 세로 1409pixel

(a)

그림입니다.
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원본 그림의 크기: 가로 1768pixel, 세로 1409pixel

(b)

그림입니다.
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원본 그림의 크기: 가로 1743pixel, 세로 1409pixel

(c)

그림입니다.
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원본 그림의 크기: 가로 1743pixel, 세로 1409pixel

(d)


Fig. 18. Voltage and current. (a) Through the wye-connected winding ao, (b) Through auxiliary winding aa3. (c) Extended winding b3b2. (d) The load voltage and current when k2 ≤ 0 and k1 = −0.5.

그림입니다.
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원본 그림의 크기: 가로 1693pixel, 세로 1409pixel

(a)

그림입니다.
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원본 그림의 크기: 가로 1743pixel, 세로 1409pixel

(b)

그림입니다.
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(c)

그림입니다.
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원본 그림의 크기: 가로 1743pixel, 세로 1409pixel

(d)


Fig. 19. Voltage and current. (a) Through the wye-connected winding ao. (b) Extended winding b3b2. (c) The load voltage and current when k2 ≤ 0 and k1 = 0.

그림입니다.
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원본 그림의 크기: 가로 1768pixel, 세로 1409pixel

(a)

그림입니다.
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원본 그림의 크기: 가로 1768pixel, 세로 1409pixel

(b)

그림입니다.
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원본 그림의 크기: 가로 1768pixel, 세로 1409pixel

(c)


Fig. 20. Voltage and current. (a) Through the wye-connected winding ao. (b) Through auxiliary winding aa3. (c) Extended winding b2b3. (d) The load voltage and current when k2 ≤ 0 and k1 = 0.5.

그림입니다.
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원본 그림의 크기: 가로 1768pixel, 세로 1409pixel

(a)

그림입니다.
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(b)

그림입니다.
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원본 그림의 크기: 가로 1743pixel, 세로 1409pixel

(c)

그림입니다.
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원본 그림의 크기: 가로 1768pixel, 세로 1409pixel

(d)


Fig. 21. Voltage and current. (a) Through the wye-connected winding ao, (b) Through auxiliary winding aa3. (c) Extended winding b3b2. (d) The load voltage and current when k2 ≤ 0 and k1 = 1.

그림입니다.
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원본 그림의 크기: 가로 1768pixel, 세로 1409pixel

(a)

그림입니다.
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원본 그림의 크기: 가로 1768pixel, 세로 1409pixel

(b)

그림입니다.
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원본 그림의 크기: 가로 1768pixel, 세로 1409pixel

(c)

그림입니다.
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원본 그림의 크기: 가로 1768pixel, 세로 1409pixel

(d)


그림입니다.
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원본 그림의 크기: 가로 2959pixel, 세로 1570pixel

Fig. 22. Relation between the position and equivalent kVA rating under experiments.


Experimental results illustrate the relation between the position and equivalent kVA rating, as shown in Fig. 22. The equivalent kVA rating is minimal when k2 ≥ 0 and k1 = 0, which is identical to the theoretical analysis.

Theoretical analysis and simulation results show that, when k2 ≥ 0 and k1 = 0, the wye-connected autotransformer has the least equivalent kVA rating and the simplest winding configuration. When k2 ≥ 0 and k1 = 0, the proportional parameter is 그림입니다.
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원본 그림의 크기: 가로 543pixel, 세로 179pixel, and the turn ratio is equal to 0.8966.



Ⅵ. CONCLUSIONS

This study analyzes the effect of winding configuration on the kVA rating of a wye-connected autotransformer applied to a 12-pulse rectifier. Conclusions are obtained as follows:

(1) The position and proportional parameters are defined to describe the winding configuration of the wye-connected autotransformer. When the proportional parameter is greater than zero and the position parameter is equal to zero, the winding configuration of the wye-connected autotransformer is optimal. The optimal autotransformer has three windings on every core limb. When the autotransformer is applied to the 12-pulse rectifier, its equivalent kVA rating is approximately 21%.

(2) The winding configuration of the wye-connected autotransformer remarkably affects its equivalent kVA rating. Not all autotransformers of arbitrary winding configuration can reduce the equivalent kVA rating. The autotransformer has the least equivalent kVA rating and the simplest winding configuration only when it is optimally designed.

(3) The proposed method provides an interesting and useful confirmation that the well-designed autotransformer is optimal in terms of kVA rating. The method also offers an additional insight into these autotransformers and how they may be analyzed.



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그림입니다.
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Fangang Meng was born in Shandong, China, in 1982. He received a B.S. degree in thermal energy and power engineering in 2005 and obtained M.S. and Ph.D. degrees in electrical engineering in 2007 and 2011, respectively, from the Harbin Institute of Technology, Harbin, China. Since 2011, he has been working as an assistant professor in the Harbin Institute of Technology at Weihai. His research interests include harmonic detection, stability analysis of converters, and high-power rectification.

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Qingxiao Du was born in Shandong, China, in 1995. She received a B.S. degree in electrical engineering from the Harbin Institute of Technology, Weihai, China, in 2017 and an M.S. degree in electrical power engineering from the University of Southampton, Southampton, U.K., in 2018. Her current research interests include MPR and power electronic transformer.


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Lei Gao was born in Hebei, China, in 1982. She received B.S., M.S., and Ph.D. degrees in electrical engineering from the Harbin Institute of Technology, Harbin, China, in 2005, 2007, and 2012, respectively. Since 2012, she has been working as an assistant professor in the Harbin Institute of Technology at Weihai. Her current research interests include power electronics and motor drives.


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Quanhui Li was born in Shandong, China, in 1996. He received a B.S. degree in electrical engineering in 2018 from the Harbin Institute of Technology, Weihai, China. Since 2018, he has been working toward an M.S. degree in Power Electronics and Power Drives in the Harbin Institute of Technology at Weihai. His research interests include MPR and high-power rectification.


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Zhongcheng Man was born in Shandong, China, in 1993. He received a B.S. degree in electrical engineering in 2017 from China University of Mining and Technology, Xuzhou, China. Since 2017, he has been working toward an M.S. degree in Power Electronics and Power Drives in the Harbin Institute of Technology at Weihai. His research interests include MPR, power electronic transformers, and high-power rectification.