高压多重化变流器的构成：三相多绕组移相变压器与多个三相桥变流电路

（1）三相多绕组移相变压器与多个三相桥整流电路组合成高压多重化整流器

图2-38 多重化高压整流（m=4）

一组三相交流电压对一个三相桥整流电路供电时，输出直流电压V_d为六脉波直流电压，在一个交流电压周期中V_d有6个相同形状的脉波。V_d中除直流电压平均值V_D外，还含有n=6k（k=1，2，3…）=6，12，18……偶次电压谐波。n次电压谐波的幅值V_nm与V_D的比值V_nm/V_D=2/（6k+1）（6k-1），最低次电压谐波为6次谐波，其值V_6m/V_D=2/35=5.7%。这时交流电源电流中除基波I₁外还含有n=6k±1=5，7，11，13…奇次电流谐波，其值I_n与I₁的比值I_n/I₁=1/n，最低次电流谐波为5次，I₅/I₁=1/5=20%。受开关器件额定电压、电流的限制，单个三相桥变流器的电压、电流变流容量不可能很大，同时其谐波问题也比较严重（谐波频率较高且幅值又较大，不易滤波）。为了提高变流器的电压、电流，很自然地想到将几个三相桥变流器串联使用。图2-38中变压器一次侧三相电源电压、、星形联结。若二次侧有m组（m=4）三相绕组，通过各自二次侧不同匝数绕组的组合联结，输出m组相位差60°/m、幅值相等的三相交流线电压V₁、V₂、V₃、V₄，再经m组三相整流得到m=4个直流电压v_d1、v_d2、v_d3、v_d4。由于m=4个三相桥的交流三相线电压、、、大小相等，而相位依序相差角α=60°/m（m=4时α=15°）（见图2-38a），那么第二组三相绕组线电压相位角θ₂=0，，第一组为超前的角度α=+15°），第三组滞后的角度为15°），第四组滞后的角度为30°），则m=4个整流电压v_d1、v_d2、v_d3、vd4的波形相同但相位依序相差α角（α=15°），相加后的直流电压v_d=v_d1+v_d2+v_d3+v_d4将是6m=6×4=24次脉波电压。v_d中除有增大4倍的整流电压平均值V_d外，v_d中谐波电压的频率n=6mk=6×4k=24，48，72，…，n次谐波的幅值V_nm/V_D=2/[（6×4k+1）×（6×4k-1）]。m=4时，最低次谐波电压频率为24次，其幅值相对值V₂₄/V_D=2/[（6×4+1）×（6×4-1）]=2/25×24=0.35%。这时交流电源电流基波I₁比单个三相桥整流时增大4倍，而谐波电流频率n=6mk±1=6×4k±1=24k±1=23，25，47，49…，最低次谐波电流为23次，23次谐波电流I₂₃与基波电流I₁的比值I₂₃/I₁=1/23=4.34%。电流、电压谐波频率成倍提高，相对值显著减小，整流特性大为改善。

由m组三相桥变流电路与m组线电压幅值相等，但相位依序相差α=60°/m的三相交流电压组合而成的变流器称为m重变流器（整流器、逆变器）。图2-38中这种m重整流器输出的直流电压v_d为m个相差α=60°/m的直流电压相加形成6m脉波直流。m个相差α角的脉波电压中低于6m次的谐波电压相互抵消，而仅存n=6mk次谐波电压，同时对应的交流电流中低于n=6m-1的交流谐波电流被抵消而仅存n=6mk±1次电流谐波。因而在增大变流电压、容量m倍的同时，消除了单个三相桥式电力变换引起的一些低次电压谐波和电流谐波，改善了变流特性。这种多重化组合型整流器的关键技术是如何由一个多绕组变压器获得m组线电压数值相同，而相位依序相差α=60°/m的三相交流电压。普通绕组结构的三相变压器，无论是三角形联结或星形联结，其输出线电压都不能移相任意相角α，要获得m组幅值相等、相差角为α（α=60°/m，0≤α≤30°）的m组三相电压应采用有特殊绕组（被称为曲折绕组）联结（即所谓延边三角形联结），使m组三相绕组输出的线电压相等而相位依序相差α=60°/m。这种多重化组合整流器中的移相变压器的绕组设计和直流、交流测电压电流特性分析将在第4章4.2节进行详细介绍。

（2）共直流电压V_d的多个三相桥逆变器经三相多个曲折绕组移相变压器组合成多重化逆变器

图2-39示出了共直流电压V_d的m个（m=8）三相桥逆变电路。m=8个逆变电路输出的三相交流逆变线电压数值相等，相位依序相差角α=60°/m-60/8=7.5°。图中变压器高压绕组星形联结，变压器的m=8个低压三相绕组采用曲折绕组延边三角形联结，输出8个三相线电压、、、、、、和。这8个三相绕组线电压数值相等，相位依序相位差角也是α=60°/m=7.5，它们对应地接至m=8个逆变器的输出线电压，组合构成8重化的高压逆变器。这个8重化的逆变器可将全控型开关管额定电压、电流允许值所限定的单个三相桥变流电路的输出功率提升m=8倍，可输出三相高压交流电压。同时又使直流电源电流i_d中的仅存的谐波电流频率n=6mk=48k=48、96…，最低谐波电流频率为48次，而交流输出电压中仅存在n=6mk±1=48k±1=47、49、95、97…等次电压谐波，最低次电压谐波为47次。这种多重化的组合型逆变器，既使三相桥逆变电路仅输出一个单脉波电压使开关频率降至最低，开关损耗降至最低，控制及其简单，也能使输入直流电流脉动频率高且接近直流电流，而合成的交流输出电压畸变率很小，十分接近正弦波，无需再加滤波器。这种组合型多重化逆变器作为电力系统静止型无功功率补偿器STATCOM早已得到应用，相关的电路特性的分析将在第5章5.4节介绍。类似的多重化变流系统也可用于电力系统中串联型有源电力补偿器、串联型动态电压补偿器DVR。(www.xing528.com)

图2-39 多重化（m=8，α=60°/8=7.5°）逆变器

图2-40 多重化整流、级联数P=5，11电平高压变频器对电机供电

最近十多年，中压（10kV、6kV、3kV）交流电机变频传动所需的交-直-交变频变压电源，已广泛应用，如图2-40所示即为AC/DC-DC/AC两级变流系统。这种变流系统由两部份组成：整流（AC/DC）部分采用类似图2-38所示的三相多绕组移相变压器与多个三相桥移相多重化整流电路，逆变（DC/AC）部分采用类似图2-37b H桥级联式（链式）DC/AC逆变器。图中整流部分由10kV电网（f=50Hz）对输入变压器供电，变压器二次侧每相有五套、三组共15套有一定相位差（图中5组三相电压各相差60°/5=12.5°）的三相曲折二次绕组。每个三相曲折副绕组对一个三相不控整流供电，得到15个隔离的直流电压。这种由曲折绕组变压器供电的多重化整流系统，可使交流电源电流i_A中最低次谐波电流的频率为6×5±1=29或31次，谐波电流的幅值也显著减小，有效地改善了整流负载对交流电网的危害。图中的逆变部分由15个隔离的直流电压经H桥逆变电路输出频率为f₂的单相交流电，A₁～A₅，B₁～B₅，C₁～C₅共15个功率变换单元的输出电压，级联成三相电压v_A=v_A1+…v_A5，v_B=v_B1+…v_B5，v_C=v_C1+…v_C5。其中5个级联电压依序相差60°/5=12.5，A、B、C三相电压各相差120°，构成由15个相互隔离的直流电压V_d、15个单相H桥逆变器组成的三相变频器、实现交流电机变频、变压、变速传动。由于输出电压电平多、接近正弦波，因而能显著改善交流电机的运行特性。图2-40由于整流部分采用了多重化整流、逆变部分采用了H桥级联输出，因而整个AC/DC-DC/AC变流系统作为交流电网的负载并不会对交流电网产生多大恶性影响，而作为一个变频变压电源又可大大改善了对负载电动机的供电质量，因而得到较为广泛的应用。

为了提高直流-直流变换器的容量，通常采用多个基本直流-直流变换器移相组合输出，相关电路将在本书第3章图3-56中进行介绍。