高压大功率交流变频器整流装置的主要拓扑结构

     所有的高压大功率交流变频调速系统从结构上都可以分为三大部分：变压器、电力电子变换和交流电动机驱动，如图8-1所示。其中，变压器将电网电压变化为电力电子变换装置所需的电压等级；电力电子变换部分根据负载的转矩和速度要求，将变压器的二次侧电压变换为频率和电压可调的交流电压。
    图8-1    变压器、电力电子变换和交流电动机驱动    常用的整流器均采用晶闸管相控整流电路或二极管整流电路，直流侧采用电容滤波，这使交流侧的电流呈尖峰性而非正弦波。大量使用由这些电路构成的装置已成为电力系统中的主要谐波源，且消耗大量的无功功率。为此，IEC、EN、IEEE均规定了谐波标准。参考应用较为普遍的IEEE 519-1992，我国颁布了GB/T14549293《电能质量——公用电网谐波》国家标准。凡不符合上述标准的电力电子设备均不允许进、出口。    因中、高压变频器都是大容量，更必须设法减少谐波对电网的影响，并提高功率因数。为此，目前采用的整流装置有如下几种形式。    图8-2显示了一种常见的晶闸管整流电路结构，主要用于各种电流源型变频器。这种整流电路结构简单，但是输入电流中含有很高的谐波分量，输入电流的5次谐波可达20%，7次谐波可达12%。由于晶闸管的快速换相，会产生一定的高次谐波，可达35次以上，高次谐波会对电话等通信线路产生一定的干扰。这种整流电路总的谐波电流失真约为30%，由于输入谐波较高，一般要设置输入谐波滤波器，滤波器的设计与电网参数和负载工况都有关系，一旦参数和工况发生变化，滤波器又得重新调整，十分不便，且影响滤波效果。
    图8-2    6脉冲晶闸管整流电路    在图8-3中，整流器由二组晶闸管整流桥串联而成，分别由输入变压器的两组副边（星型和三角形，互差30°电角度）供电。这种整流电路的优点是把整流电路的脉冲数由6脉冲提高到12脉冲，带来的好处是大大降低了5次和7次谐波电流。因为对晶闸管整流电路而言，谐波电流的成分近似为基波电流的1/h倍，h为谐波次数，h=n×p±1，其中n是自然数，p为脉冲数。12脉冲整流结构总谐波电流失真约为10%左右（图8-4）。虽然12脉冲整流电路的谐波电流比6脉冲结构大大下降，但也不能达到IEEE519-19 92标准规定的在电网短路电流小于20倍负载电流时谐波电流失真小于5%的要求。因此，一般也要安装谐波滤波装置。采用12脉冲结构还能避免器件的直接串联，变压器也可承受变频器产生的共模电压中的绝大部分，使电机绝缘不受共模电压的影响。当然，变压器也要设计成为能够承受原边和副边的谐波电流。
    图8-3    12脉冲晶闸管整流电路
    图8-4    晶闸管整流电路的输入谐波电流    将输入变压器二次侧扩展到三组副边，移推20°构成18脉波电路，同样，对多相整流电路，可得结论：以m个相位相差π/3m的变压器二次绕组分别供电的m个三相桥式整流电路可构成6m相整流电路，其电网侧电流仅含6m±1次谐波。例如m =2，3，4，便分别为12相（含12k±1次谐波），18相（含18k±1次谐波），24相（含24k±1次谐波），且各次谐波的有效值与其次数成反比。位移因数则均等于cosα，α为触发延迟角。对二极管整流桥，cosΦ= cosα=1。    PWM整流器也用全控型器件构成，采用与逆变电路同样的PWM技术。图8-5(a)和(b)即为三相和单相电压型PWM整流电路，通过对它的适当控制，可使输入电流非常接近正弦波，且电流和电压同相位，功率因数近似为1。图中交流侧电感L用以滤波和传递能量，直流侧电容C起着滤除直流电压上开关纹波和平衡直流输入与输出能量的作用。
    图8-5    整流电路