12脉波二极管整流器
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串联型12脉波二极管整流器
摘要：串联型12脉波二极管整流器是由两个相同的6脉波二极管整流器在直流输出侧串联得到的。该类型整流器一般用作中压传动系统的变频器的前端。但一般情况下，12脉波的二极管整流器的总谐波畸变率不能满足IEEE标准。
关键词：串联型、二极管、整流器
变频调速是当今理想的调速方法之一，也是重要的节能措施。交—直—交变频方式因其优势受到越来越广泛的应用。大多数的交—直—交变流装置的前置输入部分都采用二极管整流。随着多脉波整流技术的兴起，各种大功率设备都越来越多的采用多脉波二极管整流器。
多脉波二极管整流器有两种类型：串联型多脉波二极管整流器和并联型多脉波二极管整流器。前者的所有6脉波二极管整流器的直流侧串联输出，主要用在仅需要一个直流供电的中压传动系统的变频器的前端；后者的每一个6脉波二极管整流器给一个单独的直流负载供电，可以用在需要多个独立直流供电电源的串联H桥多电平逆变器中。本文主要介绍串联型12脉波二极管整流器。
1.串联型12脉波二极管整流器
1.1整流器的结构
图1 12脉波串联型二极管整流器简化结构框图
12脉波串联型二极管整流器的典型结构简化框图如图1所示，它由两个完全相同的6脉波二极管整流器构成，移相变压器二次侧两个三相对称绕组分别给其供电。两个整流器的直流输出串联连接。为了消除网侧电流Ai中的低次谐波，可令变压器二次侧星形连接的绕组的线电压abV与变压器一次侧绕组线电压ABV同相，而变压器 三角形连接的绕组的线电压~~abv超前ABv一个相角，即
30~~ABabvv 1 二次侧绕组线电压的有效值为
2/~~ABababVVV
则变压器的绕组匝数比为
221NN 3231NN
图1中的sL表示供电电源和变压器之间总的线路电感，变压器总的漏电感可在变压器内部设置。
1.2 理论分析
假定直流滤波电容dC足够大，从而可以忽略直流电源dV中的纹波含量。
在任何时刻（换相过程除外），上、下两个6脉波二极管整流器中各有两个二极管导通，di同时经过4个二极管形成回路。由于两个6脉波二极管整流器的输出为串联连接，二次侧绕组的漏电感也可以认为是串联连接，直流电流的纹波相对较小。
输出直流电流di连续，且在每个供电频率周期内包含有12个脉波。变压器二次侧星形连接的绕组中的电流ai近似为梯形波，只是在顶端有4个纹波。变压器二次侧三角形连接的绕组中的电流~ai和ai的波形形状相同，只是在相位上相差30。
由于变压器一次侧和二次侧上面的绕组都为星形连接，折合后的电流'ai和折合前的电流ai波形形状应该相同，只是幅值将减少一半（可根据两个绕组匝数比计算得到）。而二次侧三角形绕组中折合前的电流~ai和折合后的电流'~ai波形会不同。且一次侧电流与二次侧电流之间存在如下关系：
''~aaAiii
1.3 参数计算
已知额定输入线电压RV有效值为4000V，额定输出功率RS为1MW，变压器初次级绕组总漏电感为0.8pu，电源和变压器之间线路总电感为0.8pu。
基准相电压3/40003RBVVV 2 基准电流3/250)3/4000/(3/1036BRBVSIV
基准阻抗16)3/250/(3/4000BRBIVZV/A
基准电感1001621fZwZLRBRBH
因此总漏电感31.410016*08.008.0eLLBsH
2. 仿真结果
2.1 验证
图2.1为12脉波串联型二极管整流器工作在额定条件下仿真所得的电流波形，从上到下依次为一次侧电流Ai、二次侧星形绕组中电流ai、二次侧三角形绕组中电流~ai和输出电流di。12脉波串联型二极管整流器网侧电流的THD如图2.2所示。
图2.1 12脉波串联型二极管整流器在额定条件下电流波形 3
图2.2 12脉波串联型二极管整流器网侧电流的THD
图2.3亦为12脉波串联型二极管整流器工作在额定条件下仿真得到的电流波形，是由12脉波二极管整流器等效图所得波形，示波器中从上到下依次表示输出电流di、二次侧星形绕组中电流ai、二次侧星形绕组折算到一次侧的电流'ai、二次侧三角形绕组中电流~ai、二次侧三角形绕组折算到一次侧的电流'~ai和一次侧电流Ai。
图2.3 12脉波串联型二极管整流器等效图所得电流波形
由图2.3验证得，变压器二次侧星形绕组折合前后的电流波形相同，只是折合后的幅值为折合前幅值的一半；而变压器二次侧三角形绕组折合前后的电流波 4 形不同，这是由于二次侧三角形连接的绕组折合到一次侧星形绕组时引起了谐波电流的移相；一次侧绕组中的电流为二次侧各绕组折算后电流之和，且其近似为正弦波。
2.2 网侧电流与THD的关系
图2.4-2.13给出了网侧电流依次为0.1pu、0.2pu、0.3pu、…、1pu时各电流波形和傅立叶分析结果。
图2.4 1AI=0.1pu时仿真结果
图2.5 1AI=0.2pu时仿真结果 5
图2.6 1AI=0.3pu时仿真结果
图2.7 1AI=0.4pu时仿真结果
图2.8 1AI=0.5pu时仿真结果 6
图2.9 1AI=0.6pu时仿真结果
图2.10 1AI=0.7pu时仿真结果
图2.11 1AI=0.8pu时仿真结果 7
图2.12 1AI=0.9pu时仿真结果
图2.13 1AI=1pu时仿真结果
图2.14为网侧电流1AI与THD关系曲线，其中横轴为1AI（单位为pu），纵轴为THD（单位为%）。MATLAB中绘制曲线的程序为：
>> x=[0.1:0.1:1];
>> y=[12.24;11.39;7.69;6.22;5.16;4.65;4.5;3.99;3.19;0.98]; >> plot(x,y); 8
图2.14 网侧电流与THD关系曲线
当1AI=0.5pu时，,,,daaaAiiiii和各电流的谐波分析如图2.15-18所示。
图2.15 di谐波分析 9
图2.16 ai谐波分析
图2.16 ai谐波分析 10
图2.17 ai谐波分析
图2.18 Ai谐波分析
3.结论
由图2.4-14可知，网侧电流从零到额定标幺值范围内，总谐波畸变率随网侧电流的增加而减小。
由图2.15-18可知，当1AI=0.5pu时，各电流的THD都非常大，明显不满足要求；且三角型绕组和星型绕组分别折算到原边的电流中，5次和7次谐波都比较大，但两者之和即输入电流中没有5次和7次谐波电流。由此可知，移相变压器能很好的抑制5次和7次谐波。
一般情况下，12脉波二极管整流器的输入电流不能满足IEEE 519-1992的谐波标准。故在实际应用中，为了降低网侧电流THD，因考虑采用网侧滤波器。 11
附图一：串联型12脉波二极管整流图
附图二：串联型12脉波二极管等效整流图
