如何确定最佳的多重化重数

如何确定最佳的多重化重数多重化整流电路是指将几个整流电路多重联结。整流电路多重化的主要目的包括两个方面，一是可以使装置总体的功率容量大，二是能够减少整流装置所产生的谐波和无功功率对电网的干扰。其实这两者之间是有关联的，随着整流装置功率的进一步加大，它所产生的谐波、无功功率等对电网的干扰也随之加大，为减轻干扰，可采用多重化整流电路减少交流侧输入电流谐波，而对晶闸管多重整流电路采用顺序控制的方法可提高功率因数。先介绍一下移相多重联结。整流电路的多重联结有并联多重联结和串联多重联结。例如图1是将两个三相全控桥式整流电路并联多重联结的12脉波整流电路原理图，该电路中使用了平衡电抗器来平衡各组整流器的电流，其原理与双反星形电路中采用平衡电抗器是一样的。对于交流输入电流来说，采用并联多重联结和串联多重联结的效果是相同的，主要说一下串联多重联结的情况，采用多重联结不仅可以减少交流输入的谐波，同时也可以减小直流输出电压中的谐波幅值并提高纹波频率，因而可减小平波电抗器。图1并联多重联结的12脉波整流电路关于如何确定最佳的多重化重数的问题，结合一个案例来看。如图2所示为多重电压型高压变频系统的工作原理图，以每相8个功率单元为例，每个功率模块可以产生0至±540V的电压输出，通过串联方式为可以每相提供0至±4320V的相电压，通过波形连续变换方法或其他全电压PWM技术，可以在线间输出0至±8640V的电压。图2多重电压型高压变频系统的工作原理图多重电压型高压变频系统的主电路如图3所示，三项高压电接入移相变压器一次侧，在二次侧转换为24个低压交流电分别输出给24个功率单元模块，功率单元通过整流和逆变，可以输出正电压、零电压和负电压3种状态。将每一相相邻的两个功率单元输出端顺次相连，从而构成串联叠加的方式，控制各个功率单元模块的输出电压，即控制每个功率单元模块输出电压为正电压、负电压、零电压以及各个电压输出时间的长短，经叠加后可以得到接近正弦波的多阶梯波，为了减小输出谐波，对功率单元的逆变桥采取PWM控制，其输出相电压的波形进一步逼近正弦波。图3多重电压型高压变频系统的主电路功率单元模块原理如图4所示，三相低压交流电通过整流电路整流后变为脉动直流电，经过电容器组滤波器后变为直流电送到单相逆变桥式电路中，此逆变电路由4只IGBT组成H桥结构，控制4个IGBT的开关状态，可以在逆变桥的输出端得到零电压、正电压和负电压。此功率单元模块在整流部分采用IGBT和续流二极管组成整流桥，当同步机工作在第四象限时，回馈电流可以通过可逆整流桥回馈电网，真正实现电能的回收利用。假设每个功率单元将单元的输入电压均为400V，经过整流滤波后，中间的直流电压为566V，将逆变桥的4只IGBT分为两组，其中VI1、VI2互锁，VI3、VI4互锁，即VI1、VI2不能同时导通，VI3、VI4不能同时导通。当VI1和VI4导通时，在输出端输出电压为+566V,当VI2和VI3导通时，在输出端输出电压为-566V，当VI1和VI3导通时，在输出端输出电压为0V，此时由于每个IGBT均并联续流二极管，正反向电流均可以自由流通，相当于U1、U2两个输出端短路。图4功率单元模块原理图为了减小系统的输入输出谐波，多重电压型高压变频系统采用输入多重化技术，即在移相变压器采用变压器延边三角形移相技术，使在二次侧使二次线电压超前或落后一次线电压任意角度，以便实现多脉冲的整流。例如本例中移相变压器二次侧共有24组绕组，如果将每一层的单元所对应的变压器二次绕组采用相似的连接，即结成同一个相位角，则可以将24个绕组分为8个大组，每组之间相位差为60/8=7.5°。上述接法是将三个功率单元作为一组，组间相差7.5°，从而构成8组移相的48脉冲多重化整流方式。此方式中，一次侧中的电流谐波为48k±1次，即一次侧电流中最低次谐波为47次，可见采用输入多重化整流技术可以使输入电流谐波急剧减小，对电网基本上没有干扰。当采用载波移相SPWM控制时，系统的输出电压中的最低次谐波为qN-1次，其中q为功率单元叠加数目，N为功率单元载波比，可以看出，采用q单元叠加式时，输出电压中不存在低次谐波。综上所述，多重电压型高压变频技术对于高压变频而言有着明显的技术优势，主要有以下优点：移相变压器采用多重化设计，大大降低输入电流谐波，减小了对电网的谐波干扰；逆变器采用多电平SPWM技术，输出电压波形非常逼近正弦波，不存在低次谐波；实现同步电机四象限运行；可以在高频运行，提高了调速范围；输出du/dt很小，电机绝缘不受影响。另再介绍一下多重联结电路的顺序控制。前面介绍的移相多重联结电路中，各整流桥交流二次输入电压错开一定相位，但工作时各桥的控制角是相同的。这样可以使输入电流谐波含量大为降低。顺序控制是不同于前者的另一种思路。这种控制方法只对多重联结的各个整流桥中的一个桥的角进行控制，其余各桥的工作状态则根据需要输出的整流电压而定，或者不工作而使该桥输出直流电压为零，或者=0而使该桥输出电压最大。根据所需总直流输出电压从低到高的变化，按顺序依次对各桥进行控制，因而被称为顺序控制。采用这种方法虽然并不能降低输入电流中的谐波，但是各组桥中只有一组在进行相位控制，其余各组或不工作，或位移因数为1，因此总的功率因数得以提高。我国的电气机车的整流器大多为这种方式。