1.6 多脈沖變壓二極管橋式整流器

多脈沖變壓二極管整流器的主要特點是可以降低電網側的諧波畸變，其主要原因在于所采用的移相變壓器，它可以使各6脈沖二極管整流器產生的低次諧波相互抵消。一般說來，二極管整流器脈波數目越多，輸出網側電流的諧波畸變越小。但是，多于30脈沖的二極管整流器降低諧波的性能并不明顯，所用的變壓器成本卻增加較多，故而應用受到限制。

多脈沖變壓二極管整流器的其他特點，如通常不需要LC濾波器或者功率因數補償器，解決了LC濾波器可能引起的諧振問題。采用的移相變壓器可以有效防止整流器和逆變器在電動機接線端產生共模電壓，該電壓會導致電動機定子繞組絕緣的過早損壞。

多脈沖變壓二極管整流器多用于電壓源型逆變器（VSI）傳動系統。它可以分為串聯型多脈沖變壓二極管整流器和分離型多脈沖變壓二極管整流器。

1.6.1 6脈沖二極管橋式整流器

6脈沖二極管橋式整流器即三相橋式不可控整流電路，如圖1-19所示，其兩種簡化結構框圖如圖1-20所示。不可控整流電路使用的器件為功率二極管，電路按輸入交流電源的相數不同分為單相整流電路、三相整流電路和多相整流電路。圖1-19中有6只整流二極管，其中VD₁、VD₃、VD₅三只二極管的陰極連接在一起，稱為共陰極組；VD₄、VD₆、VD₂三只二極管的陽極連接在一起，稱為共陽極組。圖1-21給出了6脈沖二極管整流器輸出電壓的波形圖，共陰極組的三只二極管VD₁、VD₃、VD₅在t₁、t₃、t₅換相導通；共陽極組的三只二極管VD₄、VD₆、VD₂在t₂、t₄、t₆換相導通。一個周期內，每只二極管導通1/3周期，即導通角為120°。

圖1-19 6脈沖二極管橋式整流器

圖1-20 6脈沖二極管整流器的兩種簡化結構框圖

從圖1-21所示輸出電壓波形可以看出，u_d為線電壓中最大的一個，因此u_d波形為線電壓的包絡線。u_d一個周期脈動6次，每次脈動的波形都一樣故稱之為6脈沖二極管整流器。

圖1-21 6脈沖二極管整流器（純電阻負載）輸出電壓波形圖

在實際的中、高壓變頻器中，每個二極管可由兩個或多個低壓二極管串聯組成，負載多為大容量的電容器，當電容量足夠大時，使直流輸出電壓基本沒有紋波，近似為一個直流電源。U_d隨負載情況的不同而略有變化：輕載時，U_d接近交流側供電電源線電壓的峰值，直流電流i_d可能是斷續的，稱之為斷續電流模式；隨著直流電流i_d的增加，在供電電源的內部等效電感（也考慮電源側串聯的濾波電感）和移相變壓器的漏電感上的電壓降會增加，U_d則會下降；當i_d增加到一定值時，它就會變為連續的，整流器就工作在連續電流工作模式下。

6脈沖二極管整流器輸入電流的總諧波失真為25%，典型電源阻抗下對應的電壓失真約為10%。不能滿足IEEE 519—1992《電源系統諧波控制推薦規程和要求》和GB/T 14549—1993《電能質量 公用電網諧波》中對諧波限制的要求。

1.6.2 12脈沖二極管橋式整流器

12脈沖二極管橋式整流器有串聯型和分離型兩種。

1.12脈沖串聯型二極管整流器

12脈沖串聯型二極管整流器的典型結構如圖1-22和圖1-23所示，其中包括兩個完全相同的6脈沖二極管整流器，分別由移相變壓器二次側的兩個三相對稱繞組供電，兩個整流器的直流輸出串聯連接。為了消除網側電流i_a中的低次諧波，可令圖1-22中變壓器二次側星形聯結的繞組的線電壓u_ab與變壓器一次繞組線電壓u_AB同相，此時變壓器二次側星形聯結繞組中的電流和變壓器二次側三角形聯結繞組中的電流波形相同，只是相位上相差30°。可令圖1-23中變壓器二次側三角形聯結繞組的線電壓u_a′b′與變壓器一次繞組線電壓u_AB同相，此時變壓器二次側三角形聯結繞組中的電流和變壓器二次側星形聯結繞組中的電流波形相同，只是相位上相差30°。可以證明，它們一次繞組線電流中的5次和7次諧波均相差180°，因此可以相互抵消，降低了大功率整流器線電流的總諧波畸變率。

圖1-22 12脈沖串聯型（ㄚ/ㄚ-△）二極管整流器

圖1-23 12脈沖串聯型（△/△-ㄚ）二極管整流器

圖1-24所示為12脈沖串聯型二極管整流器的簡化結構框圖。

圖1-24 12脈沖串聯型二極管整流器的簡化結構框圖

一般說來，12脈沖串聯型二極管整流器輸入電流的總諧波失真為8.8%，典型電源阻抗下對應的電壓失真為5.9%，仍不能滿足IEEE 519—1992《電源系統諧波控制推薦規程和要求》和GB/T 14549—1993《電能質量 公用電網諧波》中對諧波限制的要求。實際中為了降低網側電流的諧波，一般需要采用網側濾波器。

2.12脈沖分離型二極管整流器

12脈沖分離型二極管整流器的簡化結構框圖如圖1-25所示，它和12脈沖串聯型二極管整流器基本相同，唯一的區別是它有兩個獨立的直流負載。

圖1-25 12脈沖分離型二極管整流器的簡化結構框圖

12脈沖分離型二極管整流器的功率因數和網側的THD都比12脈沖串聯型二極管整流器的功率因數和網側的THD要小些。

1.6.3 18脈沖二極管橋式整流器

18脈沖二極管橋式整流器有串聯型和分離型兩種。

1.18脈沖串聯型二極管整流器

18脈沖串聯型二極管整流器的簡化結構框圖如圖1-26所示，其中二次側為3個完全相同的6脈沖二極管整流器，由同一臺移相變壓器供電。圖中一組典型相移角δ的取值分別為-20°、0°和20°。δ也可以有其他取值，如分別取值為0°、-20°和-40°。只要移相變壓器任意兩個相鄰繞組都有20°的相移，18脈沖串聯型二極管整流器就可以消除5次、7次、11次和13次諧波。變壓器的匝數設計，一般為每個二次繞組的線電壓都為變壓器一次繞組線電壓的1/3。

2.18脈沖分離型二極管整流器

18脈沖分離型二極管整流器的簡化結構框圖如圖1-27所示，它和18脈沖串聯型二極管整流器除了直流側連接方式不同外，實質上基本相同。一般說來，與串聯型整流器相比，分離型整流器的THD稍好一些，但功率因數稍差些。

圖1-26 18脈沖串聯型二極管整流器的簡化結構框圖

圖1-27 18脈沖分離型二極管整流器的簡化結構框圖

圖1-27 18脈沖分離型二極管整流器的簡化結構框圖（續）

1.6.4 24脈沖二極管橋式整流器

24脈沖二極管橋式整流器有串聯型和分離型兩種。

1.24脈沖串聯型二極管整流器

24脈沖串聯型二極管整流器的簡化結構框圖如圖1-28所示，其中4個6脈沖二極管整流器由移相變壓器的4個二次繞組供電。為了消除5次、7次、11次、13次、17次和19次6個主要的諧波，變壓器的4個二次繞組中任何相鄰兩個繞組的線電壓之間都有15°的相移。圖中一組典型的相移角δ取值為-15°、0°、15°和30°，δ另一組典型的取值為0°、-15°、-30°和-45°。24脈沖串聯型二極管整流器可有效抑制網側輸入電流諧波和輸出電壓脈動，其網側電流僅含24k±1次諧波，輸出電壓僅含24k次諧波，其幅值與次數成反比。每個二次繞組的線電壓都為一次繞組線電壓的1/4。

圖1-28 24脈沖串聯型二極管整流器的簡化結構框圖

圖1-28 24脈沖串聯型二極管整流器的簡化結構框圖（續）

24脈沖串聯型整流器線電流的THD非常小，可滿足IEEE 519—1992《電源系統諧波控制推薦規程和要求》中對諧波的要求。

2.24脈沖分離型二極管整流器

24脈沖分離型二極管整流器的簡化結構框圖如圖1-29所示，它和24脈沖串聯型二極管整流器除了直流側連接方式不同外，實質上基本相同。一般說來，與串聯型整流器相比，分離型整流器的THD稍好一些，但功率因數稍差些。

圖1-29 24脈沖分離型二極管整流器的簡化結構框圖

圖1-29 24脈沖分離型二極管整流器的簡化結構框圖（續）

1.6.5 36脈沖二極管橋式整流器

雖然24脈沖串聯型二極管整流器的線電流THD已滿足IEEE 519—1992《電源系統諧波控制推薦規程和要求》中對諧波的要求。但是，國內外的有關廠家為進一步改善網側的電流波形，得到更小的網側諧波，還設計了30、36、42、48脈沖系列等構成的多級相疊加的整流方式，使其負載下的網側功率因數接近1，而無需任何功率因數補償、諧波抑制裝置。由于變壓器二次繞組的獨立性，使每個功率單元的主電路相對獨立，類似常規低壓變頻器，便于采用現有的成熟技術。36脈沖二極管橋式整流器的簡化結構框圖如圖1-30所示。變壓器的6個二次繞組采用2×18脈沖移相變壓器模式，任何相鄰兩個整流器的線電壓之間都有10°的相移。這種移相接法可以有效消除35次以下的諧波。

圖1-30 36脈沖二極管橋式整流器的簡化結構框圖

圖1-30 36脈沖二極管橋式整流器的簡化結構框圖（續）