1.5 单元串联型变频器采用的移相变压器

1.5.1 采用隔离移相变压器输入的原因

交-直-交中、高压变频器需先把工频交流电通过整流器变换成直流电，整流过程中会产生大量谐波并严重污染电网。输出用IGBT PWM逆变电路，输出电压是非正弦（阶梯形）的；输出电流近似正弦（SPWM调制）。输入和输出都存在非正弦波而产生的谐波。谐波使电动机发热增加、振动增大、噪声增大；谐波与电线电容谐振产生过电压，危害绝缘，耐压降低，以致造成过电压击穿；谐波干扰计算机系统正常工作，对电子线路设备造成不稳定的影响，影响正常使用，严重时以致无法正常工作。

中、高压变频器因电压高、功率大，一旦有谐波干扰，影响更大、危害更严重。为此，美国制定了限制谐波的IEEE 519—1992《电源系统谐波控制推荐规程和要求》，1993年我国制定了GB/T 14549—1993《电能质量 公用电网谐波》国家标准，见表1-3^[1]。

表1-3 国家公用电网谐波电压相电压限值标准

另外，标准还规定，电压稳态相对谐波含量的方均根值不超过10%，其中任何奇次谐波均不超过5%，任何偶次谐波均不超过2%，短时（持续时间小于30s）出现的任一次谐波含量不超过10%。

抑制谐波污染的有效措施有两个：其一是在系统中设置滤波装置；其二是对整流变压器进行移相，使整流脉波数达到12脉冲以上，若采用30脉冲变频，则基本可不加任何滤波器就能满足各国供电部门对电压和电流失真最严格的要求。因此，移相变频器是多脉冲二极管/晶闸管整流器不可缺少的组成部分，多重化单元串联电压源型高压变频器须用隔离移相变压器输入的主要原因如下：

1）多重化单元串联电压源型高压变频器利用功率单元串联来弥补功率器件IGBT耐压能力的不足，隔离变压器为功率单元提供较低电压（如AC 690V）输入。

2）功率单元串联之后，每个功率电压等级不再相同，隔离变压器变换得到需要的二次电压值，为功率单元提供足够的隔离电压。

3）实现一次、二次线电压的相位偏移，以消除谐波。保证本变频器系统对电网的谐波干扰在国家标准规定的限制值以内。

移相变压器基本为干式变压器，目前其绝缘等级有B级、F级及H级。这些变压器的出现，可以让用户有更多的选择。其材料的耐热绝缘等级与其最高工作温度的关系可见参考文献4。

1.5.2 移相变压器二次侧的延边三角形绕组

整流设备常采用三相桥或双反星带平衡电抗器的整流电路。这些接线方式下，即使电网侧采用了星形和三角形接线的双绕组结构，脉波数P也只能达到12，而脉波数P≥18的整流设备必须以设置移相绕组的方式实现。整流变压器进行移相有多种方式：曲折形、延边三角形及多边形等。延边三角形移相因一次侧有三次谐波电流的闭合回路，无论二次绕组采用何种接线方式，都不会使感应电压波形畸变，且因移相而增加的变压器容量较小，如移相7.5°时，多边形移相和曲折形移相的等效容量增加6.68%，而延边三角形移相的等效容量增加2.64%，故其有很好的经济性，已成为整流产品的主流结构，广泛应用在35kV及以下的移相变压器产品上。

移相变压器的一次绕组有两种接线方式，即星形（ㄚ）联结和三角形（△）联结，而二次绕组一般都为延边三角形联结，根据绕组的不同联结方式，变压器二次绕组线电压的相位可以领先或者滞后其一次绕组线电压一个角度δ，移相角δ在0°～30°范围内。下面介绍这两种延边三角形。

延边三角形绕组由两部分线圈组成，每相绕组取一部分（k2）接成三角形，另一部分绕组（k1）为三角形的延伸，图1-15所示为延边三角形移相变压连接图^[2]，输出电压U_a1、U_b1、U_c1分别为三相三角形绕组与延伸绕组电压的矢量和，超前输入电压U_a、U_b、U_c的角度为δ，如图1-16所示。另一种延边三角形绕组也是由三角形绕组及其延伸绕组构成的，但其输出略有不同，输出电压U_a2、U_b2、U_c2滞后输入电压U_a、U_b、U_c的角度为δ，如图1-17所示。因此，U_a1、U_b1、U_c1与U_a2、U_b2、U_c2互差2δ。

图1-15 延边三角形移相变压连接图

图1-16 U_a1、U_b1、U_c1超前输入电压U_a、U_b、U_c（角度为δ）的连接和矢量图

图1插图7 U_a2、U_b2、Uc2滞后输入电压U_a、U_b、U_c（角度为δ）的连接和矢量图

1.5.3 移相变压器的移相原理

移相变压器是多脉冲整流器中最关键的部件之一，移相变压器一次绕组主要有两种接线方式，即星形（ㄚ）和三角形（△）。而二次绕组接线方式一般有延边三角形、星形、三角形等，当一次绕组为ㄚ或△接线而二次绕组为延边三角形接线时，可使二次绕组线电压超前或者滞后一次绕组线电压0°～30°（移相角度）。通过移相变压器，使多个二次绕组依次移开一个相同的相位角和幅值相等的多相电压，接到各组三相整流桥，整流桥输出接平衡电抗器均流输出至负载，其输出直流电压波形在一个交流周期内多于6个脉冲。由于各组三相输入电压间的相移，使得各三相整流桥产生的谐波有部分可以相互抵消，不反映到高压侧，从而有效降低了输入电流的THD（Total Harmonic Distortion，总谐波畸变率），提高了功率因数并减小了输出电压脉动。同时，多脉冲整流技术具有可靠性高、过载能力强、适合宽变频输入、EMI（Electro Magnetic Interference，电磁干扰）低等优点，适用于中功率和大功率场合。

1.5.4 多脉冲整流器用移相变压器示例

两卷或三卷电力变压器的一次绕组和二次绕组常用星形绕组或三角形绕组，而移相变压器的二次绕组与常用的电力变压器不同，为抑制谐波污染而采用了延边三角形（和）绕组。根据绕组的不同连接方式，变压器二次绕组线电压的相位可以领先或滞后其一次绕组一个角度δ。为方便选用多脉冲整流器用移相变压器，图1-18给出用于12脉冲整流器、18脉冲整流器、24脉冲整流器、30脉冲整流器和36脉冲整流器的移相变压器示例。

图1-18给出了用于多脉冲二极管/晶闸管整流器的几种移相变压器的例子。变变压器二次绕组有4个，相邻绕组的相位差为15°。对于30脉冲整流器，变压器二次绕组有5个，相邻绕组的相位差为12°。对于36脉冲整流器，变压器二次绕组有6个，相邻绕组的相位差为10°。压器的绕组用中心含：“ㄚ”“△”“”和“”的圆圈表示，其中“ㄚ”表示星形联结的三相绕组，“△”表示三角形联结的三相绕组，“”表示超前δ的延边三角形，“”表示滞后δ的延边三角形。对于12脉冲整流器，变压器二次绕组有2个，其相位差为30°。对于18脉冲整流器，变压器二次绕组有3个，相邻绕组的相位差为20°。对于24脉冲整流器，

图1-18 多脉冲整流器用移相变压器示例

注：用于36脉冲整流器中，当一次绕组为星形联结时，δ=-20°和δ=-10°两个整流器的直流输出串联供给一个直流负载；δ=0°和δ=10°两个整流器的直流输出串联供给一个直流负载；δ=20°和δ=30°两个整流器的直流输出串联供给一个直流负载。当一次绕组为三角形联结时，δ=0°和δ=-10°两个整流器的直流输出串联供给一个直流负载；δ=-20°和δ=-30°两个整流器的直流输出串联供给一个直流负载；δ=-40°和δ=-50°两个整流器的直流输出串联供给一个直流负载。