1.6 多脉冲变压二极管桥式整流器

多脉冲变压二极管整流器的主要特点是可以降低电网侧的谐波畸变，其主要原因在于所采用的移相变压器，它可以使各6脉冲二极管整流器产生的低次谐波相互抵消。一般说来，二极管整流器脉波数目越多，输出网侧电流的谐波畸变越小。但是，多于30脉冲的二极管整流器降低谐波的性能并不明显，所用的变压器成本却增加较多，故而应用受到限制。

多脉冲变压二极管整流器的其他特点，如通常不需要LC滤波器或者功率因数补偿器，解决了LC滤波器可能引起的谐振问题。采用的移相变压器可以有效防止整流器和逆变器在电动机接线端产生共模电压，该电压会导致电动机定子绕组绝缘的过早损坏。

多脉冲变压二极管整流器多用于电压源型逆变器（VSI）传动系统。它可以分为串联型多脉冲变压二极管整流器和分离型多脉冲变压二极管整流器。

1.6.1 6脉冲二极管桥式整流器

6脉冲二极管桥式整流器即三相桥式不可控整流电路，如图1-19所示，其两种简化结构框图如图1-20所示。不可控整流电路使用的器件为功率二极管，电路按输入交流电源的相数不同分为单相整流电路、三相整流电路和多相整流电路。图1-19中有6只整流二极管，其中VD₁、VD₃、VD₅三只二极管的阴极连接在一起，称为共阴极组；VD₄、VD₆、VD₂三只二极管的阳极连接在一起，称为共阳极组。图1-21给出了6脉冲二极管整流器输出电压的波形图，共阴极组的三只二极管VD₁、VD₃、VD₅在t₁、t₃、t₅换相导通；共阳极组的三只二极管VD₄、VD₆、VD₂在t₂、t₄、t₆换相导通。一个周期内，每只二极管导通1/3周期，即导通角为120°。

图1-19 6脉冲二极管桥式整流器

图1-20 6脉冲二极管整流器的两种简化结构框图

从图1-21所示输出电压波形可以看出，u_d为线电压中最大的一个，因此u_d波形为线电压的包络线。u_d一个周期脉动6次，每次脉动的波形都一样故称之为6脉冲二极管整流器。

图1-21 6脉冲二极管整流器（纯电阻负载）输出电压波形图

在实际的中、高压变频器中，每个二极管可由两个或多个低压二极管串联组成，负载多为大容量的电容器，当电容量足够大时，使直流输出电压基本没有纹波，近似为一个直流电源。U_d随负载情况的不同而略有变化：轻载时，U_d接近交流侧供电电源线电压的峰值，直流电流i_d可能是断续的，称之为断续电流模式；随着直流电流i_d的增加，在供电电源的内部等效电感（也考虑电源侧串联的滤波电感）和移相变压器的漏电感上的电压降会增加，U_d则会下降；当i_d增加到一定值时，它就会变为连续的，整流器就工作在连续电流工作模式下。

6脉冲二极管整流器输入电流的总谐波失真为25%，典型电源阻抗下对应的电压失真约为10%。不能满足IEEE 519—1992《电源系统谐波控制推荐规程和要求》和GB/T 14549—1993《电能质量 公用电网谐波》中对谐波限制的要求。

1.6.2 12脉冲二极管桥式整流器

12脉冲二极管桥式整流器有串联型和分离型两种。

1.12脉冲串联型二极管整流器

12脉冲串联型二极管整流器的典型结构如图1-22和图1-23所示，其中包括两个完全相同的6脉冲二极管整流器，分别由移相变压器二次侧的两个三相对称绕组供电，两个整流器的直流输出串联连接。为了消除网侧电流i_a中的低次谐波，可令图1-22中变压器二次侧星形联结的绕组的线电压u_ab与变压器一次绕组线电压u_AB同相，此时变压器二次侧星形联结绕组中的电流和变压器二次侧三角形联结绕组中的电流波形相同，只是相位上相差30°。可令图1-23中变压器二次侧三角形联结绕组的线电压u_a′b′与变压器一次绕组线电压u_AB同相，此时变压器二次侧三角形联结绕组中的电流和变压器二次侧星形联结绕组中的电流波形相同，只是相位上相差30°。可以证明，它们一次绕组线电流中的5次和7次谐波均相差180°，因此可以相互抵消，降低了大功率整流器线电流的总谐波畸变率。

图1-22 12脉冲串联型（ㄚ/ㄚ-△）二极管整流器

图1-23 12脉冲串联型（△/△-ㄚ）二极管整流器

图1-24所示为12脉冲串联型二极管整流器的简化结构框图。

图1-24 12脉冲串联型二极管整流器的简化结构框图

一般说来，12脉冲串联型二极管整流器输入电流的总谐波失真为8.8%，典型电源阻抗下对应的电压失真为5.9%，仍不能满足IEEE 519—1992《电源系统谐波控制推荐规程和要求》和GB/T 14549—1993《电能质量 公用电网谐波》中对谐波限制的要求。实际中为了降低网侧电流的谐波，一般需要采用网侧滤波器。

2.12脉冲分离型二极管整流器

12脉冲分离型二极管整流器的简化结构框图如图1-25所示，它和12脉冲串联型二极管整流器基本相同，唯一的区别是它有两个独立的直流负载。

图1-25 12脉冲分离型二极管整流器的简化结构框图

12脉冲分离型二极管整流器的功率因数和网侧的THD都比12脉冲串联型二极管整流器的功率因数和网侧的THD要小些。

1.6.3 18脉冲二极管桥式整流器

18脉冲二极管桥式整流器有串联型和分离型两种。

1.18脉冲串联型二极管整流器

18脉冲串联型二极管整流器的简化结构框图如图1-26所示，其中二次侧为3个完全相同的6脉冲二极管整流器，由同一台移相变压器供电。图中一组典型相移角δ的取值分别为-20°、0°和20°。δ也可以有其他取值，如分别取值为0°、-20°和-40°。只要移相变压器任意两个相邻绕组都有20°的相移，18脉冲串联型二极管整流器就可以消除5次、7次、11次和13次谐波。变压器的匝数设计，一般为每个二次绕组的线电压都为变压器一次绕组线电压的1/3。

2.18脉冲分离型二极管整流器

18脉冲分离型二极管整流器的简化结构框图如图1-27所示，它和18脉冲串联型二极管整流器除了直流侧连接方式不同外，实质上基本相同。一般说来，与串联型整流器相比，分离型整流器的THD稍好一些，但功率因数稍差些。

图1-26 18脉冲串联型二极管整流器的简化结构框图

图1-27 18脉冲分离型二极管整流器的简化结构框图

图1-27 18脉冲分离型二极管整流器的简化结构框图（续）

1.6.4 24脉冲二极管桥式整流器

24脉冲二极管桥式整流器有串联型和分离型两种。

1.24脉冲串联型二极管整流器

24脉冲串联型二极管整流器的简化结构框图如图1-28所示，其中4个6脉冲二极管整流器由移相变压器的4个二次绕组供电。为了消除5次、7次、11次、13次、17次和19次6个主要的谐波，变压器的4个二次绕组中任何相邻两个绕组的线电压之间都有15°的相移。图中一组典型的相移角δ取值为-15°、0°、15°和30°，δ另一组典型的取值为0°、-15°、-30°和-45°。24脉冲串联型二极管整流器可有效抑制网侧输入电流谐波和输出电压脉动，其网侧电流仅含24k±1次谐波，输出电压仅含24k次谐波，其幅值与次数成反比。每个二次绕组的线电压都为一次绕组线电压的1/4。

图1-28 24脉冲串联型二极管整流器的简化结构框图

图1-28 24脉冲串联型二极管整流器的简化结构框图（续）

24脉冲串联型整流器线电流的THD非常小，可满足IEEE 519—1992《电源系统谐波控制推荐规程和要求》中对谐波的要求。

2.24脉冲分离型二极管整流器

24脉冲分离型二极管整流器的简化结构框图如图1-29所示，它和24脉冲串联型二极管整流器除了直流侧连接方式不同外，实质上基本相同。一般说来，与串联型整流器相比，分离型整流器的THD稍好一些，但功率因数稍差些。

图1-29 24脉冲分离型二极管整流器的简化结构框图

图1-29 24脉冲分离型二极管整流器的简化结构框图（续）

1.6.5 36脉冲二极管桥式整流器

虽然24脉冲串联型二极管整流器的线电流THD已满足IEEE 519—1992《电源系统谐波控制推荐规程和要求》中对谐波的要求。但是，国内外的有关厂家为进一步改善网侧的电流波形，得到更小的网侧谐波，还设计了30、36、42、48脉冲系列等构成的多级相叠加的整流方式，使其负载下的网侧功率因数接近1，而无需任何功率因数补偿、谐波抑制装置。由于变压器二次绕组的独立性，使每个功率单元的主电路相对独立，类似常规低压变频器，便于采用现有的成熟技术。36脉冲二极管桥式整流器的简化结构框图如图1-30所示。变压器的6个二次绕组采用2×18脉冲移相变压器模式，任何相邻两个整流器的线电压之间都有10°的相移。这种移相接法可以有效消除35次以下的谐波。

图1-30 36脉冲二极管桥式整流器的简化结构框图

图1-30 36脉冲二极管桥式整流器的简化结构框图（续）