CN1059055A - 优化的十八脉冲型ac/dc或dc/ac变流器系统 - Google Patents

Abstract

一种18脉冲变流器系统，由于提供了跨接DC 两端的三个整流器电桥而不再用相间变压器和DC 侧的中点。一个整流器电桥与AC端耦合，另外两个 被产生+和-40度的相移，而整流器装置被控制在40 度的电流导通。

Description

本发明涉及静态AC-DC变流器，例如可用于AC或DC电机的变流器。

类似可用于AC或DC电机的静态AC-DC变流器现存的一个主要问题是整流过程中在AC线路上产生谐波。另一个问题是成本。采用变压器和滤波电感以及它们的额定功率均要求有最少的元件、线圈和整流器件，而又不损失整个系统的效能。

美国专利No.4，876，634表示可以设计一种多相AC/DC变流器，它带有单个变压器，变压器抽头相继连接一组呈多边形的长、短线圈，这些抽头形成输出电流之间的差别。

本发明属于一种18脉冲变流器系统，它具有优化的结构及功能特征。它包括三组直接与DC端并联的6-脉冲桥式整流器，其中两个桥式电路在相对于AC线分别有+40度和-40度的相移条件下工作，第三个桥式电路或中央桥式电路直接连接AC线路，整流器均被控制在40度的电流导通。本发明可以用于一个30脉冲系统的五个这样的三相桥式整流器，其中相对中央桥式电路的位移为±48°、±24°。根据同一思路本发明可用于一个七桥脉冲系统、九桥脉冲系统甚至更多。

本发明涉及一种18脉冲AC-至-DC变流器配置，它采用了具有适当的相移和选定的导通角的特殊的自耦变压器连接，以避免需要用相间变压器。当结合使用AC线路电抗器时，此配置导致了在AC线路中产生一个很容易降至基波电流的1.5%以下的输入线路谐波电流，这是对先有技术的一个重大改进。当要求一个AC-至-DC变流器所产生的谐波电流必须低于12脉冲配置所能达到的值时，这种特殊的18脉冲设计就变得很理想。这一方案的根据是理想化的谐波电流频率为（18k±1），其振幅为1/（18k±1）。由于大量的相关相移和相间变压器，先有的18脉冲技术遇到了实际连接的困难。

三相整流器桥式电路配置典型地包括一个3脉冲变流器组，它带有三个SCR器件，或者三个二极管，其电流导通周期为120°，但按这种方案，需要有一个相间变压器和需要在桥式电路之间提供一个中性参考点、而本发明则不再要求有一个相间变压器，也不要求有整流器桥式电路之间的中性参考点。

通过实例并结合下列附图对较佳实施例进行以下说明，从而可以对本发明有一个更彻底的理解。

图1表示一个三脉冲变流器系统，它由一个整流器组和一条三个交流相的中线构成，以非平滑的直流方式工作。

图2表示一种组合了两个3脉冲整流器组的系统，它由两组整流器和一条三个交流相的中线构成，以非平滑的直流方式工作。

图3表示一种使用两个3脉冲整流器组的系统，它带有一个Z形连接的相间变压器并提供一条不同于电源的中性点;

图4为先有技术，表示对三个6脉冲整流器桥式电路的应用，它们以20度相移错开并带有相间变压器;

图5为摘自美国专利No.4，876，634的先有技术，表示一种采用双重相移自耦变压器的18脉冲变流器，并且也结合了三个6脉冲整流器桥式电路，它们以20度相位错开并采用相间变压器;

图6为图5的双重相移自耦变压器的多边形表示;

图7表述了根据本发明的一个实施例的18脉冲变流器，该实施例使用了三个并联6-脉冲整流器桥式电路，其中两个位于分别为正、负40度的两个分立的变压器之后;

图8表示本发明的第二实施例，其中单个变压器耦合到三个并联6脉冲整流器桥式电路，从而对两个桥式电路中对应的一个产生±40度相角的脉冲，并且对第三个桥式电路的相移为零度;

图9和10表示如何在没有相间变压器情况下平滑电感与图7和图8中的三个整流器桥式电路相配合以消除高频噪声;

图11配合图7用来表示根据本发明的18-脉冲变流器系统的第一实施例，两个三角形变压器（delta-transformer）相对于它们共同的中央三角形绕组错开十、-40度;

图12配合图8用来表示根据本发明的18-脉冲变流器系统的第二实施例所使用的一种差绕三角形（differential  delta  type）的单个自耦变压器;

图13表示有关图11和12的三个并联的6-脉冲整流器桥式电路;

图14说明按照图12的实施例的绕组分配;

图15和图16用曲线描述了图13的整流器桥式电路中使用的两个不同的电感元件值所得到的输入电流电压波形;

图17、18、19描述对本发明的三个实施例的图14所示的绕组分配所做的修改。

参见图1，它给出一个基本的3相整流器组，由于在DC一侧缺少平滑电感器，因此在DC负载上有明显的波动量。该组包括三个经电感线圈L与AC线L1、L2、L3相连接的SCR器件T1、T2、T3。它们的共同接合点（M连接DC的正极TA。中线是LN，它引自DC端TB。两个DC端之间有一个电容器C和一个电阻器R，这是通常熟知的。这一系统工作起来可根据电源和负载在哪一侧或者把AC电源转换为DC电源，或者相反地把DC电源转换为AC电源。如所示的那样，线路电流是通过电感L加入的，从而限制了电流变化率并降低了线路电流谐波。AC电流，如图1所示的i1含有一直流成分和一个明显的第三谐波电流量。尽管这是一个可用的电路，但很少用在较大功率的应用中，因为它存在这种失真和加在电源上的不良负荷。

图2示出了两个这样的“构件”：T1、T2、T3和T′1、T′2、T′3，其共同接合点分别为CM、CM′并有一个共同的中性点（位于两个电容器C和C′之间）用来接中线LN。这一共同的中性接点用来消去电源中的DC成分。然而，仍保留了大量AC电源带来的第三谐波电流成分。如果提供一个不返回AC电源的中性点N，则第三谐波就不再流过AC电源。这示于图3，采用了一个Z型相间变压器TNF，其初级线圈W1、W2、W3接三根AC线L1、L2、L3，交叉的次级线圈W′1、W′2、W′3经过线路TN汇聚到位于电容C和C′间的中心点的中性点N。但是，仍有显著的第三谐波电流分量流经中心点N。

图4所示的另一方案使用了三块“构件”，而不是图3所述的两块。图4示出美国专利第4，876，634所公开的三个6-脉冲整流器桥式电路BR＃1、BR＃2、BR＃3。整流器被控制在120度的电流导通，桥式电路相对于输入的电源电压有间隔为20度的相移。它们的两端通过相间变压器互连，如图4所示，一端与正的DC端TP相接，另一端与负DC端TN相接。这有助于提供一个共同中性点，正如图3所探讨的那样。

图5作为先有技术示出了美国专利第4，876，634所公开的18-脉冲变流器。该变流器工作于一个多边形变压器，它将（电桥BR＃3的）线路1、2、3，（电桥BR＃2的）线路1′，2′、3′以及（电桥BR＃1的）线路1″、2″、3″均按相对的20度相移设置，同时SCR器件被控制成120度导通。这种多边形方案更概括地示于图6，它标出每一抽头（电桥BR＃1的P、Q、R和电桥BR＃2的P′、Q′、R′）处引出的电流（11、12、13）的代数和、对应的相移（由绕组给出）为φ、对PQ有一正的电压相移+φ，对GH有一负电压相移-φ，在这里连接了一对AC线。然而，与图4所示类似，图5也用了相间变压器，以便在DC端的任何一侧建立中性点。这是在两个电桥间有一个+和-φ度相移并且整流器有一个120度相角的电流导通的结果。

形成对比的是，此发明的三个6-脉冲整流器电桥是直接并联到两个DC端上的。这时，两个电桥处于相反的+和-40度相移，而第三个则处于0度相移的中央位置，即与AC线路同相位。以此方案提出两个实施例，见图7和8。

参见图7，两个变压器TNF1和TNF2（它们相对于AC线路L1、L2、L3的AC电压一个有-40°相移，另一个有+40°相移）分别经对应线路1′，2′，3′和1″、2″、3″耦合到整流器电桥BR＃1和BR＃2。AC线路L1、L2、L3经线路1、2、3直接加到第三整流器电桥BR＃3。这样，如图3，AC一侧为线路L1、L2、L3，而DC一侧在电桥共同端TA和TB之间。

参见图8，另一实施例中把单个变压器TNF的一侧插入到三个电桥BR＃1、BR＃2和BR＃3之间，另一侧接线路L1、L2、L3。同样，变压器TNF相对于来自L1、L2、L3的线路1、2、3的0度相移在通往电桥BR＃1的线路1′、2′、3′和通往电桥BR＃2的线路1″、2″、3″之间提供+40°和-40°的相移。

如图7和图8所示，在整流器电桥一侧不需要有相间变压器，也不必寻求中性点。结果是，每组整流器电桥都有相同的各自串联地跨接在两个DC端的整流器对，其中间点连接输入（或输出的AC线。所要求的只是一个滤波电感L以消除整流器电桥的线路1、2、3;1′、2′、3′和1″、2″、3″上的任何高频成分。图9中，每条线路（1、2、3;1′、2′、3′;1″、2″、3″）都带一个电感L。图10中，在端极TA和TB间对应的电桥及线路的每一侧插接两个电感L和L′。

图11是与本发明的第一实施例相关的图形。它表示出两个变压器的电压矢量组（Ⅰ处于40°相移，Ⅱ处于-40°的相移），中间的0度相移的三角图形表示基本组。点1、2、3通往电桥BR＃3;点4′、5′、6′通往电桥BR＃2;点4、5、6通往电桥BR＃1。

图12表示关于本发明第二实施例的与具有差绕三角形形式的单个变压器相应的电压矢量。示出这样的系统的18-脉冲变流器具有优化的设计。在带有单变压器的中央三角1、2、3周围设有：点4、5、6通向电桥BR＃1并处于40°相移;抽头4′、5′、6′通向电桥BR＃2并处于-40°相移。

图13示出三个电桥（BR31、BR＃2、BR＃3）并联在两个DC端极TA、TB之间并且各自连接对应的九条AC线（1至9）。没有相间变压器。为了降低高频电流，每条线引入一个电感L，并且在DC侧的电容C之前引入一个电感Ldc，还引入一个表征DC负载的可变电阻Rdc。

图14是配合图12的总图的差绕三角形变压器设计。设置在AC线抽头I、G、H附近的WA、WB、WC是中央绕组，事实上，如果输入来自AC一侧则它们就是初级绕组。对两个电桥（BR＃1和BR＃2）之一的次级绕组有+40°相移：W′A1和W′B2与对应于绕组WA的抽头3（即顶点I）相联;W′C1和W′A2与对应于绕组WC的抽头2（顶点G）相联;抽头1（顶点H）的W′B1和W′C2接至对应于抽头1（顶点H）的绕组WB。W′B2、W′A2、W′C2分别与绕组WB、WA和WC相耦合，而绕组W′A1、W′B1和W′C1分别与绕组WA、WB、WC相耦合。同理可推-40°相移的成对绕组WA1与WC2（顶点I）、WC1与WB2（顶点G）、WB1与WA2（顶点H）的情形。关于绕组的大小：WA、WB或WC典型地是58匝;WA1、W′A1、WB1、W′B1、WC1、W′C1为17匝，而WA2、W′A2、WB2、W′B2、WC2、W′C2为9匝。另一组可能的绕组其主绕组、中间绕组及最小绕组的匝数分别为65、19和10匝。

为了说明相对于中央三角形1、2、3的+和-40°相移的作用，应当注意的是，当第三谐波通过变压器而无相移发生时，第三谐波为零序列。这样，如果假设来自直接与源相连接的变流器的第三谐波电流为零度相位，则超前（+40°）变流器将以3×40°，即120°相位产生第三谐波电流，而滞后（-40°）变流器将以3×（-40°），即-120°相位产生第三谐波电流。这样，这组3-相第三谐波电流相抵消，最终不会从源端带来第三谐波。类似地，5、7、11、13谐波的正、负序列组在通过变压器时也被进行相移。负序列相移一个角度正序列相移相反的角度。例如，考虑+40°变压器中的第五谐波，其对源的相移为（5×40°）+40°，即240°。类似地，在-40°相移变压器中，其相移为（5×（-30°））-40°，即-240°。这样，对源来说三组第五谐波电流之和为零。类似的推理可知7、11、13谐波也被抵消。考虑了中央6-脉冲整流电桥，就可以按同样的原理设计一个30-脉冲变流器系统，即加入四个（而不是两个）对称相移的电桥并配以一个无相移电桥。在这一情况下，两个将处于+和-48度的相移，两个将处于+和-24度相移，一个将处于零度相移。我们还可以进一步采用7个电桥（而不是5个）即采用1+6-脉冲电桥。

图15和16表示在图13所示的情形中，当（1）L＝0.003%及Ldc/Rdc＝1.2ms及（2）Ldc＝0时在变压器输出端处的“线路对中性线”（line-to-neutral）电压（V）及流通的电流。

图17与图14相似，但通过附加一个绕组WD进行了修改，该绕组增设在三角形GHI的每一边（WA、WB、WC）的延伸线上。三条AC线1、2、3分别连接到所附加绕组WD的一端，而其另一端头连接相应的三角形顶点。其效果是把DC的输出降低到附加绕组WD安匝数限定的程度。

图18与图14相类似，附加了不是要减小DC输出而是增加DC输出的一个绕组WD。这使得AC线1、2、3不是直接与三角形GHI的各顶点相连接，而是与主三角形绕组的抽头连接。这种绕组不是图14所示的完整的三角形绕组WA、WB或WC，而只是主三角形绕组的一部分，该三角形中的附加部分就是图17中的绕组WD，在这里用来作为减数。

图19给出图14所示绕组系统的一个替换配置，它涉及在正向或负向产生一个40°相移的成对绕组（抽头1的W′C2、W′B1与WB1、WA2;抽头2的W′A2、W′C1与WC1、WB2;或者抽头了的W′B2、W′A1与WA1、WC2）。最接近主绕组WA并连接在其两端的绕组WA2和W′A2现在被插接到WA的对应端点与主三角形的相应顶点之间。WB2和W′B2对于主绕组WB以及WC2和W′C2对于主绕组WC也有同样的关系。每对另外的绕组即远离某主绕组（WB、WC或WA）并与该主绕组耦合的那对绕组（顶点H处的WB1和W′B1，或顶点G处的C1和C′1，或者顶点I处的WA1和W′A1），在相邻的主绕组（顶点H处为WA和WC，顶点G处为WB和WA，顶点I处为WC和WB）与插入的绕组之间的节点分支出来（WA2与WA间的WB1、W′C2与WC间的W′B1;W′A2与WA间的W′C1、WB2与WB间的WC1等）。为了更一般化，图19的实施例也给出一个绕组WD，它插入接有AC线1、2、3的三角形各顶点。

Claims (12)

1、一种在AC母线与DC母线之间工作的静态变流器系统包括：至少三个并联连接所述DC母线的整流器电桥，每个整流器电桥带有三条连接在两个串联地接在两条DC母线间的整流器装置的中点的AC线，一个整流器电桥的AC线直接连接所述AC母线；其特征在于：一个自耦变压器插在所述AC母线(1、2、3)与三个整流器电桥的各AC线(1至9)之间；所述自耦变压器具有三个双对绕组(邻近绕组WB、WA的是WB2、WC1与W′C1、W′A2)构成一六边形，每一对绕组对称地置放在一个内接于该六边形并由所述三个AC母线1、2、3限定的等边三角形的顶点(I、G、H)附近，一个双对绕组的一端(8)连接一个所述整流器电桥，双对绕组的另一端(5)连接第二个所述的整流电桥而一个双对绕组的中点2连接第三个所述的整流器电桥；与所述双对绕组耦合的三个主绕组(WA、WB、WC)连接在所述顶点之间；双对绕组所述的一端和所述的另一端相对于联接的顶点有十和-40度相移；所述整流器电桥的整流器装置被控制成40度导通；因而该系统是一个至少18脉冲的变流器。

2、根据权利要求1的系统，其特征在于，一对绕组中的一个与相关顶点对面的主绕组相耦合，该对绕组中的另一个与和该相关顶点相邻的主绕组之一耦合。

3、根据权利要求1的系统，其特征在于，将滤波电感器插置在每条所述的AC线上。

4、根据权利要求1的系统，其特征在于，将滤波电感器插置于各整流器电桥与所述DC母线之间使之单独工作。

5、一种在AC母线和DC母线之间工作的多脉冲变流器系统包括：至少三个并联连接所述DC母线的整流器电桥，每个整流器电桥包括一对在一中点附近串联连接的整流器装置，AC线从所述中点引出，其特征在于：所述电桥中的一个的AC线直接连接所述AC母线;三个主绕组在所述AC母线之间按相继顺序进行三角连接;与所述主绕组耦合的两组三个绕组，一组被提供40度相移，另一组被提供-40度相移;另外两个所述整流器电桥的AC线与所述的三个耦合的绕组中对应的一个相连接;因而该系统是一个至少18脉冲的变流器系统。

6、根据权利要求5的系统，其特征在于：每条所述AC线上设置滤波电感器。

7、根据权利要求5的系统，其特征在于：在每个整流器电桥与所述DC母线之间设置滤波电感，使之单独工作。

8、根据权利要求5的系统，其特征在于：与两个主绕组耦合的所述两组绕组中的一组，按所述的相继顺序在相关的三角形顶点之前，与两个主绕组耦合的所述两组绕组中的另一组，按所述的相继顺序在相关的三角形顶点之后。

9、根据权利要求8的系统，其特征在于：所述每组三个绕组中包括一对绕组，其中一个与一个主绕组耦合，另一个与所述两个主绕组中的第二个主绕组耦合。

10、根据权利要求9的系统，其特征在于：每组绕组的一对绕组中的绕组WD连接在一个主绕组的一端与和该端相关联的三角形顶点之间。

11、根据权利要求8的系统，其特征在于：AC线与连接着主绕组的所述三角的顶点分别连接，一个附加绕组连接于每条AC线与相关的三角形顶点之间，从而降低DC侧的电压。

12、根据权利要求8的系统，其特征在于：各AC线以相继的顺序连接一主绕组WA、WB、WC的抽头A、B、C，从而增加DC侧电压。

Images