1、引言
在钢铁工业领域，传动系统是核心的设备;在传动的实现和控制上直接的执行机构是电动机，对电机的控制可以说是钢铁工业的一个主要内容。在很多领域，特别是高压大功率领域，直流电机的传动已经淘汰，虽然直流电机的调速性能优异，但其结构本身的弱点难以克服。现在交流电动机在传动领域占据着主导地位，特别是变频技术的发展使得交流电机优势更加明显。当然，在钢铁工业中经常遇到的高压领域，交流变频技术还不能说十分的完善，还是有一些值得技术人员探讨的热点，在本文中将就高压变频的输入整流部分做一个分析研究，看看在多重电压整流下，变频器中间直流侧的脉动电压会有哪些特点。
2、高压变频的多重电压输入结构
2.1 高压变频器的功率单元串联结构
我国的高压变频定义是6000V以上的高压输入，在工业实践中使用最多的是6000V和10000V高压输入。在这样的高压下，按照传统中低压变频的电路结构是无法直接使用的，原因在于功率单元器件无法承受这样的高电压等级，那么为了满足需要，实践中采用了功率单元串联的方法，使低压器件能够串联分压，达到高电压输出的目的。
这里值得强调的是，功率单元的串联不同于功率器件的串联，两者有着本质的区别：功率器件串联虽然也能解决单个功率器件耐压不足的问题，但串联器件间的均压很难实现，均压不均的结果是功率器件在高压下被击穿损坏;而功率单元串联是高压输入后被拆分为数个低压，而后在输出侧串联成高压输出，不存在器件的均压问题。在图2.1中可以看到功率单元串联的结构，在本文中重点讨论输入的整流问题，所以也只表述出整流侧的结构原理。
图2.1 功率单元串联的结构原理
2.2 整流输入电压的多重化原理分析
变压器有一个很重要的应用就是变相位。为了达到多脉波整流的目的，特别是在输入多重化时希望得到多种超前或落后的角度，以便让不同的串联单元处于不同的电角度上。这样做有两个重要的目的，一个是整流后的直流侧电压脉动很小，另外一个是对电源侧的谐波干扰小，谐波减小对于工业用电的绿色智能意义重大，是保证电源质量，降低设备间干扰的重要保证。
在工业用电中高压变频系统的进线是高压，利用功率单元串联可以使得每个功率单元处理低压，而后在输出侧串联成高压来达到目的。进线的高压需要通过变压器来变成器件可承受的低压，还要保证较小的谐波干扰。那么就需要充分利用变压器变压、变流和变相位的作用，使不同单元的输入相差一个电角度，达到多重电压整流的目的。
在实际应用中通常采用延边三角形的方法来做电角度的移相，关于延边三角形的电学推导在很多资料上都有详述，这里不在重复，只给出几个结论公式。延边三角形移相的图示如图2.2所示：
图2.2 延边三角形移相的结构原理
下面两个是重要的结论公式：这里的θ为二次线电压超前于一次相电压的相位角，设变压器一次、二次绕组匝数分别为N1和N2，变比为n，二次侧的移相绕组和基本绕组匝数分别为kN2和(1-kN2)，当然k是一个介于0和1之间的正数。
可以清楚的看出，当k介于0和1之间时，此种延边三角形方式可实现α的-π/6至0度的相位滞后位移。如要求滞后3.75°且一次输入电压为6000V，则可计算出k=0.796，n=0.0741。这就克服了变压器在传统星三角联接方式下只能30°整数倍移相的缺点。
3、整流输入电压的多重化波形分析
从理论上说，多重化整流有两个好处，其一：直流母线上的电压脉动小，提高了直流侧直流电源的质量，对于逆变是很有好处的;其二：对电源侧的谐波干扰小，减少了对电网和其它设备特别是精密设备的影响。本文重点分析一下直流母线上的电压脉动问题，不做太多理论上的推导和计算，而是直接利用计算机仿真研究的方法来从侧面证明多重电压整流的意义，验证其理论推导上的结论。
在Matlab环境下，通过一个模型来仿真整流后的波形，并以4单元串联和8单元串联为例，来进行一个对比。波形图如图3.1和图3.2所示：
图3.1 四个单元串联的直流侧电压波形
图3.1表示四个功率单元串联，组间移相15°的情况，可以看到波形虽然感觉波动很厉害，实际上只是在20V左右的区间内波动，相对于数千伏的输出，电压是很平稳的。
图3.2 八个单元串联的直流侧电压波形
图3.2显示的结果是八功率单元串联时的仿真波形，图中最高输出电压为6798V，而最低电压为6795V左右，即上下差了不到3V，直流电压的平稳程度又提高了很多。可见多脉波整流输出的直流电压质量比较高。
图3.3和图3.4是八单元串联的直流侧电压的局部放大图。
图3.3 八单元串联的输出直流电压局部放大图1
图3.4 八单元串联的输出直流电压局部放大图2
从以上四个图中可以得到的结论是，功率单元串联后的直流电压脉动很小，几乎可以忽略不计，直流侧作为变频器的中间过度环节，特别是高压大功率的变频系统，直流侧电源的稳定对逆变侧高质量的输出意义重大。
在武钢炼铁厂高炉的除尘风机中，大量采用了多重电压的输入整流技术，其效果是非常理想的，不仅达到了工艺上的要求，还达到了节能环保的目的，对电网的影响也是比较小的，相比于传统控制方式，作用明显。
