2022年带平衡电抗器的双反星形可控整流电路 .pdf

带平衡电抗器的双反星形可控整流电路在电解电镀等工业中，常用到低电压大电流（例如几十伏，几千至几万安）可调直流电源。图2-28 为带平衡电抗器的双反星形可控整流电路。其变压器二次侧为两组匝数相同极性相反的绕阻，分别接成两组三相半波电路。变压器二次侧两绕组的极性相反可消除图 2-28 带平衡电抗器的双反星形可控整流电路图 2-29 双反星形电路，a=0 时两组整流电压、电流波形名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 7 页 -铁芯的直流磁化，设置电感量为Lp 的平衡电抗器是为保证两组三相半波整流电路能同时导电。与三相桥式电路相比，在采用相同晶闸管的条件下，双反星形电路的输出电流可大一倍。平衡电抗器的作用：两个直流电源并联时，只有当电压平均值和瞬时值均相等时，才能使负载均流，双反星形电路中，两组整流电压平均值相等，但瞬时值不等，两个星形的中点n1 和 n2 间的电压等于ud1 和 ud2 之差。该电压加在Lp 上，产生电流 ip，它通过两组星形自成回路，不流到负载中去，称为环流或平衡电流，考虑到 ip 后，每组三相半波承担的电流分别为。为了使两组电流尽可能平均分配，一般使Lp 值足够大，以便限制环流在负载额定电流的1%2%以内。图 2-30 平衡电抗器作用下输出电压的波形和平衡电抗器上电压的波形双反星形电路中如不接平衡电抗器，即成为六相半波整流电路，只能有一个晶闸管导电，其余五管均阻断，每管最大导通角60o，平均电流 Id/6。当=0 时，Ud 为 1.35U2，比三相半波时的1.17U2略大些。六相半波整流电路因晶闸管导电时间短，变压器利用率低，极少采用。双反星形电路与六相半波电路的区别就在于有无平衡电抗器，对平衡电抗器作用的理解是掌握双反星形电路原理的关键。由于平衡电抗器的作用使得两组三相半波整流电路同时导电的，平衡电抗器Lp 承担了 n1、n2 间的电位差，它补偿了ub 和 ua 的电动势差，使得两相的晶闸管能同时导电将图 2-29中 ud1 和 ud2 的波形用傅氏级数展开，可得当a=0时的 ud1、ud2，即ud 中的谐波分量比直流分量要小得多，且最低次谐波为六次谐波。需要分析各种控制角时的输出波形时，可先求出两组三相半波电路的ud1 和 ud2 波形，然后做出波形(ud1+ud2)/2。图 2-32 为 a=30、60、90 时，双反星形电路的输出电压波形。双反星形电路的输出电压波形与三相半波电路比较，脉动程度减小了，脉动频率加大一倍，f=300Hz 电感负载情况下，a=90 时,输出电压波形正负面积相等，Ud=0，移相范围是90名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 7 页 -如果是电阻负载，则ud 波形不应出现负值，仅保留波形中正的部分。同样可以得出，当a=120 时，Ud=0，因而电阻负载要求的移相范围为120 。整流电压平均值与三相半波整流电路的相等，为Ud=1.17 U2 cos a 将双反星形电路与三相桥式电路进行比较可得出以下结论：三相桥为两组三相半波串联，而双反星形为并联，且后者需用平衡电抗器当 U2 相等时，双反星形的Ud 是三相桥的1/2，而 Id 是三相桥的2 倍两种电路中，晶闸管的导通及触发脉冲的分配关系一样，ud 和 id 的波形形状一样双反星形整流电路并联运行环流分析摘要：从三相半波整流电路输出直流电压数学表达式入手，对两组带平衡电抗器双反星形整流电路并联运行的环流进行分析，提出了在两组整流电路之间省略平衡电抗器的新观点，并通过仿真证明了此观点的正确性。关键词：双反星形；环流；平衡电抗器1 引言在我国大型核聚变装置、强磁场装置及电解、电镀等方面的应用中，经常需要电压为几V 至十几 V、电流为几 kA 至几十 kA 的可调直流电源。在这种低电压大电流可调直流电源的设计中，一般采用双反星形带平衡电抗器整流电路。由于受晶闸管最大额定电流的限制，在很多情况下必须采用晶闸管并联才能满足要求。另一方面由于双反星形带平衡电抗器整流电路输出的直流电压为6 脉波，不能满足如核聚变装置、强磁场装置等这种对纹波要求较高的场合1。为了减小输出直流电压的谐波含量和减轻整流装置高次谐波电流对电网的影响，也为了减少晶闸管并联过多对装置设计带来的麻烦，可以采用两组双反星形带平衡电抗器整流装置（一组整流变压器原边接成星形,另一组接成三角形）并联运行，从而使相电压移相30 达到 12 相的整流效果。按照常规设计，需在两组整流装置输出端之间接一平衡电抗器来限制两组整流装置之间的环流。本文通过对两组整流装置并联运行时的环流进行分析，得出了两组整流装置之间可以不加平衡电抗器即可完全满足工程需要的新结论,通过仿真证明了此结论的正确性。2 等效电路的建立图 1 双反星形带平衡电抗器整流电路并联运行主电路图图 1 是两组双反星形整流电路并联运行电路图，每组带平衡电抗器的整流电路的输出整流电压波形是两个相差60 的三相半波整流输出电压波形的叠加2（由于平衡电抗器的作用，使两个星形能够并联运行），而总的输出电压波形是两组整流电路输出电压波形的叠加。对于每个三相半波整流电路的输出电压波形，可利用富氏级数展开式,分解成各谐次正弦函数，其触发角=0时富氏级数的数学表达式为:名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 7 页 -Ud1=1.17U2(1cos3tcos6t图 3 三次谐波作用计算环流等效电路图（a）无平衡电抗器（b）有平衡电抗器cos9tcos12t)（1）Ud2=1.17U2(1cos3tcos6tcos9t cos12t)（2）Ud3=1.17U2(1cos(3 t/2)cos6tcos(9 t/2)cos12t)（3）Ud4=1.17U2(1cos(3 t/2)cos6tcos(9 t/2)cos12t)（4）由以上表达式可知，各三相输出电压是由不同频率的正弦波组成，按照电路叠加原理3，各支路的环流计算,我们可以认为是各个成分(包括直流分量和各谐波分量)共同作用相互叠加的结果。由于在每个支路中直流分量和十二次谐波电压的相位相同而相互抵消,因此，它们不产生环流。计算环流等效电路如图2 所示。3 各次谐波电压产生的环流计算首先计算三次谐波电压单独作用产生的环流，图3 是三次谐波电压作用计算环流等效电路图。为了对两种情况下的计算结果进行比较，等效电路图分为图 3(a)和图 3(b)，其中图 3(a)是无平衡电抗器Lp 等效电路图，图3（b）是有平衡电抗器Lp 等效电路图。式（1）中各电压表达式中的三次谐波电压可用向量表示为（5）式中：U3=。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 7 页 -对于图 3（a），用回路法列回路方程组=（6）对于图 3(b)，同样用回路法列回路方程组=(7)按照同样方法可以列出六次、九次谐波电压单独作用时的回路方程组。解此方程组可得出各支路的谐波电流及环流，计算结果如表1 所列。表 1 各次谐波电压环流计算结果支路电流3 次谐波有 Lp I31j I31 I31 0 0 无 Lp I31j I31 I31 0 0 6 次谐波有 Lp I61j I61j I61j 2I61j 2I61j 无 Lp I62j I62j I62j 2I62j 2I62j 9 次谐波有 Lp I91j I91 I91 0 0 无 Lp I91j I91 I91 0 0 In1=，In2=，n=3、6、9 由以上的计算结果可知，无论是图3（a）或者图 3（b），三次和九次谐波电压产生的环流不流过Lp，只在本组整流电路的两支路内流动,与两组整流电路之间的环流无关。六次谐波电压产生的环流全部流过Lp，而不在本组整流电路之间流动，是两组整流电路之间环流的组成部分。4 平衡电抗器电感量和环流计算把以上所计算的各次谐波电压产生的环流相叠加,便可得出每个支路环流i1H 和每组整流电路之间的实际环流ip。图 2 计算环流等效电路名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 7 页 -图 4 环流限制在1时 L 和 ip 随 Lp/L 变化曲线（a）有平衡电抗器Lp（b）无平衡电抗器Lp 图 5 双反星形带平衡电抗器整流电路并联运行环流波形图i1H=cos(3 t/2)cos(6 t/2)cos(9 t/2).(8)ip=cos(6 t/2)(9)一般情况下，每组整流器的环流都限制在额定电流值的12，也就是两组整流器输出总电流的0.5 1。由于晶闸管的单向导电性，环流的最大值不能大于工作电流值，否则晶闸管将会阻断，使电路处于六相半波运行状态，而不能进入并联运行状态。图 4 是当每组整流器的环流限制在1时，电感L 和两组整流器之间的环流ip 随 Lp/L 变化曲线。由图 4 曲线 L 可以看出，Lp/L 从 0（无 Lp）到 1 之间变化时，当环流限制在1时，所需的电感量仅减小了0.00016U2/Id（从 0.03127U2/Id 变化至0.03111U2/Id），也就是说Lp 的变化并不影响环流i1H。从图 4 曲线 ip 可以看出，当Lp/L 从 0 到 1 之间变化时，ip 从 0.00227Id 变化至 0.00113Id。如果此时额定电流为10kA，则其环流从22.7A 变为 11.3A，由此可见，电感L 已经起到限制环流的作用，在满足每组整流器环流限制值1的情况名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 7 页 -下，两组整流器之间的环流为22.7A。这完全能够满足工程要求，同时也减小了工程?价。5 仿真结果为了验证本文的研究结果，我们用MATLAB对此电路进行了仿真，图5 为仿真结果曲线。仿真电路参数是按照HT超导托克马克纵场电源的具体参数来选取。其值为：U2=18V，2L=0.3mH，Lp=0.15mH，负载为电感量3.25H、电阻为 6.6m 的大电感负载。由图 5 可知，无论有无中间平衡电抗器，每组整流器之间的环流大约为80A，而两组整流器之间的环流在两种情况下分别为19.6A 和 9.3A，证明了理论分析的正确性。6 结语1）对于两组并联运行的双反星形带平衡电抗器整流电路，可以省去两组整流器之间的平衡电抗器。2）两组双反星形带平衡电抗器整流电路并联运行时产生的环流中，3 的奇数倍次谐波电压产生的环流只在每组整流器之间的两相内流动。3）在 3 的偶数倍次谐波中，6 的奇数倍次谐波电压产生的环流只在两组整流器之间的两相内流动。4）在 3 的偶数倍次谐波中，6 的偶数倍次谐波电压不产生环流，与直流分量一起组成并联后输出电压的组成部分。因此，在这种联结方式下，其输出电压的最低次谐波是12 次谐波，这与用其它方法分析的结果相一致。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 7 页，共 7 页 -