帶平衡電抗器雙反星形可控整流電路的深入理解和分析

龍 波, 楊 平, 張 科, 吳 靜, 姚書琴, 王 斌 , 孫宏斌

(1. 電子科技大學 機械電子工程學院, 四川 成都 611731； 2. 西南油氣田分公司 設備管理處, 四川 成都 610051； 3. 清華大學 電機工程與應用電子技術系, 北京 100084)

帶平衡電抗器雙反星形可控整流電路的深入理解和分析

龍 波1, 楊 平1, 張 科1, 吳 靜2, 姚書琴1, 王 斌2, 孫宏斌3

(1. 電子科技大學 機械電子工程學院, 四川 成都 611731； 2. 西南油氣田分公司 設備管理處, 四川 成都 610051； 3. 清華大學 電機工程與應用電子技術系, 北京 100084)

針對大功率雙反星形可控整流電路的教學中，學生在某些知識點的理解上存在的困難和共性問題,搭建了仿真實驗電路,利用仿真電路詳細講授帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路的工作原理,分析該電路中平衡電抗器的作用,然后將此電路拓撲與三相全控橋電路進行比對,并給出了仿真結果。理論分析和仿真實驗驗證的結合,使學生對該知識點的理解和掌握更為透徹。

雙反星形整流電路； 平衡電抗器； 電力電子技術

在“電力電子技術”教學大綱中,大功率可控整流是整流電路教學單元的重要內容。由于輸出電流較大,大功率可控整流電路有廣泛的應用[1]。筆者在教學過程中發現，很多學生對帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路的理解不準確,特別反映在理解平衡電抗器的作用和如何消除直流磁化的問題上。

在雙反星形并聯電路中的兩個星形點間串入有中間抽頭的平衡電抗器,其中間抽頭與直流負載相連接[2]。當使用平衡電抗器時,每一時刻整流電路中都會有2個晶閘管導通。與三相橋式電路相比,在采用相同數量晶閘管的條件下,雙反星形電路的輸出電流可增大一倍[3]。很多學生對這些表示難以理解。本文針對該知識點,詳細闡述帶平衡雙反星形可控整流電路的工作原理,分析理解上的誤區及其原因,并給出仿真結果,可為電氣工程類學生對該知識點的深入理解提供參考。

1 主電路結構、原理及分析

1.1 工作原理

圖1給出了帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路的電路結構。整流變壓器的二次側每相有2個匝數相同、極性相反的繞組,分別接成2組三相半波電路,即a、b、c為一組,a＇、b＇、c＇為另一組。a與a＇繞在同一相鐵心上,b與b＇、c與c＇也分別繞在同一相鐵心上,故得名雙反星形電路。變壓器二次側的兩繞組的極性相反,可消除鐵心的直流磁化。設置電感量為LP的平衡電抗器是為保證2組三相半波整流電路能同時導通,每組承擔一半負載[4]。

圖1 帶平衡電抗器的雙反星型可控整流電路拓撲

與三相橋式電路相比,在采用相同數量晶閘管的條件下,雙反星形電路的輸出電流可增大一倍[3]。而且雙反星形整流電路的導電通路只有一個整流管壓降,通態損耗更小,因此在電解、電鍍、電加熱、埋弧焊接等低壓大電流、大功率的場合得到了廣泛的應用[5-7]。

1.2 理解上的難點

在實際教學過程中,學生提出比較多的問題有2個:一是為什么能消除直流磁化；二是為什么可以同時有2個晶閘管導通,且輸出電流增大一倍。

關于第二個問題。當不接平衡電抗器時,電路實際上就是一個六相半波整流電路,在任意時刻是電壓最高的一相導通,所以只能有1個晶閘管導電,其余5個晶閘管均阻斷,每管的最大導通角為60°,平均電流為Id/6。因為晶閘管的導電時間短,變壓器利用率低,故極少采用[3]。

圖2 雙反星形電路,α=0°時兩組整流電壓、電流波形

此時電流在流經LP時,LP上產生了一個感應電動勢up,方向是阻礙電流增大的方向,為右正、左負。在接了平衡電抗器后,n1和n2之間的電位差加在了LP兩端,此時up=ud2―ud1。如圖3所示,ud=ud2―0.5up=ud1+0.5up,綜合這兩個式子可得ud=0.5(ud1+ud2)。所以此時LP起到了平衡作用,使得晶閘管VT6和VT1都承受正向電壓而導通。這樣就解決了接入平衡電抗器可以使2個晶閘管導通的問題了。

至于電流增倍的問題就很好理解了。在圖2中可以看到,每組半波的輸出平均電流均為Id/6,最終的輸出電流為二者之和,為Id/3,所以與三相橋式電路相比,在采用相同數量晶閘管的條件下,雙反星形電路的輸出電流可增大1倍。

圖3 平衡電抗器作用下兩個晶閘管同時導電的情況

2 仿真及其分析

2.1 仿真電路搭建

為了驗證前面的分析過程,并且能更清楚地將帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路與三相全控橋式整流電路進行對比,本文基于Matlab面向對象的設計思想和該軟件自帶的電氣系統工具箱,建立了基于Matlab/Simulink Power system的兩種電路的仿真模型[9],并對其進行了比較研究,分別如圖4、圖5所示[10-13]。

其中電路的參數配置如表1所示。

本仿真的主要目的是驗證如下兩方面的內容:

(1) 帶平衡電抗器雙反星形可控整流電路能在同一時刻觸發2只晶閘管使其導通；

(2) 帶平衡電抗器雙反星形可控整流電路的整流電流平均值Id是三相全控橋式電路的2倍。

圖4 雙反星形整流電路仿真結構圖

圖5 三相全控橋整流電路仿真結構圖

表1 仿真器件及其參數值設置

整流電路平衡電抗器LP/mH負載電阻RL/Ω負載電感L/mH晶閘管阻值RSCR/Ω晶閘管正向電壓U/V晶閘管緩沖電阻R/Ω晶閘管緩沖電容C/nF雙反星形2050.10.010.81000100三相全控橋200.40.010.81000100

2.2 仿真結果及其分析

本文給出了雙反星形可控整流電路和三相全控橋式整流電路仿真輸出波形,交流電源電壓為150 V/50 Hz,觸發角脈沖時刻為0.001 67 s,觸發周期為0.02 s,觸發脈沖的寬度為20%。

圖6中ud1和ud2分別為兩組整流電路的輸出電壓值,ud為雙反星形負載端電壓值。此時觸發角為30°。從圖中可以看出,此時ud=0.5(ud1+ud2)，并且在任意時刻都有2個晶閘管同時導通。

圖6 在平衡電抗器作用下輸出電壓波形

圖7是平衡電抗器兩端的電壓波形,是理想中的三角波。在時間為0.005 s的時刻,平衡電抗器兩端的電壓值為0 V,而在圖6中ud1和ud2都約為130 V,滿足up=ud2-ud1,由此說明平衡電抗器起到了均壓的作用。

圖7 平衡電抗器上電壓的波形

圖8所示為兩種電路的輸出端電流波形，雙反星形整流電路的輸出電流約為20 A；三相全控橋的輸出電流約為10 A正確驗證了上文所述。當變壓器二次電壓u2相等時，雙反星形整流電流平均值Id是三相橋式電路的兩倍。

圖8 輸出電流波形

圖9是兩種電路負載兩端輸出電壓的波形，雙反星形的負載兩端輸出電壓約為125 V；三相全控橋負載兩端輸出電壓約為250 V，正確驗證了上文所述。當變壓器二次電壓u2相等時，雙反星形電路的整流電壓輸出平均值ud是三相橋式電路的一半。

圖9 雙反星形及三相全控橋整流電路輸出電壓波形

3 結束語

在整流電路中,帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路一直是“電力電子技術”課程教學中的重點和難點,特別是平衡電抗器的作用原理,給很多學生的學習帶來了困擾。通過仿真實驗比較容易理解電路原理,對學生掌握該知識點、正確理解基本概念非常有益。

References)

[1] 王兆安,黃俊.電力電子技術[M].4版.北京:機械工業出版社,2000:73-76.

[2] 汪建平,錢旺超.雙反星形可控硅整流電路中的平衡電抗器[J].氯堿工業,2003(9):6-12.

[3] 王兆安,劉進軍.電力電子技術[M].5版.北京:機械工業出版社,2009:70-79.

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[6] 張基娟,宋裕華.雙反星形可控整流在銀電解生產中的應用[J].黃金,2009(2):38-39.

[7] 姚廣,蔣大明.雙反星形整流電路在電解中的應用[J].電力自動化設備,2006(10):54-56.

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[9] 賈周,王金梅,封俊寶.三相橋式可控整流電路的Matlab仿真分析[J].吉首大學學報,2009(4):73-77.

[10] 陶海英,熊俊.基于MATLAB的三相全控橋式整流電路仿真分析[J].江西電力職業技術學院學報,2011(1):86-88.

[11] 鐘穎,榮軍,朱莉波,等.基于MATLAB的三相半波可控整流電路的仿真研究[J].電子技術研發,2015(2):16-20.

[12] 劉同娟,金能強,馬向國.Matlab在電力電子整流電路仿真中的應用[J].電力電子,2005(1):34-36.

[13] 楊凱,周偉,馬莉.MATLAB基礎應用及仿真實現[M].成都:西南交通大學出版社,2012:111-120.

Analysis of dual reverse-stars type silicon-controlled rectifier equipped with balanced reactance

Long Bo1, Yang Ping1, Zhang Ke1, Wu Jing2, Yao Shuqin1, Wang Bin3, Sun Hongbin3

(1. School of Mechatronics Engineering,University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 611731, China；2. Equipment Management Department, Petro China Southwest Oil & Gas Field Company, Chengdu 610051, China; 3. Department of Electrical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

During several years of teaching on power electronics for undergraduate students, some common misunderstanding problems have been found, however, the textbooks do not provide detailed explanation and verification on this point. This paper illustrates the operation principle of the dual reverse-stars type silicon-controlled rectifier (RSTSC) equipped with balanced reactance. Analysis of the balanced reactor in the circuit is also illustrated. Moreover, to demonstrate the merits of RSTSC, Comparison results with the three-phase fully controlled bridge circuit are provided by simulation verifications, which would be beneficial for the students to deeply grasp the knowledge points.

dual reverse-stars type silicon-controlled rectifier; balance reactance; power electronic technology

2015- 05- 16 修改日期：2015- 07- 16

中央高校基本科研業務費項目(ZYGX2012J095)資助；清華大學電力系統國家重點實驗室項目(SKLD14KM03)資助

龍波(1978—),男,四川南充,博士,副教授,主要從事電力電子技術方面的教學和科研工作.

E-mail：longbo_1978@126.com

G642；TM461

A

1002-4956(2015)12- 0123- 04