带平衡电抗器双反星形可控整流电路的深入理解和分析

龙 波, 杨 平, 张 科, 吴 静, 姚书琴, 王 斌 , 孙宏斌

(1. 电子科技大学 机械电子工程学院, 四川 成都 611731； 2. 西南油气田分公司 设备管理处, 四川 成都 610051； 3. 清华大学 电机工程与应用电子技术系, 北京 100084)

带平衡电抗器双反星形可控整流电路的深入理解和分析

龙 波1, 杨 平1, 张 科1, 吴 静2, 姚书琴1, 王 斌2, 孙宏斌3

(1. 电子科技大学 机械电子工程学院, 四川 成都 611731； 2. 西南油气田分公司 设备管理处, 四川 成都 610051； 3. 清华大学 电机工程与应用电子技术系, 北京 100084)

针对大功率双反星形可控整流电路的教学中，学生在某些知识点的理解上存在的困难和共性问题,搭建了仿真实验电路,利用仿真电路详细讲授带平衡电抗器的双反星形可控整流电路的工作原理,分析该电路中平衡电抗器的作用,然后将此电路拓扑与三相全控桥电路进行比对,并给出了仿真结果。理论分析和仿真实验验证的结合,使学生对该知识点的理解和掌握更为透彻。

双反星形整流电路； 平衡电抗器； 电力电子技术

在“电力电子技术”教学大纲中,大功率可控整流是整流电路教学单元的重要内容。由于输出电流较大,大功率可控整流电路有广泛的应用[1]。笔者在教学过程中发现，很多学生对带平衡电抗器的双反星形可控整流电路的理解不准确,特别反映在理解平衡电抗器的作用和如何消除直流磁化的问题上。

在双反星形并联电路中的两个星形点间串入有中间抽头的平衡电抗器,其中间抽头与直流负载相连接[2]。当使用平衡电抗器时,每一时刻整流电路中都会有2个晶闸管导通。与三相桥式电路相比,在采用相同数量晶闸管的条件下,双反星形电路的输出电流可增大一倍[3]。很多学生对这些表示难以理解。本文针对该知识点,详细阐述带平衡双反星形可控整流电路的工作原理,分析理解上的误区及其原因,并给出仿真结果,可为电气工程类学生对该知识点的深入理解提供参考。

1 主电路结构、原理及分析

1.1 工作原理

图1给出了带平衡电抗器的双反星形可控整流电路的电路结构。整流变压器的二次侧每相有2个匝数相同、极性相反的绕组,分别接成2组三相半波电路,即a、b、c为一组,a＇、b＇、c＇为另一组。a与a＇绕在同一相铁心上,b与b＇、c与c＇也分别绕在同一相铁心上,故得名双反星形电路。变压器二次侧的两绕组的极性相反,可消除铁心的直流磁化。设置电感量为LP的平衡电抗器是为保证2组三相半波整流电路能同时导通,每组承担一半负载[4]。

图1 带平衡电抗器的双反星型可控整流电路拓扑

与三相桥式电路相比,在采用相同数量晶闸管的条件下,双反星形电路的输出电流可增大一倍[3]。而且双反星形整流电路的导电通路只有一个整流管压降,通态损耗更小,因此在电解、电镀、电加热、埋弧焊接等低压大电流、大功率的场合得到了广泛的应用[5-7]。

1.2 理解上的难点

在实际教学过程中,学生提出比较多的问题有2个:一是为什么能消除直流磁化；二是为什么可以同时有2个晶闸管导通,且输出电流增大一倍。

关于第二个问题。当不接平衡电抗器时,电路实际上就是一个六相半波整流电路,在任意时刻是电压最高的一相导通,所以只能有1个晶闸管导电,其余5个晶闸管均阻断,每管的最大导通角为60°,平均电流为Id/6。因为晶闸管的导电时间短,变压器利用率低,故极少采用[3]。

图2 双反星形电路,α=0°时两组整流电压、电流波形

此时电流在流经LP时,LP上产生了一个感应电动势up,方向是阻碍电流增大的方向,为右正、左负。在接了平衡电抗器后,n1和n2之间的电位差加在了LP两端,此时up=ud2―ud1。如图3所示,ud=ud2―0.5up=ud1+0.5up,综合这两个式子可得ud=0.5(ud1+ud2)。所以此时LP起到了平衡作用,使得晶闸管VT6和VT1都承受正向电压而导通。这样就解决了接入平衡电抗器可以使2个晶闸管导通的问题了。

至于电流增倍的问题就很好理解了。在图2中可以看到,每组半波的输出平均电流均为Id/6,最终的输出电流为二者之和,为Id/3,所以与三相桥式电路相比,在采用相同数量晶闸管的条件下,双反星形电路的输出电流可增大1倍。

图3 平衡电抗器作用下两个晶闸管同时导电的情况

2 仿真及其分析

2.1 仿真电路搭建

为了验证前面的分析过程,并且能更清楚地将带平衡电抗器的双反星形可控整流电路与三相全控桥式整流电路进行对比,本文基于Matlab面向对象的设计思想和该软件自带的电气系统工具箱,建立了基于Matlab/Simulink Power system的两种电路的仿真模型[9],并对其进行了比较研究,分别如图4、图5所示[10-13]。

其中电路的参数配置如表1所示。

本仿真的主要目的是验证如下两方面的内容:

(1) 带平衡电抗器双反星形可控整流电路能在同一时刻触发2只晶闸管使其导通；

(2) 带平衡电抗器双反星形可控整流电路的整流电流平均值Id是三相全控桥式电路的2倍。

图4 双反星形整流电路仿真结构图

图5 三相全控桥整流电路仿真结构图

表1 仿真器件及其参数值设置

整流电路平衡电抗器LP/mH负载电阻RL/Ω负载电感L/mH晶闸管阻值RSCR/Ω晶闸管正向电压U/V晶闸管缓冲电阻R/Ω晶闸管缓冲电容C/nF双反星形2050.10.010.81000100三相全控桥200.40.010.81000100

2.2 仿真结果及其分析

本文给出了双反星形可控整流电路和三相全控桥式整流电路仿真输出波形,交流电源电压为150 V/50 Hz,触发角脉冲时刻为0.001 67 s,触发周期为0.02 s,触发脉冲的宽度为20%。

图6中ud1和ud2分别为两组整流电路的输出电压值,ud为双反星形负载端电压值。此时触发角为30°。从图中可以看出,此时ud=0.5(ud1+ud2)，并且在任意时刻都有2个晶闸管同时导通。

图6 在平衡电抗器作用下输出电压波形

图7是平衡电抗器两端的电压波形,是理想中的三角波。在时间为0.005 s的时刻,平衡电抗器两端的电压值为0 V,而在图6中ud1和ud2都约为130 V,满足up=ud2-ud1,由此说明平衡电抗器起到了均压的作用。

图7 平衡电抗器上电压的波形

图8所示为两种电路的输出端电流波形，双反星形整流电路的输出电流约为20 A；三相全控桥的输出电流约为10 A正确验证了上文所述。当变压器二次电压u2相等时，双反星形整流电流平均值Id是三相桥式电路的两倍。

图8 输出电流波形

图9是两种电路负载两端输出电压的波形，双反星形的负载两端输出电压约为125 V；三相全控桥负载两端输出电压约为250 V，正确验证了上文所述。当变压器二次电压u2相等时，双反星形电路的整流电压输出平均值ud是三相桥式电路的一半。

图9 双反星形及三相全控桥整流电路输出电压波形

3 结束语

在整流电路中,带平衡电抗器的双反星形可控整流电路一直是“电力电子技术”课程教学中的重点和难点,特别是平衡电抗器的作用原理,给很多学生的学习带来了困扰。通过仿真实验比较容易理解电路原理,对学生掌握该知识点、正确理解基本概念非常有益。

References)

[1] 王兆安,黄俊.电力电子技术[M].4版.北京:机械工业出版社,2000:73-76.

[2] 汪建平,钱旺超.双反星形可控硅整流电路中的平衡电抗器[J].氯碱工业,2003(9):6-12.

[3] 王兆安,刘进军.电力电子技术[M].5版.北京:机械工业出版社,2009:70-79.

[4] 黄嘉.低电压大电流整流电源并联供电[J].电气传动,2008(7):31-33.

[5] 韩群霞,秦胜杰.双反星形带平衡电抗器整流电路在实验室的特殊应用[J].电子测试,2015(3):120-122.

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[7] 姚广,蒋大明.双反星形整流电路在电解中的应用[J].电力自动化设备,2006(10):54-56.

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[10] 陶海英,熊俊.基于MATLAB的三相全控桥式整流电路仿真分析[J].江西电力职业技术学院学报,2011(1):86-88.

[11] 钟颖,荣军,朱莉波,等.基于MATLAB的三相半波可控整流电路的仿真研究[J].电子技术研发,2015(2):16-20.

[12] 刘同娟,金能强,马向国.Matlab在电力电子整流电路仿真中的应用[J].电力电子,2005(1):34-36.

[13] 杨凯,周伟,马莉.MATLAB基础应用及仿真实现[M].成都:西南交通大学出版社,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

中央高校基本科研业务费项目(ZYGX2012J095)资助；清华大学电力系统国家重点实验室项目(SKLD14KM03)资助

龙波(1978—),男,四川南充,博士,副教授,主要从事电力电子技术方面的教学和科研工作.

E-mail：longbo_1978@126.com

G642；TM461

A

1002-4956(2015)12- 0123- 04