丁 碩 ，郭繼寧，張 放

（1.渤海大學 控制科學與工程學院，遼寧 錦州 121013；2.渤海大學 物理科學與技術(shù)學院，遼寧 錦州 121013）

0 引言

由于工業(yè)整流裝置功率的不斷增大，它所產(chǎn)生的諧波和無功功率等對電網(wǎng)的干擾也隨之加大，所以工業(yè)生產(chǎn)中常采用多重化整流來降低干擾. 多重化整流具有實現(xiàn)方法簡單、可靠性高和成本低等優(yōu)點，所以在直流電弧爐、電鍍和電解等工業(yè)領域和軍事領域均得到了廣泛應用. 近年來，隨著“中國制造2025”制造強國戰(zhàn)略的提出，鋼鐵冶煉、裝備制造等傳統(tǒng)制造業(yè)處于升級轉(zhuǎn)型期，大功率相控多脈波整流器在傳統(tǒng)的工業(yè)領域內(nèi)也迎來了新的發(fā)展契機. 12脈波大功率相控整流電路是多重化整流電路中應用最為廣泛的一種電路，同時也是《電力電子技術(shù)》教學大綱中規(guī)定的重點教學內(nèi)容［1］. 本文作者在教學過程中發(fā)現(xiàn)，很多學生對帶平衡電抗器的12脈波整流電路的理解不夠準確，主要體現(xiàn)在以下4個問題：平衡電抗器如何對12脈波相控整流電路的輸出電壓的諧波產(chǎn)生影響；三相整流變壓器的繞組連接方式；使用平衡電抗器時，任一時刻整流電路中晶閘管的實際導通情況；與三相橋式整流電路相比，12脈波相控整流電路的輸出電流如何實現(xiàn)增大一倍. 針對上述知識難點，詳細介紹了帶平衡電抗器的12脈波大功率相控整流電路的工作原理，將學生理解上的難點作以拆分，并闡述在MATLAB環(huán)境下，采用Simulink工具箱建立了帶平衡電抗器的12脈波大功率相控整流電路的仿真模型，并給出仿真結(jié)果，以期為自動化、電氣工程類專業(yè)學生對該電路的深入理解提供參考.

1 12脈波相控整流電路的原理概述

1.1 電路拓補

12脈波相控整流電路的拓補結(jié)構(gòu)如圖1所示. 12脈波整流電路由整流變壓器與兩個結(jié)構(gòu)和參數(shù)相同的三相橋式整流橋組（即6脈波整流電路）以及電阻R和電感L構(gòu)成的負載構(gòu)成. 為了方便分析，對兩個三相橋式整流橋組作以標記，分別記為橋組1和橋組2，橋組1和橋組2在直流側(cè)并聯(lián)連接，電網(wǎng)電壓經(jīng)過變壓器二次繞組（二次側(cè)兩個繞組分別采用Y星形和△三角形連接）生成兩組大小相等、相位相差30°的交流電壓，再分別由橋組1和橋組2進行整流后產(chǎn)生兩組相位差30°的脈動直流電壓ud1和ud2，ud1和ud2疊加后最終在直流側(cè)生成直流電壓ud，因為ud在每個周期內(nèi)脈動12次，故稱該電路為12脈波相控整流電路［2］.

圖1 帶平衡電抗器的12脈波相控整流電路的拓補結(jié)構(gòu)

1.2 平衡電抗器的作用

由圖1電路進一步分析可知，若電路直流側(cè)無平衡電抗器LP時，12脈波整流電路與三相橋式整流電路等價，在任一瞬間，只有1個三相整流橋?qū)üぷ?，其中與線電壓最大的一相相連的2只晶閘管被導通，其余4只晶閘管都被關(guān)斷，每一只晶閘管最大導通角僅為60°，而另外一個三相整流橋被關(guān)斷. 在2π周期內(nèi)，2個三相整流橋組交替導通，由于晶閘管的導電時間短、變壓器利用率較低，所以實際中此類電路應用很少.

為了實現(xiàn)2個三相整流橋組均流，必須要滿足整流橋組的電壓平均值、瞬時值都相等，因為任一時刻2個三相整流橋輸出電壓平均值是相等的，但瞬時值不相等，所以為了彌補兩組整流橋輸出的瞬時電壓之間存在的差值，可以在兩組整流橋之間接入平衡電抗器LP，這樣就可以保證兩組整流橋輸出的瞬時電壓差加在LP的兩端，從而補償了兩組整流橋相應兩相線電壓的差值，使得兩組整流橋能夠同時導通［3-4］. 任一瞬間，共有4只晶閘管同時導通，每個整流橋中各有2只晶閘管導通，即每組整流橋上、下兩個橋臂中各有一只晶閘管導通，共同負擔負載電流，每只晶閘管的導通角由60°增大為120°，流過每只晶閘管的電流峰值為負載電流的一半. 所以平衡電抗器的作用是在輸出同樣直流電流時，可使晶閘管的額定電流減小并提高變壓器的利用率.

當觸發(fā)角α= 0°時，兩組三相整流橋的輸出電壓ud1和ud2的傅里葉級數(shù)展開形式如式（1）和式（2）所示，式（1）中U2L為線電壓有效值，可以推導出平衡電抗器的端電壓up的計算方法如式（3）所示，加入平衡電抗器后負載電壓ud的計算方法如式（4）所示，α取不同值時整流輸出電壓的平均值Ud的計算方法如式（5）所示，式（5）中UP為平衡電抗器電壓的平均值.

2 建模與仿真

在MATLAB/Simulink環(huán)境下，調(diào)用電氣系統(tǒng)工具箱中的元器件，并對元器件參數(shù)進行合理設置，通過連線建立如圖2所示的帶平衡電抗器的12脈波相控整流電路的仿真模型，其中平衡電抗器Lp1=Lp2= 0.2 H、負載電感L = 0.2 H、負載電阻RL= 10 W、三相交流電電源采用幅值220 V、頻率為50 Hz交流電，相位各相差120°.

圖2 帶平衡電抗器的12脈波相控整流電路的仿真模型

2.1 三相整流變壓器的建模

為了得到12脈波直流電壓，需要兩組三相交流電源，且兩組電源間的相位差應是30°. 三相整流變壓器的參數(shù)設置如下［5-7］：一次側(cè)繞組采用Y形連接，二次側(cè)1號繞組采用Y形連接，2號繞組采用△形連接.變壓器的變比為1∶1∶，令二次側(cè)Y形繞組與二次側(cè)△繞組的匝數(shù)比為1∶，這樣可以滿足兩個二次側(cè)繞組的線電壓相等［8］.

2.2 三相整流橋（6 脈波整流）電路的建模

整流變壓器二次側(cè)兩個繞組所接的1號（Y-6 Thyristor）和2號（D-6 Thyristor）三相整流橋可以通過調(diào)用2個通用變流器橋模塊來實現(xiàn)，通用變流器橋的圖標如圖3所示，每個通用變流器橋模塊由6個功率開關(guān)器件組成. 通用變流器橋的相關(guān)參數(shù)設置如下：器件類型選擇晶閘管，以實現(xiàn)三相橋式可控整流；晶閘管緩沖電阻Rs = 2000 W、晶閘管緩沖電容Cs = 10 μF、將A、B、C設為輸入端，實現(xiàn)將通用變流器橋的A、B、C輸入端口與變流器橋的3個橋臂連接起來，即構(gòu)成了6脈波整流電路.

圖3 通用變流器橋的圖標圖4同步六脈沖發(fā)生器子系統(tǒng)的封裝符號及其模型

2.3 同步12 脈沖發(fā)生器的建模

文中構(gòu)建的12脈波整流電路由兩組6脈波整流電路并聯(lián)而成，12只晶閘管的觸發(fā)脈沖可由2個同步六脈沖發(fā)生器分別提供，每一個同步六脈沖發(fā)生器負責為其中一個6脈波整流電路提供觸發(fā)脈沖，為使電路模型更為簡化，將同步六脈沖發(fā)生器封裝成子系統(tǒng)Subsystem1、Subsystem2，子系統(tǒng)有5個輸入端和1個輸出端. 同步六脈沖發(fā)生器子系統(tǒng)的封裝符號及其模型如圖4所示. 圖4（a）中，alph為觸發(fā)角控制端，修改該參數(shù)可以實現(xiàn)移相控制；block為使能端，Block = 0時，該模塊可以正常工作；輸出端pulses輸出6個觸發(fā)脈沖，控制一個6脈波整流電路需6個觸發(fā)脈沖，所以信號選擇器（Selector）的參數(shù)選項Index Option應選擇為Select all. 同理，Subsystem2為另一個6脈波整流電路的提供6路觸發(fā)脈沖，同步電壓頻率為50 Hz，脈沖寬度為30°. 圖4（b）中，Ua、Ub、Uc三個輸入端分別連接三相交流電壓源的相電壓，考慮到六脈沖發(fā)生器的輸入電壓為線電壓，所以加入V1、V2、V3電壓測量模塊以實現(xiàn)電源相電壓到線電壓的轉(zhuǎn)換.

2.4 仿真分析

仿真時間設為0.1 s，采用ode23tb算法，相對誤差為0.001.

為了說明平衡電抗器的均流作用，限于篇幅文中僅以α= 0°、電路帶阻感負載時，1號整流橋組的工作情況為例來說明其原理.從圖5中可以看出，在一個電源周期內(nèi)，1號整流橋組電流id1一定時間內(nèi)為0，這說明當12脈波整流電路無平衡電抗器時，1號整流橋組是分時導通的，即并聯(lián)的1號和2號三相整流橋組為交替導通狀態(tài)，在任一時刻，兩個整流橋組中只有一組可以導通工作，而另外一組整流橋完全關(guān)斷，在導通的整流組中有2只晶閘管同時導通. 從圖6中可以看出，當12脈波整流電路帶有平衡電抗器時，1號整流橋組電流id1沒有出現(xiàn)為0的時刻，這說明任一時刻，2個整流橋組同時導通工作，電路中有4只晶閘管同時導通工作，而每組導通的整流橋組中各有2只晶閘管導通. 仿真結(jié)果表明負載電流id＝id1＋id2=2id1，即帶平衡電抗器的12脈波整流電路的輸出電流是兩組三相整流橋輸出電流的二倍，在id保持不變的情況下，整流組的晶閘管電流降低了一半，且隨著負載感性增強，整流輸出電流脈動明顯減小.

圖5 1號整流橋輸出電流id1波形 （無平衡電抗器）

圖6 1號整流橋輸出電流id1和負載電流id波形 （有平衡電抗器）

圖7是阻感負載條件下，不同α值時12脈波整流電路輸出電壓ud和平衡電抗器電壓up波形. 由圖7（a）可以看出，ud1和ud2的波形形狀相同，只是存在30°的相位差，這與式（1）和式（2）相吻合. 在任一時刻，ud1和ud2的差值與up值近似相等，說明平衡電抗器電壓up是輸出2組整流橋輸出電壓ud1、ud2之差，這與式（3）相符，即平衡電抗器Lp起到了均壓作用.

仔細觀察圖7，可以進一步發(fā)現(xiàn)，隨著α增大，ud1、ud2逐漸減小，但整流輸出電壓ud值均為ud1和ud2的平均值，結(jié)果與式（4）一致.當α= 90°時，ud波形在正負半周所占面積幾乎相等，輸出電壓的平均值Ud近似為零，仿真結(jié)果與式（5）一致.說明12脈波整流電路帶感性負載時，移相范圍為0°-90°.仿真實驗同時驗證，帶純阻性負載時，ud不會出現(xiàn)負值，此時電路移相范圍為0°-120°.

為了說明平衡電抗器對整流輸出電壓ud和平衡電抗器電壓up的諧波產(chǎn)生的影響，但限于篇幅，文中僅以α= 0°的情況為例來進行說明. 從圖8中可以看出，由于引入了平衡電抗器，負載電壓ud中只剩下12 k（k =1，2，3，…）次諧波，ud1和ud2中的6 k（k = 1，3，5，…）次諧波相互抵消，且各次諧波分量比直流分量要小的多，其中影響最大的為12 次諧波. 從圖9中可以看出，平衡電抗器電壓up只包含交流成分，up中主要是6、18次諧波，相對比兩個6脈波整流電路的輸出電壓ud1和ud2而言，12脈波整流電路可以更好地抑制某些特定次數(shù)的諧波，且諧波失真更小.

圖8 整流輸出電壓ud的諧波分析（α = 0°）

圖9 平衡電抗器電壓up的諧波分析（α = 0°）

3 結(jié)論

本文對平衡電抗器在12脈波相控整流電路中的作用及工作原理進行分析，用Simulink工具箱對12脈波相控整流電路進行建模和仿真. 仿真結(jié)果表明：該模型可以正確反映平衡電抗器在整流電路中的作用，可以實現(xiàn)并聯(lián)的兩組三相全控橋整流橋的均流，平衡電抗器的電壓則是兩組整流橋輸出電壓之差，負載所獲得的整流輸出電壓是兩組電路電壓的平均值. 與三相全控橋整流電路相比，12脈波整流電路可以更好地抑制某些特定次數(shù)的諧波，且諧波失真更小. 通過仿真使學生更為形象生動地理解和掌握12脈波整流電路的原理和知識難點.