丁 硕 ，郭继宁，张 放

（1.渤海大学 控制科学与工程学院，辽宁 锦州 121013；2.渤海大学 物理科学与技术学院，辽宁 锦州 121013）

0 引言

由于工业整流装置功率的不断增大，它所产生的谐波和无功功率等对电网的干扰也随之加大，所以工业生产中常采用多重化整流来降低干扰. 多重化整流具有实现方法简单、可靠性高和成本低等优点，所以在直流电弧炉、电镀和电解等工业领域和军事领域均得到了广泛应用. 近年来，随着“中国制造2025”制造强国战略的提出，钢铁冶炼、装备制造等传统制造业处于升级转型期，大功率相控多脉波整流器在传统的工业领域内也迎来了新的发展契机. 12脉波大功率相控整流电路是多重化整流电路中应用最为广泛的一种电路，同时也是《电力电子技术》教学大纲中规定的重点教学内容［1］. 本文作者在教学过程中发现，很多学生对带平衡电抗器的12脉波整流电路的理解不够准确，主要体现在以下4个问题：平衡电抗器如何对12脉波相控整流电路的输出电压的谐波产生影响；三相整流变压器的绕组连接方式；使用平衡电抗器时，任一时刻整流电路中晶闸管的实际导通情况；与三相桥式整流电路相比，12脉波相控整流电路的输出电流如何实现增大一倍. 针对上述知识难点，详细介绍了带平衡电抗器的12脉波大功率相控整流电路的工作原理，将学生理解上的难点作以拆分，并阐述在MATLAB环境下，采用Simulink工具箱建立了带平衡电抗器的12脉波大功率相控整流电路的仿真模型，并给出仿真结果，以期为自动化、电气工程类专业学生对该电路的深入理解提供参考.

1 12脉波相控整流电路的原理概述

1.1 电路拓补

12脉波相控整流电路的拓补结构如图1所示. 12脉波整流电路由整流变压器与两个结构和参数相同的三相桥式整流桥组（即6脉波整流电路）以及电阻R和电感L构成的负载构成. 为了方便分析，对两个三相桥式整流桥组作以标记，分别记为桥组1和桥组2，桥组1和桥组2在直流侧并联连接，电网电压经过变压器二次绕组（二次侧两个绕组分别采用Y星形和△三角形连接）生成两组大小相等、相位相差30°的交流电压，再分别由桥组1和桥组2进行整流后产生两组相位差30°的脉动直流电压ud1和ud2，ud1和ud2叠加后最终在直流侧生成直流电压ud，因为ud在每个周期内脉动12次，故称该电路为12脉波相控整流电路［2］.

图1 带平衡电抗器的12脉波相控整流电路的拓补结构

1.2 平衡电抗器的作用

由图1电路进一步分析可知，若电路直流侧无平衡电抗器LP时，12脉波整流电路与三相桥式整流电路等价，在任一瞬间，只有1个三相整流桥导通工作，其中与线电压最大的一相相连的2只晶闸管被导通，其余4只晶闸管都被关断，每一只晶闸管最大导通角仅为60°，而另外一个三相整流桥被关断. 在2π周期内，2个三相整流桥组交替导通，由于晶闸管的导电时间短、变压器利用率较低，所以实际中此类电路应用很少.

为了实现2个三相整流桥组均流，必须要满足整流桥组的电压平均值、瞬时值都相等，因为任一时刻2个三相整流桥输出电压平均值是相等的，但瞬时值不相等，所以为了弥补两组整流桥输出的瞬时电压之间存在的差值，可以在两组整流桥之间接入平衡电抗器LP，这样就可以保证两组整流桥输出的瞬时电压差加在LP的两端，从而补偿了两组整流桥相应两相线电压的差值，使得两组整流桥能够同时导通［3-4］. 任一瞬间，共有4只晶闸管同时导通，每个整流桥中各有2只晶闸管导通，即每组整流桥上、下两个桥臂中各有一只晶闸管导通，共同负担负载电流，每只晶闸管的导通角由60°增大为120°，流过每只晶闸管的电流峰值为负载电流的一半. 所以平衡电抗器的作用是在输出同样直流电流时，可使晶闸管的额定电流减小并提高变压器的利用率.

当触发角α= 0°时，两组三相整流桥的输出电压ud1和ud2的傅里叶级数展开形式如式（1）和式（2）所示，式（1）中U2L为线电压有效值，可以推导出平衡电抗器的端电压up的计算方法如式（3）所示，加入平衡电抗器后负载电压ud的计算方法如式（4）所示，α取不同值时整流输出电压的平均值Ud的计算方法如式（5）所示，式（5）中UP为平衡电抗器电压的平均值.

2 建模与仿真

在MATLAB/Simulink环境下，调用电气系统工具箱中的元器件，并对元器件参数进行合理设置，通过连线建立如图2所示的带平衡电抗器的12脉波相控整流电路的仿真模型，其中平衡电抗器Lp1=Lp2= 0.2 H、负载电感L = 0.2 H、负载电阻RL= 10 W、三相交流电电源采用幅值220 V、频率为50 Hz交流电，相位各相差120°.

图2 带平衡电抗器的12脉波相控整流电路的仿真模型

2.1 三相整流变压器的建模

为了得到12脉波直流电压，需要两组三相交流电源，且两组电源间的相位差应是30°. 三相整流变压器的参数设置如下［5-7］：一次侧绕组采用Y形连接，二次侧1号绕组采用Y形连接，2号绕组采用△形连接.变压器的变比为1∶1∶，令二次侧Y形绕组与二次侧△绕组的匝数比为1∶，这样可以满足两个二次侧绕组的线电压相等［8］.

2.2 三相整流桥（6 脉波整流）电路的建模

整流变压器二次侧两个绕组所接的1号（Y-6 Thyristor）和2号（D-6 Thyristor）三相整流桥可以通过调用2个通用变流器桥模块来实现，通用变流器桥的图标如图3所示，每个通用变流器桥模块由6个功率开关器件组成. 通用变流器桥的相关参数设置如下：器件类型选择晶闸管，以实现三相桥式可控整流；晶闸管缓冲电阻Rs = 2000 W、晶闸管缓冲电容Cs = 10 μF、将A、B、C设为输入端，实现将通用变流器桥的A、B、C输入端口与变流器桥的3个桥臂连接起来，即构成了6脉波整流电路.

图3 通用变流器桥的图标图4同步六脉冲发生器子系统的封装符号及其模型

2.3 同步12 脉冲发生器的建模

文中构建的12脉波整流电路由两组6脉波整流电路并联而成，12只晶闸管的触发脉冲可由2个同步六脉冲发生器分别提供，每一个同步六脉冲发生器负责为其中一个6脉波整流电路提供触发脉冲，为使电路模型更为简化，将同步六脉冲发生器封装成子系统Subsystem1、Subsystem2，子系统有5个输入端和1个输出端. 同步六脉冲发生器子系统的封装符号及其模型如图4所示. 图4（a）中，alph为触发角控制端，修改该参数可以实现移相控制；block为使能端，Block = 0时，该模块可以正常工作；输出端pulses输出6个触发脉冲，控制一个6脉波整流电路需6个触发脉冲，所以信号选择器（Selector）的参数选项Index Option应选择为Select all. 同理，Subsystem2为另一个6脉波整流电路的提供6路触发脉冲，同步电压频率为50 Hz，脉冲宽度为30°. 图4（b）中，Ua、Ub、Uc三个输入端分别连接三相交流电压源的相电压，考虑到六脉冲发生器的输入电压为线电压，所以加入V1、V2、V3电压测量模块以实现电源相电压到线电压的转换.

2.4 仿真分析

仿真时间设为0.1 s，采用ode23tb算法，相对误差为0.001.

为了说明平衡电抗器的均流作用，限于篇幅文中仅以α= 0°、电路带阻感负载时，1号整流桥组的工作情况为例来说明其原理.从图5中可以看出，在一个电源周期内，1号整流桥组电流id1一定时间内为0，这说明当12脉波整流电路无平衡电抗器时，1号整流桥组是分时导通的，即并联的1号和2号三相整流桥组为交替导通状态，在任一时刻，两个整流桥组中只有一组可以导通工作，而另外一组整流桥完全关断，在导通的整流组中有2只晶闸管同时导通. 从图6中可以看出，当12脉波整流电路带有平衡电抗器时，1号整流桥组电流id1没有出现为0的时刻，这说明任一时刻，2个整流桥组同时导通工作，电路中有4只晶闸管同时导通工作，而每组导通的整流桥组中各有2只晶闸管导通. 仿真结果表明负载电流id＝id1＋id2=2id1，即带平衡电抗器的12脉波整流电路的输出电流是两组三相整流桥输出电流的二倍，在id保持不变的情况下，整流组的晶闸管电流降低了一半，且随着负载感性增强，整流输出电流脉动明显减小.

图5 1号整流桥输出电流id1波形 （无平衡电抗器）

图6 1号整流桥输出电流id1和负载电流id波形 （有平衡电抗器）

图7是阻感负载条件下，不同α值时12脉波整流电路输出电压ud和平衡电抗器电压up波形. 由图7（a）可以看出，ud1和ud2的波形形状相同，只是存在30°的相位差，这与式（1）和式（2）相吻合. 在任一时刻，ud1和ud2的差值与up值近似相等，说明平衡电抗器电压up是输出2组整流桥输出电压ud1、ud2之差，这与式（3）相符，即平衡电抗器Lp起到了均压作用.

仔细观察图7，可以进一步发现，随着α增大，ud1、ud2逐渐减小，但整流输出电压ud值均为ud1和ud2的平均值，结果与式（4）一致.当α= 90°时，ud波形在正负半周所占面积几乎相等，输出电压的平均值Ud近似为零，仿真结果与式（5）一致.说明12脉波整流电路带感性负载时，移相范围为0°-90°.仿真实验同时验证，带纯阻性负载时，ud不会出现负值，此时电路移相范围为0°-120°.

为了说明平衡电抗器对整流输出电压ud和平衡电抗器电压up的谐波产生的影响，但限于篇幅，文中仅以α= 0°的情况为例来进行说明. 从图8中可以看出，由于引入了平衡电抗器，负载电压ud中只剩下12 k（k =1，2，3，…）次谐波，ud1和ud2中的6 k（k = 1，3，5，…）次谐波相互抵消，且各次谐波分量比直流分量要小的多，其中影响最大的为12 次谐波. 从图9中可以看出，平衡电抗器电压up只包含交流成分，up中主要是6、18次谐波，相对比两个6脉波整流电路的输出电压ud1和ud2而言，12脉波整流电路可以更好地抑制某些特定次数的谐波，且谐波失真更小.

图8 整流输出电压ud的谐波分析（α = 0°）

图9 平衡电抗器电压up的谐波分析（α = 0°）

3 结论

本文对平衡电抗器在12脉波相控整流电路中的作用及工作原理进行分析，用Simulink工具箱对12脉波相控整流电路进行建模和仿真. 仿真结果表明：该模型可以正确反映平衡电抗器在整流电路中的作用，可以实现并联的两组三相全控桥整流桥的均流，平衡电抗器的电压则是两组整流桥输出电压之差，负载所获得的整流输出电压是两组电路电压的平均值. 与三相全控桥整流电路相比，12脉波整流电路可以更好地抑制某些特定次数的谐波，且谐波失真更小. 通过仿真使学生更为形象生动地理解和掌握12脉波整流电路的原理和知识难点.