12 脈波大功率相控整流電路仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

丁 碩 ，郭繼寧，張 放

（1.渤海大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 錦州 121013；2.渤海大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)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(duì)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(shí)現(xiàn)方法簡單、可靠性高和成本低等優(yōu)點(diǎn)，所以在直流電弧爐、電鍍和電解等工業(yè)領(lǐng)域和軍事領(lǐng)域均得到了廣泛應(yīng)用. 近年來，隨著“中國制造2025”制造強(qiáng)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(jí)轉(zhuǎn)型期，大功率相控多脈波整流器在傳統(tǒng)的工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)也迎來了新的發(fā)展契機(jī). 12脈波大功率相控整流電路是多重化整流電路中應(yīng)用最為廣泛的一種電路，同時(shí)也是《電力電子技術(shù)》教學(xué)大綱中規(guī)定的重點(diǎn)教學(xué)內(nèi)容［1］. 本文作者在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，很多學(xué)生對(duì)帶平衡電抗器的12脈波整流電路的理解不夠準(zhǔn)確，主要體現(xiàn)在以下4個(gè)問題：平衡電抗器如何對(duì)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(shí)，任一時(shí)刻整流電路中晶閘管的實(shí)際導(dǎo)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(shí)現(xiàn)增大一倍. 針對(duì)上述知識(shí)難點(diǎn)，詳細(xì)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(xué)生理解上的難點(diǎn)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(dòng)化、電氣工程類專業(yè)學(xué)生對(duì)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(bǔ)

12脈波相控整流電路的拓補(bǔ)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(gè)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(fù)載構(gòu)成. 為了方便分析，對(duì)兩個(gè)三相橋式整流橋組作以標(biāo)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(gè)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(jìn)行整流后產(chǎn)生兩組相位差30°的脈動(dòng)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?yàn)閡d在每個(gè)周期內(nèi)脈動(dòng)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(bǔ)結(jié)構(gòu)

1.2 平衡電抗器的作用

由圖1電路進(jìn)一步分析可知，若電路直流側(cè)無平衡電抗器LP時(shí)，12脈波整流電路與三相橋式整流電路等價(jià)，在任一瞬間，只有1個(gè)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(dǎo)通，其余4只晶閘管都被關(guān)斷，每一只晶閘管最大導(dǎo)通角僅為60°，而另外一個(gè)三相整流橋被關(guān)斷. 在2π周期內(nèi)，2個(gè)三相整流橋組交替導(dǎo)通，由于晶閘管的導(dǎo)電時(shí)間短、變壓器利用率較低，所以實(shí)際中此類電路應(yīng)用很少.

為了實(shí)現(xiàn)2個(gè)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(shí)值都相等，因?yàn)槿我粫r(shí)刻2個(gè)三相整流橋輸出電壓平均值是相等的，但瞬時(shí)值不相等，所以為了彌補(bǔ)兩組整流橋輸出的瞬時(shí)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(shí)電壓差加在LP的兩端，從而補(bǔ)償了兩組整流橋相應(yīng)兩相線電壓的差值，使得兩組整流橋能夠同時(shí)導(dǎo)通［3-4］. 任一瞬間，共有4只晶閘管同時(shí)導(dǎo)通，每個(gè)整流橋中各有2只晶閘管導(dǎo)通，即每組整流橋上、下兩個(gè)橋臂中各有一只晶閘管導(dǎo)通，共同負(fù)擔(dān)負(fù)載電流，每只晶閘管的導(dǎo)通角由60°增大為120°，流過每只晶閘管的電流峰值為負(fù)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(shí)，可使晶閘管的額定電流減小并提高變壓器的利用率.

當(dāng)觸發(fā)角α= 0°時(shí)，兩組三相整流橋的輸出電壓ud1和ud2的傅里葉級(jí)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(dǎo)出平衡電抗器的端電壓up的計(jì)算方法如式（3）所示，加入平衡電抗器后負(fù)載電壓ud的計(jì)算方法如式（4）所示，α取不同值時(shí)整流輸出電壓的平均值Ud的計(jì)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(duì)元器件參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)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(fù)載電感L = 0.2 H、負(fù)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(yīng)是30°. 三相整流變壓器的參數(shù)設(shè)置如下［5-7］：一次側(cè)繞組采用Y形連接，二次側(cè)1號(hào)繞組采用Y形連接，2號(hào)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(gè)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(gè)繞組所接的1號(hào)（Y-6 Thyristor）和2號(hào)（D-6 Thyristor）三相整流橋可以通過調(diào)用2個(gè)通用變流器橋模塊來實(shí)現(xiàn)，通用變流器橋的圖標(biāo)如圖3所示，每個(gè)通用變流器橋模塊由6個(gè)功率開關(guān)器件組成. 通用變流器橋的相關(guān)參數(shù)設(shè)置如下：器件類型選擇晶閘管，以實(shí)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(shè)為輸入端，實(shí)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(gè)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(biāo)圖4同步六脈沖發(fā)生器子系統(tǒng)的封裝符號(hào)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(gè)同步六脈沖發(fā)生器分別提供，每一個(gè)同步六脈沖發(fā)生器負(fù)責(zé)為其中一個(gè)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(gè)輸入端和1個(gè)輸出端. 同步六脈沖發(fā)生器子系統(tǒng)的封裝符號(hào)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(shí)現(xiàn)移相控制；block為使能端，Block = 0時(shí)，該模塊可以正常工作；輸出端pulses輸出6個(gè)觸發(fā)脈沖，控制一個(gè)6脈波整流電路需6個(gè)觸發(fā)脈沖，所以信號(hào)選擇器（Selector）的參數(shù)選項(xiàng)Index Option應(yīng)選擇為Select all. 同理，Subsystem2為另一個(gè)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(gè)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(shí)現(xiàn)電源相電壓到線電壓的轉(zhuǎn)換.

2.4 仿真分析

仿真時(shí)間設(shè)為0.1 s，采用ode23tb算法，相對(duì)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(fù)載時(shí)，1號(hào)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(gè)電源周期內(nèi)，1號(hào)整流橋組電流id1一定時(shí)間內(nèi)為0，這說明當(dāng)12脈波整流電路無平衡電抗器時(shí)，1號(hào)整流橋組是分時(shí)導(dǎo)通的，即并聯(lián)的1號(hào)和2號(hào)三相整流橋組為交替導(dǎo)通狀態(tài)，在任一時(shí)刻，兩個(gè)整流橋組中只有一組可以導(dǎo)通工作，而另外一組整流橋完全關(guān)斷，在導(dǎo)通的整流組中有2只晶閘管同時(shí)導(dǎo)通. 從圖6中可以看出，當(dāng)12脈波整流電路帶有平衡電抗器時(shí)，1號(hào)整流橋組電流id1沒有出現(xiàn)為0的時(shí)刻，這說明任一時(shí)刻，2個(gè)整流橋組同時(shí)導(dǎo)通工作，電路中有4只晶閘管同時(shí)導(dǎo)通工作，而每組導(dǎo)通的整流橋組中各有2只晶閘管導(dǎo)通. 仿真結(jié)果表明負(fù)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(fù)載感性增強(qiáng)，整流輸出電流脈動(dòng)明顯減小.

圖5 1號(hào)整流橋輸出電流id1波形 （無平衡電抗器）

圖6 1號(hào)整流橋輸出電流id1和負(fù)載電流id波形 （有平衡電抗器）

圖7是阻感負(fù)載條件下，不同α值時(shí)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(shí)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(xì)觀察圖7，可以進(jìn)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(dāng)α= 90°時(shí)，ud波形在正負(fù)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(fù)載時(shí)，移相范圍為0°-90°.仿真實(shí)驗(yàn)同時(shí)驗(yàn)證，帶純阻性負(fù)載時(shí)，ud不會(huì)出現(xiàn)負(fù)值，此時(shí)電路移相范圍為0°-120°.

為了說明平衡電抗器對(duì)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(jìn)行說明. 從圖8中可以看出，由于引入了平衡電抗器，負(fù)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(duì)比兩個(gè)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(duì)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(jìn)行分析，用Simulink工具箱對(duì)12脈波相控整流電路進(jìn)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(shí)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(fù)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(xué)生更為形象生動(dòng)地理解和掌握12脈波整流電路的原理和知識(shí)難點(diǎn).