Journal of Hebei Energy Institute of Vocation and Technology
2019年3月Mar.2019带平衡电抗器的双反星型整流电路分析与仿真
葛笑寒
(三门峡职业技术学院，河南三门峡472000)
摘要：本文分析了双反星型整流电路工作原理及输出特性。采用MATLAB/Simulink X具建立双反星型整流电路模型，进行了无平衡电抗器存在时的输出测试；存在平衡电抗器时的电阻性、电感性输出测试。针对输出，进行了谐波仿真分析，结果表明，输出电压值、直流侧最低次为六次谐波，与理论分析相一致，为该电路在大电流直流供电领域的应用提供依据。
关键词：双反星型；平衡电抗器；谐波；负载特性
中图分类号:TM461文献标识码:A文章编号：1671-3974(2019)01-0073-04 Study on Load Characteristics of Double Anti-Star Rectifler Circuit with Balanced Reactor
GE Xiao-han
(Sanmenxia Polytechnic,Sanmenxia Henan472000,China)
Abstract:The working principle and output characteristics of double anti一star rectifier circuit are analyzed.Using MATLAB/Simulink tool to set up a dual anti-star rectifier circuit model,the output test of the unbalanced reactor was carried out and the resistivity and inductive output test when there is a balanced reactor.According to the output,the harmonic simulation analysis was carried out.The results show that the output voltage,the lowest six harmonics on the DC side are consistent with the theoretical analysis,and provide a basis for the application of this circuit in the field of high current DC power supply. Key words:double anti一star；balanced reactor；harmonic；load characteristic
引言
大功率直流电源广泛应用于铁路牵引、电解铝和冶炼厂电解领域。通常是通过把三相的交流电流通过整流装置变换成生产需要的电压、电流的直流电源。常规的三相半波整流和三相全控直流已不能满足大功率和大容量的要求。带平衡电抗器的双反星型整流电路、基于三相半波和三相全控的多重化整流电路成为主流。多种这样的电路按照移相并联可以达到12、24等脉波整流。整流电流的谐波严重影响到直流设备的工作，也会使得电网波形畸变。这些电路在相同条件下，双反星型电路最为简单，也能达到较大的直流电流，且只有6K+1次谐波，效率比较高，在低电压大电流领域广泛应用。MATLAB 中建立电路仿真电路模型。对双反星型电路进行负载仿真，同时谐波分析，研究该电路的负载特性。
1.双反星型可控整流电路原理
双反星型整流电路的拓扑结构如图1所示，两组三相半波整流电路结于相位差180度的整流变压器二次绕组上。此种反极性联结可以消除变压器铁芯的直流磁化。而平衡电抗器LP保证两组半波电路能够同时导电。该电路在采用相同数量晶闸管的条件下，输出电流是三相全控桥的2倍。
图1双反星型整流电路结构
1.1消除直流磁化现象
如图2所示，两组整流电路的输出电流相位相
收稿日期：2018-10-31
作者简介：葛笑寒(1983-)，男，硕士，三门峡职业技术学院电气工程学院讲师，研究方向：电气自动化。
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图2控制角为0度时两组整流电压和电流
差180度，每组整流电路输岀电流是输出平均电流的1/2；每相电路的电流平均值都是输出电流的1/6倍。输出电压为相电压，电流近似为方波。即两组变流器的原边流过电流相等，极性相反，变压器绕组中没有直流分量。因此不存在宜流磁化现象。
1.2平衡电抗器保证电流均分
电路中如果没有平衡电抗器，则每一个周期内，任一瞬间只有一只晶闸管导通，其余晶闸管关断。当控制角为零度时，输出电压匕为1.35U2O此种电路最大导通角是60度，变压器利用效率极低，实际中极少采用。
双反星形电路中，相当于两组三相半波并联。虽然两组整流电路的平均电压U dl和U&相等，但是瞬时值是不同的。如图3所示，接入平衡电抗器后，整流变压器二次侧中点n，和n2的电压差Up就是两组整流电压的差。该电压会产生电流i”它只流过两路星型自成回路，不会流入负载。平衡电抗器Lp补偿了U b和U”的电动势差，使得U b和U.两相的晶闸管能同时导电。每一组中的每一个晶闸管仍按三相半波的导电
规律而各轮流导电。p两端电压、整流输出电压的数学表达式如下：
Up=u,c_5(1)但由于-的平衡作用，使得晶闸管VT6和VT，同时导通。
u d=UJ2-yu p=u dl+yU p=y(u dl+ )(2)
1.3输出特性分析
该电路输出电压的均值是两组三相半波电压均值的1/2，和三相半波电路比较，脉动减小，频率增加。电阻性负载时，移相范围为0-120度，即当控制角为120度时，输出电压为0；感性负载时，移相范围为90度，即控制角为90度时，输岀波形正负对称，平均值为0。
1.4谐波分析
对输出电压5、!^，分别进行傅里叶级数展
图3平衡电抗器作用时输出电压波形
和电抗器的波形
开，即
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u dI=-2打~L1+4cos3(ot——cos6u)t+—c os9u)t一…」3矶1+#cos3(3t-60°)-召cos6(a)t-60°)+需cos9(3t_60。)-•••]
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根据公式2
3弘，2/,
叫=2丁L1-另.」
负载电压U d中的谐波分量比直流分量要小得多，而且最低次谐波为六次谐波。
2.仿真模型的建立及分析
使用Matlab/Simulink工具箱，建立双反星型整流电路仿真模型如图4。系统采用三绕组变压器，二次侧每相绕组连接成相差180。相位的组合。为了分析方便，变压器的变比设置为1：1。触发采用六路集成脉冲产生器，脉冲宽度为30。三相交流电电源采用380V直流电，相位各相差120。。负载阻值为10(1。仿真主要验证：
(1)双反星型电路，各组电流都是输出电流的1/2，两个绕组对应相位相差180度。
(2)双反星型电路每个时刻触发导通两个晶闸管，平衡电抗器的电压是输出电压差，近似为三角波。
(3)双反星型电路输出电压是两组电路电压的平均值，电阻性和电感性负载时的移相范围分别为120和90度；负载电压的谐波最低次谐波为六次谐波。
2.1无平衡电抗器的仿真波形分析
单相交流电压设置为220V，平波电抗器为零，负
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2019年3月
Mar. 2019
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图4双反星型电路仿真模型
载电路是10欧姆，控制角为0时，得到两组半波整流
输出电压仿真波形，以及i a 和i a 的波形。如图5所
和Uj2—个周期内为三段相电压，对应相电压
相位相差180度;i ”和〔电流波形近似为1/2的输出
电流，相位相差180度。仿真结果和理论分析一致。
图5无平衡电抗器时零度的波形
2.2考虑平衡电抗器的输出波形分析
考虑平衡电抗器时，设置Lp 为0. 1H ，仿真波形 如图6所示，输出电压近似为直线，约为255V 。两组
整流电路对应输岀各自的电压值，取平均值后即为 输出电压值。而平衡电抗器的电压则是两组整流器
的输出电压的差，近似为三角波。图中在0.01秒
时，两组电压相等，电抗器两端的电压为0。理论分 析的波形图和仿真波形一致。
2. 3负载输出和谐波仿真分析
电阻性负载时，控制角为30度时，触发脉冲宽
图6平衡电抗器时零度的波形
度为30%，周期为0.02秒。U 」和U&分别是两组整 流器的输岀电压，仿真结果为232. IV，输出电压U （1
为231V 。如图7中第一个波形所示,Um 和U&均值 后近似为水平波浪线。从图中也可以看出每一个时
刻都有两只晶闸管导通；电感性负载时，根据理论分
析，移相范围为90度，即控制角为90度时，输出电压 近似为零值。从图7中可以看出输出波形U d 近似
为零。U 』和U&各有正负，输出电压5正负对称，均 值为零。
负载电压存在谐波，如图8所示最低次谐波为 六次谐波，控制角不同，谐波的幅值大小稍有变化, 和理论分析相吻合。
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图8 直流输出电压谐波频谱图
3.结论
双反星型整流电路多用在大功率整流电路中， 笔者对该电路的平衡电抗的作用及电路的工作过程
做了详细的分析，对输出电压及谐波特性研究。利 用MATLAB 建立仿真模型，选用合适的参数输出波 形。仿真验证了双反星型电路，每组电流都是输岀
电流的0.5倍，两个绕组对应相位相差180度，而平
衡电抗器的电压则是输出电压差，近似为三角波，输
出电压是两组电路电压的平均值。从频谱图上也证 明了负载电压的谐波最低次谐波为六次谐波。该仿 真结果也为多重整流的双反星型电路的应用提供了
途径。
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四、总结
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