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2025-09-29
带平衡电抗器的双反星形可控整流电路优化方案
【摘要】：图2.28带平衡电抗器的双反星形可控整流电路在前面分析的相控整流电路中，虽然能够提供可调的脉动直流电源，但仍满足不了一些特定场合的生产要求。为了满足大电流或大功率的特殊要求，减轻电路工作对电网的干扰，常采用带平衡电抗器的双反星形可控整流电路来提供负载所需要的低电压和大电流。在图2.28 所示电路中，如不接平衡电抗器，即成为六相半波整流电路。
图2.28 带平衡电抗器的双反星形可控整流电路
在前面分析的相控整流电路中，虽然能够提供可调的脉动直流电源，但仍满足不了一些特定场合的生产要求。例如：在电解、电镀等工业中，常常使用低电压、大电流可调直流电源；一些大型生产机械，如用于轧钢机的传动系统、矿井提升机的拖动系统等功率可达数千千瓦。为了满足大电流或大功率的特殊要求，减轻电路工作对电网的干扰，常采用带平衡电抗器的双反星形可控整流电路来提供负载所需要的低电压和大电流。其主电路结构如图2.28 所示。
整流变压器的二次侧每相有两个匝数相同、极性相反的绕组，分别接成两组三相半波电路，即a、b、c一组，a′、b′、c′一组。a 与a′绕在同一相铁芯上，图2.28中“·”表示同名端。同样b 与b′，c 与c′都绕在同一相铁芯上，故得名双反星形电路。变压器二次侧两绕组的极性相反，即电压相位相差180°，可消除铁芯的直流磁化。设置电感量为Lp 的平衡电抗器是为保证两组三相半波整流电路能同时导电，每组承担一半负载，这是理解双反星形电路工作原理的关键。因此，从结构上可以看出，与三相桥式电路比较，在采用相同晶闸管的条件下，双反星形电路的输出电流可增大一倍。
在图2.28 所示电路中，如不接平衡电抗器，即成为六相半波整流电路。由于6 个晶闸管为共阴极接法，因此在任一瞬间只能有一个晶闸管导电，其余5 个晶闸管均承受反压而关断，每管最大的导通角为60°，每管的平均电流为Id/6。当α=0°时，六相半波整流电路的ud 为1.35U2，比三相半波时的1.17U2 略大些，其ud 波形如图2.29（a）中的包络线所示。由于六相半波整流电路中晶闸管导电时间短，变压器利用率低，故极少采用。可见，双反星形电路与六相半波整流电路的区别就在于有无平衡电抗器。下面分析由于平衡电抗器的作用，使得两组三相半波整流电路同时导电的原理。
在图2.29（a）中任取一瞬间如ωt1，这时u′b 及ua 均为正值，然而u′b 大于ua 。如果两组三相半波整流电路中点n1 和n2 相连，则必然只有b′相的晶闸管导电。接了平衡电抗器后，n1和n2 之间的电位差加在了Lp 的两端，它弥补了u′b 和ua 的电动势差，使得u′b 和ua 相的晶闸管能同时导电，如图2.30 所示。由于在ωt1 时，电压u′b 大于ua ，则VT6 导通，此电流在流经Lp时，Lp 上要感应一电动势up，它的方向是要阻止电流增大（见图2.30 标出的极性）。可以导出平衡电抗器两端电压和整流输出电压的数学表达式如下：
图2.29 平衡电抗器作用下输出电压波形和平衡电抗器上电压的波形
图2.30 平衡电抗器作用下两个晶闸管同时导电的情况
虽然u′b>ua ，导致ud1 < ud2 ，但是由于Lp 的平衡作用，使得晶闸管VT6 和VT1 都承受正向电压而同时导通。随着时间的推移至u′b 与ua 的交点，由于u′b=ua ，两管继续导电，此时up=0。之后u′b<ua ，则流经b′相的电流减小，但Lp 有阻止此电流减小的作用，up 的极性与图2.30 所示的相反，Lp 仍起平衡的作用，使VT6 继续导电，直到u′c> u′b，电流才从VT6 换至VT2。此时变成VT1、VT2 同时导通。每隔60°有一个晶闸管换相。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120°。这样，以平衡电抗器中点作为整流电压输出的负端，其输出的整流电压瞬时值为两组三相半波整流电压瞬时值的平均值，波形如图2.29（a）中粗线所示。
当需要分析各种控制角时的输出波形时，可根据式（2.61）先求出两组三相半波电路的ud1和ud2波形，然后画出波形（ud1+ud2）/2。(https://www.chuimin.cn)
图2.31 画出了α=30°，α=60°，α=90°时输出电压的波形。从图中可以看出，双反星形可控整流电路的输出电压波形与三相半波电路比较，脉动程度减小了，脉动频率增加一倍，f=300 Hz。在电感负载情况下，当α=90°时，输出电压波形正负面积相等，Ud=0，因而移相范围是90°。如果是电阻负载，则ud 波形不应出现负值，仅保留波形中正的部分。同样可以得出，当α=120°时，Ud=0，因而其移相范围是120°。
图2.31 当α=30°、α=60°、α=90°时，双反星形电路的输出电压波形
双反星形可控整流电路是两组三相半波电路的并联，所以整流电压平均值与三相半波整流电路的整流电压平均值相等，在不同控制角α 时
流过晶闸管的电流有效值为
为了确保电流断续后，两组三相半波整流电路还能同时工作，与三相桥式全控整流电路一样，也要求采用双窄脉冲或宽脉冲触发，窄脉冲脉宽应大于30°。
在以上分析的基础上，将双反星形整流电路与三相桥式全控整流电路进行比较可得出以下结论：
①三相桥式全控整流电路是两组三相半波电路串联，而双反星形整流电路是两组三相半波电路并联，且后者需用平衡电抗器。
②当变压器二次电压有效值U2 相等时，双反星形整流电路的整流电压平均值Ud 是三相桥式全控整流电路的1/2，而整流电流平均值Id 是三相桥式全控整流电路的2 倍。
③在两种电路中，晶闸管的导通及触发脉冲的分配关系是一样的，整流电压ud 和整流电流id 的波形形状也一样。
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