（电力系统及其自动化专业论文）大电流直流稳压稳流电源研究.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文大电流直流稳压稳流电源研 究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和 取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：速壅瘦 日 期：巧 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅； 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文：同意学校可以用不同方 式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 盎靠茏 日 期：赵21 堑 导师签名 日期：细2 - - 2 r 华北电力大学硕士学位论文 1 1 选题的背景及意义 第一章引言 目前迅速发展的现代工业如：同步电机励磁系统，电除尘，电解，电镀，轧钢 炼钢，电力牵引，电气铁道等对直流电源的需求非常普遍，这对节约用电和提高用 电效率提出了新的要求。有资料显示，1 5 年前在工业发达国家，已有2 5 3 0 的 发电量用在直流方面。由于半导体器件的联结方式的不同，尤其在要求电源输出 低电压大电流的行业中，如在电解工业生产中，每个电解槽往往需要从几伏到十几 伏电压，输出几千安甚至更大的电流；此外电镀用整流器提供6 - 3 0 v 电压，电流容 量在千安甚至数万安不等【2 】，目前国内外大功率整流电源主要采用大功率二极管整 流机组和大功率品闸管整流机组。这些半导体开关器件构成的整流装置产生的谐 波，影响电网供电质量的同时又会对自身的生产造成影响；另外在整流电源中，变 压器和开关器件造成的损耗也是不能忽略的。所以对整流系统，尤其是大电流整流 系统的结构进行研究，并从中建立新型的控制系统，以期达到提高供用电水平，增 强稳定性，减少用电损耗的目的是十分有意义的。 在没计上，针对不同的用途，对整流器的要求也有所区别：1 ) 化工和冶金用整 流器是一种供给强大直流电流的设备，需要着重考虑元器件的并联技术、电联结方 式和提高效率；2 ) 同步电机励磁用整流器是感性负载，必要时需提供15 2 倍的电压 以满足电动机强迫励磁的需要，从励磁电流上来说，大容量机组如：黄台电厂3 0 0 m w 机组额定励磁电流2 3 0 0 a ，邹县电厂6 5 5 2 m w 机组额定励磁电流4 8 0 2 a ，西屋公司 6 0 0 m w 机组额定励磁电流6 3 3 7 a 口j ，最大强励电流限制为1 6 倍，故整流元件必须采 用晶闸管；3 ) 电镀用整流器是一种输出低电压大电流的电源等【4j 。在这些装置中通 过控制晶闸管的导通角来改变电压或电流，达到控制目的，其控制系统主要采用数 字式和模拟式两种：模拟式一般由集成运算放大器、限幅电路、反馈网络及输入阻 抗网络等组成，有时因控制的需要还要有门电路。数字式一般由专用程序和微型计 算机硬件配合完成，微处理器通常采用单片机、p l c 或d s p ，用软件实现p i d 控制、 模糊控制或其它智能控制t ”。 本课题将对直流电源结构和控制模式进行研究，在此基础上将采用单片机的 p i d 控制与模糊控制相结合的控制方法应用到大电流直流系统中，针对特定的控制 要求，提出不同的设计方案，并进行仿真对比。 1 2发展及研究现状 随着大功率晶闸管直流电源的广泛应用，能否大范围平滑调节输出电流或电 1 华北电力大学硕士学位论文 压，保证运行的大功率直流电源的输出性能，提高直流电源的可靠性，这是用户对 大功率晶闸管直流电源提出的新要求。 1 2 1 整流装置 整流装置通常由整流电路、整流变压器、平波电抗器以及控制保护系统组成 4 。 整流电路依据整流管是否为可控性器件可分为不可控型和可控型；且根据不同的用 途可采用不同的电联结形式，一般采用同相逆并联方式的三相桥( 较高电压) 或双反 星( 较低电压) 整流电路。 目前的大功率直流电源大部分是由交流经晶闸管得到的，为晶闸管提供电源的 变压器叫做整流变压器i8 1 ，它的作用在于变换电网交流电压值、变换相数，引出变 压器阀侧绕组中点( 必要时) ，并将直流回路与电网隔离，以限制短路电流，抑制 整流器运行对电网的影响、抑制整流臂电流的上升率等。常用的整流变压器有三相 三柱式，还有三相五柱式和三个单相变压器构成的变压器组。 国内外大功率整流电源输出直流电压的控制方式有两种：大功率二极管整流机 组的调压和大功率晶闸管整流机组的调压方式。其中二极管整流机组主调压采用调 压变压器有载开关粗调，辅调压采用内附式自饱和电抗器细调；晶闸管整流机组一 般采用无级调压方式。近几十年来，晶闸管兴起并迅速发展，其应用已遍布各行各 业，目前除铝冶炼以外的有色行业、机车牵引行业等，几乎全部使用晶闸管整流电 源【9 1 。 1 2 2 电力电子技术的发展及应用 国际上以1 9 5 7 年美国g e 公司研制出第一个晶闸管( s c r ) 作为电力电子技术问世 的标致。最早的变流技术是机械整流器，1 9 0 2 年水银整流器的诞生开辟了旋转变流 器新时代。水银整流器在电化学、电气牵引，特别是在静止“伦纳德”等方面应用， 开创了桥式整流电路、循环变流电路、自励式逆变电路、交流间接变换电路等变流 技术，为电力电子技术打下了理论和实践基础。 第一代电力电子技术是在二十世 9 5 0 年代以硅整流管、品闸管为代表的功率半 导体器件，电路以相控电路为主，控制以相控和模拟控制为主。第二代电力电子技 术是6 0 年代末7 0 年代初以g t o 、g t r 、m o s f e t 等为代表的自关断电力半导体器件。 第三代电力电子技术是8 0 年代开发的双机理复合功率半导体器件i g b t 、 i g t 、 m c t 等为代表电力半导体器件。第四代电力电子技术将是智能化时代，它以功率集 成电路( p i c ) n 代表，分为高压集成电路( h v i c ) 及智能功率集成电路( s p i c ) 两大类a 电力电子装置的主要应用领域l l 州大致分为： 1 1 在电力系统中的应用：电力电子技术已广泛地应用在发电机励磁、直流输电、 华北电力大学硕士学位论文 无功补偿等电力领域，特别是二十世纪8 0 年代后期发展起来的灵活( 柔性) 交流输电 系统( f a c t s ) 非常引人注目。f a c t s 的电力电子成套装置包括晶闸管串联补偿器 ( t c s c ) 、动态静止无功补偿器( s v c ) 、静止无功发生器( s v g ) 、晶闸管制动装置 ( t c d b ) ，综合潮流控制器( u p f c ) 、晶闸管移相器( t c p s ) 等，近年来，在扬水电站、 超导贮能、新能源等方面的电力电子应用都有了新的发展。 2 ) 各种电源：化工电解电源、焊接机电源、电弧炉电源、中频电源、各种恒压 恒频或变压变频电源、不停电电源、电车或地铁变电所电源、臭氧发生电源和充电 电源等。 3 ) 电机车和汽车：电力机车目前正由传统的直流电机传动( d c m o t o rd r i v e r ) 向 交流电机传动( a cm o t o rd r i v e r ) 过渡。硅器件多采用g t o ，但是，最近由于i g b t 的 大容量和高电压的发展，现已丌发出以i g b t 为电机车主传动的装置。在汽车工业， 电力电子是汽车电子化的不可缺少的重要部分。它广泛地应用在汽车的发动机的动 力系统控制、交流发电机的电压调节、牵引和制动控制、驱动器、点火器、电泳、 空气囊、空调和音响等方面。在电动汽车中电力电子更占重要地位。电动汽车分为 直流电机配斩波器和交流电机配逆变器两种，因此，控制方式分为斩波器控制、变 频器控制和发电机驱动控制。 4 ) 开关用装置：各种交直流无接点开关、固态继电器、接触器等，电源中的调 功器也可属于这一类。 5 ) 电动机调速装置：包括直流电机调速系统和交流电机调速系统。 6 ) 信息、通讯：计算机、通讯领域对电源要求的可靠性很高。因此，开关电源 和u p s 的应用也日益广泛。目前，由于智能m o s f e t 、i p m s f t l s m a r tp o w e r 等的发展， 大大提高了u p s , 口开关电源的性能。 7 ) 机电一体化、数控日用电器和办公自动化：电力电子在日用电器和办公自动 化中的应用越来越广泛。由于逆变器的集成化，使空调、洗衣机、微波炉、电冰箱、 复印机、传真机、手机等上升到一个新的档次。变频空调、变频电冰箱已经开始取 代传统的空调和电冰箱。 常用的可控型器件的主要性能：普通晶闸管( s c r ) 4 5 0 0 a 1 2 0 0 0 v ，金属氧化 物半导体场效应管( m o s f e t ) 2 4 0 a 5 0 0 v ，绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 1 2 0 0 a 3 3 0 0 v ， 门极可关断晶闸管( g t o ) 6 0 0 0 a 6 0 0 0 v ，其中m o s f e t 只能用于较小功率( 1 0 0 k w ) 的场合；g t o 高阻断电压大通态电流是其主要特点，但它的关断功率损耗大，关断 时间长( 几十微秒) ，在串联或并联使用中需配备庞大的缓冲电路和门极驱动电路， 可靠性不理想，因此在大功率使用时受到很大限制；i g b t 由于自身的特点主要用于 中功率( 1 0 0 k w 1 m w ) 场合中。如果用于大电流整流电源中，只能采用多只并联的方 华北电力大学硕士学位论文 式，且由于器件本身造价昂贵，所以大电流整流装置中基本采用普通晶闸管。 1 2 3 模糊一pj ( pj d ) 复合控制 美国著名控制论学者l o t f ia z a d e h ，于t 9 6 5 年发表了 f u z z y s e t s ) 】，形成 了模糊集合理论。他在1 9 6 8 年提出了模糊算法的概念，1 9 7 0 年提出了模糊决策等1 1 2 】， 1 9 7 5 年m a m d a n i 和a s s s i l i a n l j 立了模糊控制器的基本框架1 1 3 h o l m b l a d 和o s t e r g a a r d 在1 9 7 8 年开发出第一个模糊控制器一模糊水泥窑控制器，1 9 8 7 年，w l n g 在模糊控制 理论中首次严格地建立了模糊控制器与传统控制器的分析解关系，其中特别重要的 是证明了m a m d a n i 模糊p i ( 或p d ) 型控制器是具有变增益的非线性p i d 控制器【1 ”。这些 工作为模糊控制理论与传统p 1 d 控制理论相结合建立了桥梁。由线形控制理论可知， 积分作用能消除稳态误差，但动态响应慢，比例控制作用动态响应快，而比例积分 控制作用既能获得较高的稳态精度又能具有较高的动态响应，因此把p i 控制策略引 入模糊控制器，构成f u z z y p i ( p i d ) 复合控制，是改善模糊控制器稳态性能的一种 途径，如果模糊控制器的推理计算是限于比例一积分一微分三个控制分量或增益范 围以内的控制作用量，则属于模糊p i d 控制器类型”。目前这种复合控制器有多种 构成形式：1 ) 引入积分因子的模糊p i d 控制器。2 ) f u z z y p i d 混合控制。其中一种采 用f u z z y p i d 开关切换控制，其基本控制思想是在大误差范围内采用f u z z y 控制， 在小误差范围内转换成p i d 控制，两者的转换由微机程序根据事先给定的误差范围 自动实现。3 ) 模糊自适应p i d i 空制。把操作人员的调整经验知识用控制规则模型化， 然后运用推理便可对p i d 参数实现最佳调整。 l 7 1 1 2 4 单片机控制系统 冶金、化工、电力行业中广泛采用了晶闸管可控整流装置。晶闸管触发系统及 控制系统的可靠性和稳定性对整流电源来说是十分重要的。目前国内外所采用的控 制系统既有数字控制，也有模拟控制。模拟控制采用模拟装置来实现触发和稳压 稳流，其硬件电路复杂，调试因难，不适应现代迅速发展并大量采用的集散型控制 系统f d c s ) 的需要。而我国现有的数字触发装置大多出单片机构成，通常单片机控制 系统的硬件通常由单片机、检测器件、a d 、d a 转换器、功率驱动电路等组成【“1 。 由单片机组成的模糊控制系统在本质上就是一个闭坏控制系统，使用单片机去执行 模糊控制有以下优点：1 ) 可以接收和输出数字量( 开关量) 。2 ) 模糊化方便。模 糊化包括量化及隶属函数的定义。单片机中有专门的算法可以描述隶属函数，用软 件执行模糊化并不困难。3 ) 反模糊化方便4 ) 模糊推理执行较容易。 目前可以选用的推理方法有：1 m a m d a n i 法，2 l a r s o n 法，3 t s u k a m o t o 法， 4 b a l d w i n 的真值限定法，5 ，陈永义和汪培庄的直接法，6 z c a o 和a ，k a n d e l 的精确值 法，7 t a k a g i 和s u g e n o 的后件函数法。其中最广泛和频繁使用的是第一种方法，它 华北电力大学硕士学位论文 是以m a x m i n 运算执行推理的| t 9 1 ，在单片机上容易实现。虽然有专用的模糊单片机 出现，但一般的模糊控制过程都采用数字单片机，是因为：第一，绝大多数用户对 数字单片机较熟悉，而且模糊控制可以用数字单片机的软件实现。第二，模糊单片 机产量不大，购买不容易，且价格相对较高，同时从系统结构来讲，模糊单片机构 成的模糊控制系统结构和数字单片机构成的模糊控制系统，两者的区别仅在于控制 器由模糊单片机取代数字单片机而己。 图1 1 整流系统结构框图 1 3 本课题的主要研究内容 基于前面的分析，本人以目前实际生产中已有应用的三相五柱变压器和双反星 整流电路构成的大电流整流装置为研究对象。这种结构相对于普通的整流装置可以 省去平衡电抗器，更为经济和节能；另外结合数字控制策略设计了控制器，具体工 作如下： ( 1 ) 分析研究了整流变压器的类型和整流电路联结形式及各自优缺点。选取三 相五柱变压器和双反星整流电路为研究对象，系统说明了该整流装置可以省去平衡 电抗器的原理。 ( 2 ) 分析研究了变压器的数学模型，采用m a t l a b s i m u l i n k 构建了整流装置的仿 真模型，在此基础上研究控制算法，设计了f u z z y p i d 复合控制器，并与传统控制 策略迸行了比较。 ( 3 ) 研究单片机控制系统，根据不同的控制要求确定了模糊控制规则，设计了 相应的控制程序。 华北电力大学硕士学位论文 第二章大电流整流装置的分析研究 2 ，1 大电流整流装置系统 大电流硅整流装置主要用作大型发电机的励磁电源、铝镁电解、食盐水电解、 其他金属电解、水电解、石墨化电炉和直流电弧炉等设备的直流电源，其中用量最 多的领域是铝电解和食盐电解工业。电解用大电流硅整流装置对不同的应用场合， 虽然规格不尽相同，但要求类似。其主要的要求为：效率高，设备投资低，可靠性 高，不发生故障停电：操作、维护和保养简单方便：电流稳定( 在2 范围内) ， 控制反应灵敏：直流电功率计量准确；耐腐蚀性气体；安装面积小，安装工程简单； 直流输出功率留有裕量等。 2 1 1 硅整流装置的联结型式和调压方式选择 a ) 联结型式2 0 】：用于电解的硅整流装置有硅整流管和晶闸管整流装置两大 类。由于控制方式的不同，在选择联结方式时应有不同的区别。常用的联结型式 为六脉波双反星形带平衡电抗器联结和三相桥式联结。当输出相同的直流电压时， 前者每臂承受的峰值电压为后者的两倍，而输出相同的直流电流时，前者的每臂 平均电流为后者的一半。因此前者适用于电压较低、电流较大的电路，后者适用 于输出电压较高的电路。常用整流装置电联结方式可参见表2 一i 【4 1 。 表2 1 常j = | | 整流装置电联结方式 序号电联结形式额定直流电压或容量适用范围典型用途 1 单相半波 2 0 0 0 k w 大容量电解、传动类和船用 衡电抗器设备 b ) 调压方式2 0 2 2 】：对于硅整流二极管整流装置的调压方式可采用带调压开 华北电力大学硕士学位论文 关的变压器、调压器、饱和电抗器及其组合方式，一般有以下几种：有载分级自耦 调压器和饱和电抗器联合调压：整流变压器的网侧绕组有载分级调压和饱和电抗器 联合调压：感应调压器或移圈调压器调压；串联调压；对容量不大、调压要求不高、 允许停电调压的设备，也可用无载分级调压或变压器网侧绕组y 一转换方式进行 调压。对于晶闸管整流装置，可以利用品闸管的相控特性进行电压调整。原则上可 以在输出电压的0 0 0 范围内调节。为提高晶闸管整流装置的功率因数，避免在 深控状态下长期工作，为此可以和整流变压器网侧绕组有载分级调压方式以及有载 或无载分级自耦调压器联合调压。硅整流二极管和晶闸管整流装置在电气性能、结 构特点、适用范围等方面各有特点，它们的特性比较见表2 - 2 。 表2 2 整流二极管和晶闸管整流装置的特性比较 项目晶闸管整流装置 整流二极管整流装置 电压调整利用晶闸管本身的开关特性，进行门极相位控制 有载调压开关和饱和 调压，调压范围0 ， 电抗器联合调压，使 用电磁器件 控制性能 1 ) 控制精度高，反应速度快( 驳决于控制电路时用饱和电抗器调压范 间常数)围小，响应速度为 2 ) 可以实现软起动，并可用门极脉冲封锁方式0 1 o 5 s 。大幅度调 分断电路压必须采用有载开 关，调压速度慢 控制电路采用晶体管、集成电路、大规模集成电路和可编采用磁性元件调压， 程控制器等，消耗电能少耗电稍多 对硅器件特电路采取抑制d i d t 和d v d t 的措施，开通时间分要防止硅器件积蓄效 性的考虑散引起电流不平衡，干扰引起误触发，要抑制硅应产生的浪涌 器件积蓄效应产生的浪涌 效率 稍高稍低 功率因数输出电压较低时( 晶闸管深控) ，功率因数降低较好 谐波较多较少 安装面积因不使用有载调压开关和饱和电抗器，安装面积较大 较小。户外式整流变压装置安装面积可大幅度减 少 整流柜内结 安装部件多、较复杂简单 构 华北电力大学硕士学位论文 2 1 2 带平衡电抗器双反星晶闸管整流电路 由于目前硅整流装置的单机电流曰渐增大，整流变压器阀侧常有几套绕组各带 硅整流装置作并联运行，从而出现了并联装置之间、相问、臂问、硅器件阐的均流 问题。硅整流装置电流越大，大电流磁场以及各部分阻抗的不对称对均流的影响就 越严重。伴随着换流回路大电流产生的强大的交变磁通，在空间形成强磁场，会增 加线路电抗以及涡流，导致硅整流装置的效率和功率因数下降、损耗增加、周围环 境温度上升。另外对于大电流整流装置，如果采用三相半波整流电路，则每相要并 联晶闸管，从而使均流、保护、直流磁化等问题复杂化：如果采用三相桥式电路， 整流器件并没有减少，却多了一倍管压降损耗，降低了效率1 2 那。故常采用带平衡电 抗器的同相逆并联“1 双反星形晶闸管整流电路。 如图2 1 为带平衡电抗器的双反星形晶闸管整流电路的电路图。整流变压器的 副边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，如图2 1 所示，口、b 、c 一组和口、b7 、c 一组。其中a 与a 、b 与b 、c 与c 分别绕在变压 器相应同一相铁心上，使变压器副边两绕组的极性相反，故命名为双反星形电路。 o o 筝 7f 7f z f 簿妻雾 图2 】带平衡电抗器的双反星形晶闸管整流电路 同相逆并联电路的特点是：将两个整流系统组合在一起，使两个系统紧靠在一 起的铜排电流，在任何瞬间均大小相等、方向枢反，从而减少各部分线路电抗，并 增加相间、臂问阻抗的对称度。从图中可以看出双反星形的整流电路实际上是由两 组三相半波整流电路并联而成，每组只供给总负载电流的一半。它与由两组三相半 波电路串联而成的三相桥式电路相比，输出电流可增大倍。而且由于变压器副边 两绕组的极性相反，所以也可以消除铁心的直流磁化。 设两组三相半波电路的控制角a = o ，其整流电压、电流的波形如图2 - 2 所示。在 r 华北电力大学硕士学位论文 图中，两绕组的相电压互差1 8 0 0 ，因而两绕组的相电流亦互差18 0 0 。 他们的幅值相等，都是聊。以a 相而言，相电流屯与，出现的时刻虽然不同， 但它们的平均电流值都是聊，因此平均电流相等，二绕组的极性相反，所以直流 安匝互相抵消。同理，其它两相的直流安匝也是相互抵消的。总之，在这种线路中， 利用绕组的极性相反消除了直流磁通势。 图2 2c t = o o 州，两组整流电压、电流波形 在这种并联电路中，在两个星形的中间接着带有中间抽头的平衡电抗器( 见图 2 i ) ，这是因为两个直流电源并联运行时，只有当两个电源的电压瞬时值完全相同 时，才能使负载电流平均分配。在双反星形电路中，虽然两组整流电压的平均值 ，和u d 2 是相等的，但是它们的脉动波相差6 0 0 ，瞬时值“d ，和1 | l d 2 是不同的，如图 2 - 2 所示。现在把六个晶闸管的阴极连在一起，因而两个星形的中点f ，和n ，间的电 压便等于“d ，和1 2 d 2 之差。这是一个三倍基频的近似三角波，如图2 3 所示。这个电 压加在平衡电抗器，上，产生相应的交流电流，而通过两星形绕组自成回路， 它不流到负载中去，故称环流或平衡电流。 a ) b ) 乙 u b lu au c ，b u du c u 虿 、 唿7 一 戮i i i 受1 吨 “p 川川- i ovvvvv“ 3 6 0 。 图2 3 输出电压波形及平衡电抗器上电压波形 9 f 华北电力大学硕士学位论文 图2 4 平衡电抗器作用下，两晶闸管同州导通及环流作用 考虑到后，每绕组承担的电流分别为2 i p ，为了使两绕组尽可能平均分配， 就要使如尽可能小，为此，就必须使厶足够大，以便限制环流在其负载额定电流 的1 2 以内。在结构上，平衡电抗器的中间抽头把它一分为二，两端分别接到 两绕组上。由于电抗器的两部分都绕在同一铁心上并共同向负载供电，但其极性相 反，因而在电抗器铁心的直流磁通势相互抵消，避免了了铁心直流磁化饱和问题， 同时也使得电抗器的体积可以做得比较小。实际上，两绕组的电流相等时，磁通势 相互抵消，铁心中没有磁通，也就没有电感的作用、只有当两绕组的电流不平衡时， 才产生磁通，并感应电动势，从而使电流的分配趋于平衡。 如果不接平衡电抗器，那么图2 1 所示的电路就变为了六相半波整流电路，在 任一瞬间只能有一个晶闸管导电，其余五个晶闸管均承受反压而阻断，每个晶闸管 最大导通角为6 0 0 ，每管的平均电流为i a 6 。可见六相半波整流电路晶闸管导电时间 短，变压器利用率低，因而性能上不如带平衡电抗器的双反星形晶闸管整流电路。 在图2 3 中取任一瞬问如c c ) ，这时圾“。均为正值，然而z 嵋，大于，如果两 组三相半波整流电路中点”，和即直接相连，则必然只有 相的品闸管能导电。接 了平衡电抗器以后，? l l 、n 2 间的电位差加在乙的两端，它补偿了“6 和“。的电动势， 使得“6 ，和相的晶闸管能同时导电，如图2 - 4 所示。由于在f ，时刻u b 比如电压 高，v t 6 导通，此电流在流经l 。时，l p 上要感应一电动势，它的方向是要阻止此电 流的增大。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： ：一去“，：十要“，：=1(“j，+“)(2-2)bd u d2d l 5 一i “一2十i “一3 i 【“一，+ ：) 虽然u br 蚝导致”以 h 扪但由于l p 的平衡作用，晶闸管i ，丁6 和v t i 都承受了 1 0 华北电力大学硕士学位论文 正向电压而同时导通。随着时间推移至与的交点时，由于u b = ，两管继续导 通，此时= d 。之后u a r ，则流经相的电流要减小，但岛有阻止电流减小的 作用，“。的极性则与图2 - 4 所示的相反，厶仍起平衡作用，使v t 6 继续导电，直到 r “电流才从订j 换至y 乃。此时变成所j 和y 乃同时导电。每隔6 0 0 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：各轮流导电1 2 0 0 ， 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两三 相半波整流电压瞬时值的平均值，见式( 2 2 ) ，波形如图2 3 中实线所示。 将图2 - 3 中“d ，和u d 2 的波形傅立叶级数展开，可得a = o 时的“d 和b l d 2 ，即： = 訾叶去c o s 3 0 0 t - 2 c o s 6 c o t + 去0 c o s 9 c o t ， 陋s ， 铲訾 1 + 扣3 ( c o t - 6 0 0 ) 一丢c o s 6 ( 棚t - 6 0 。) + 击c o s 9 ( c o t - 6 0 0 ) _ - 】 = 笋 1 _ l o s 3 咖一2 43 5s 6 舭l 4 0s 9 一 ( 2 - 4 ) 2 石 。4、 由式( 2 1 ) 和式( 2 - 2 ) 可得： = 半卜丢c o s 3 m t - 去o 。一】 ( 2 _ s ) 铲訾 1 _ 委c o s 6 ( 2 - 6 ) 平衡电抗器两端的电压u p 只包含交流成分，且主要是三次谐波。电压u p 的波 形如图2 - 3 所示。其幅值亦可从图中求出，即当c o t = r # 2 时“。的峰值减去h i e , 在3 0 0 时的电压瞬时值： u 。：动：一如! s i n 3 。：- 5 - u ： ( 2 7 ) 因为最大环流为 d 2 ，而环流实际上就是平衡电抗器的励磁电流，因此平衡电 抗器的电感量亦可从规定的最小负载电流id n l 。估算出( 只考虑三次谐波) ，即： 凡嘲铲竽：粤 ( 2 _ 8 ) 二，1 d m i l l 2 铲器 ( 2 - 9 ) 华北电力大学硕士学位论文 由此可得双反星形整流电路的外特性：当负载电流很小时，其外特性较陡，如 图2 5 所示。 dj j 2 ) = = 二一一一一一一一l 图2 5 双反星整流电路外特性 在小电流的情况下，历值与环流相等时，运行中的一个晶闸管阻断，电路失去 并联导电的性能，由两个三相半波并联工作转变为六相半波工作，由j 7 u 2 转 为3 j ( 在a = o 和厶= 口时) 。当i d ，。时，特性如曲线l 所示；当d 、 、 ， c、 闷、 。嬲璎烫翌越y 、 、 、 图2 6 当c t = 3 0 0 、6 0 0 ，9 0 0 蚓，双反星电路的输出电压波彤 华北电力大学硕士学位论文 双反星形电路是两组三相半波电路的并联，所以整流电压平均值就等于组三 相半波整流电路的整流电压平均值，在不同的控制角时： u d = 1 1 7 u 2c o s 口( 2 1 0 ) 双反星形整流电路中，由于每组三相半波整流电流是负载电流的5 0 ，故晶闸 管的选择和变压器二次绕组额定容量的确定只要按加计算即可。流过晶闸管和变 压器二次绕组的电流相同，在电感性负载时都是方波，其等效值为： 厶= i 2 = 西1 弘1j 了2 a - = 去t - - - 0 2 8 9 1 u ( 2 - 1 1 ) 归纳起来，带平衡电抗器的双反星形整流电路有如下特点： 1 ) 两组三相半波电路双反星形并联工作，得到的整流电压波形与六相整流的 波形相同，整流电压的脉动情况比三相半波时小得多。 2 ) 同时有两相导电，变压器磁路平衡，不存在直流磁化的问题。 3 ) 与六相半波整流电路相比，变压器二次绕组的利用率提高了一倍，所以变 压器的设备容量比六相半波整流时要小。 4 ) 每一整流器件承担负载电流了厶的5 0 ，整流器件流过电流的有效值，电感 性负载时是0 2 8 9 l d ，所以与其它整流电路相比，提高了整流器件承受负载的能力。 2 2 三相五柱式大电流整流装置 随着整流技术的不断发展，相比于平衡电抗式半波并联整流电路( 即双反星带 平衡电抗器并联整流电路) ，采用三相五柱式整流变压器可以省去平衡电抗器，在 可靠性、节能、耗材和外观方面都具有优势25 1 ，所以目前在大电流整流装置中的应 用比较广泛。 2 2 1 三相五柱变压器磁路和优化设计的分析 三相五柱变压器铁心的外形如图2 7 所示： 图2 - 8 给出了等值磁路图 图2 7 五柱式铁心外形示意图 华北电力大学硕士学位论文 1 _ r 2三r 1 22 1 r ，- r ， 2 +2 图2 8 三相五柱变压器等值磁路 r o 一边柱磁阻，r 1 一心柱磁阻，r 2 轭部磁阻 其中磁势f = i w 为该相电流与匝数的乘积；磁阻r = l , u s ，l 是对应的磁路长 度，u 为磁导率，s 为横截面积。应用磁路的基尔霍夫定律可以得到： 民m l + 恐巾2 + r 2 m 3 + r o q b 4 = 0 ( 2 1 2 ) 考虑到一次绕组为y 型，各相匝数相等，三相电流的矢量和为零，所以有： c + 吒+ 最= w ( i a + 8 + 。) = 0 ( 2 - 13 ) 其中野、如、厅分别为a 、b 、c 三相的磁势。 考虑到磁路的连续性，应有：。= 中：一巾；中8 = 电一巾：；。j = o 。一o ，。故 i 回路应有下列等式： = r i m _ r d 巾1 = 一( 尺o + 尺i ) 中l + 月l 2 ( 2 _ 1 4 ) 对i i 、i i i 回路的外沿应有： 瓦= r i 中b r 2 f f ) 2 一r 巾i = - - 民中l 一( 月1 + r 2 ) q b 2 + 墨中3 ( 2 1 5 ) 对i v 回路： 气= r l m ( 1 一r o 巾4 = 一r t 0 3 + ( + r i ) 0 4 ( 2 - 1 6 ) 综合以上三式可得： 匕+ + 只= 一( r 1 + 2 r o ) 中i r 2 m 2 + ( r o + r 1 ) 0 4 = 0 ( 2 1 7 ) 为了方便分析，引入复数量口= 一吉+ ，譬，由三相线电压对称可下面的关系： 一兰j ! 皇垄查堂堕主堂垡笙奎 一一 些二堡：尘d 二竺：口 u b 一中b 一c 整理口j 得： 中。一( 2 + a 0 0 2 + ( 1 + 2 口) 中3 d 中4 = 0 ( 2 - 1 8 ) 式( 2 1 3 ) 、( 2 1 8 ) 除以置中：，式( 2 1 9 ) 除以m ：，并令= 等；r 2 = 鲁；仍2 罢； 镪= 熹：吼= 罢 则( 2 _ 1 3 ) 、( 2 - 1 8 ) 、( 2 1 9 ) 变换为下列方程式： r t o l + r 2 ( p 3 + r , c p 4 = 一r 2 ( 2 - 1 9 ) (1+2rd仍一(1+1)纪=-r2(2-20) 织+ ( 1 + 2 a ) e 3 一口织= 2 十口 ( 2 2 1 ) 以上变换的含义是以o ：作为磁通的基准l ，其他各磁通则阻相对于巾：的值( 仍 为矢量或复数) 来表示，磁阻r 则以对r 。的比值来表示。各磁通的相对值又可分为实、 虚二部分，比如锻= 锻。+ t i p , ，其余类推，将式( 2 1 9 ) ( 2 2 1 ) 展于1 ，得出下列方程 组： _ 妒1 ，+ p 3 ，+ _ p 4 ，= 一心 - 妒ly + 屹妒3 y + r l c p 4 ，= 0 ( 1 + 2 _ ) 妒l ，一( 1 + _ ) 妒4 ，= 一屹 ( 1 + 2 ) 妒i ，一( 1 + _ ) 妒4 ，= o 2 ( p lx 一2 小咿lv + i p4x + 小9 4y = 3 1 2 ，+ 2 砀，一咖。，+ = 石 写成矩阵形式则为： 弼， 仍y 仍， 他， 纯y 一吒 0 一哇 0 3 以 若假定铁磁材料的磁导率为常数，则，的值仅由磁路长度和横截面积所决定 k o o o h 压， ，l 。oo。巧 一 一3 o 吃o o础。 一 一3 眨o o o o 础 0 o 心o 2 o 忆o 2 o 华北电力大学硕士学位论文 代入具体的数值即可解出方程式。 对于小容量变压器而言，变压器铁心和边柱截面积大小对制造成本影响不明 显，但对于大容量变压器则是非常显著；另外三相五柱式变压器铁心各部分的磁感 应强度应控制在合理的范围之内，若铁心截面积过小，即磁感应强度过大，将会使 铁心磁感应强度高的地方发热比较严重：严重时会使变压器油热分解或对绝缘结构 造成破坏，引起运行事故；同时磁感应强度较大，变压器的空载损耗和空载电流也 会变大，既浪费电能又影响电网质量。若铁心截面积过大，则磁感应强度小，会造 成材料浪费，增加变压器的制造成本。分别采用模拟退火算法和瞬时法对三相五柱 式变压器铁心和边柱的截面积进行优化2 6 2 7 1 ，文献 2 6 1 采用模拟退火算法指出合理 的边柱截面积应是铁心截面积的一半左右，采用瞬时法给出的计算实例f 2 ”，边柱和 主轭的截面积分别是心柱截面积的4 7 8 和5 3 8 ，可以看出两种方法的结论基本 一致。 应当注意的是，在用上述方法对三相五柱式铁心磁路进行分析的过程中，忽略 了漏磁、铁心饱和、磁滞、涡流、铁心接缝磁阻、磁通分布不均匀等因素的影响， 实际工程中，在心柱与边柱和主轭的铁心叠片级数不同的情况下，磁通从心柱经过 铁心接缝分两路到主轭与边柱时，磁感应强度分布会不均匀。另外铁心接缝形式、 铁心搭接宽度、每叠片数、铁心接缝大小、铁心兴紧程度不同，也会影响磁通分布 不均匀。铁心硅钢片在剪切、叠装、压紧、磕碰过程中，硅钢片的磁化性能会受到 影响，磁化曲线数据也会发生一定的变化，综合考虑这些影响磁路中各段磁阻大小 变化的因素，边柱和主轭与铁心柱截面积的比例不是定值，应控制在一定范围内： 边柱与铁心截面积的比例在4 6 5 4 9 o ，主轭与铁心截面积的比例在 5 2 0 5 4 5 ，从而保证运行费用和材料费用最省。 2 2 2 取代平衡电抗器的分析研究 前面对双反星带平衡电抗器的整流电路做了分析，但考虑到平衡电抗器在安装 以及占地面积等方面的缺点，目前在大功率整流装置中多采用三相五柱变压器，即 在普通的三相三柱式铁心边增加了两个边柱，为三倍频的零序磁通提供通路，则在 其星形绕组内感应出较大的三次谐波电压和基波电压的叠加，可以在省去平衡电抗 器的情况下也能象双反星形带平衡电抗器联结那样保证两个半波同时并联工作：同 时还具有减少制造成本、降低运行损耗等方面的优势，这对于提高运行效率，建设 节约型社会是非常有意义的。下面从物理本质、数学论述和保证并联工作条件三个 方面对采用五柱式变压器的整流电路能够省去平衡电抗器的双反星整流电路进行 说明。 2 2 2 1 物理本质 1 6 华北电力大学硕士学位论文 采用五柱变压器的整流电路网侧为y 型接法，中性点不引出，阀侧采用同相逆 并联的双反星整流电路。其接线图和原理图如图2 9 所示。 l v d i t 1 i a l ；、 、电x r 。l l ! t 式t 抖rt 。弋 ! t 4 牮 b 图2 - 9 ( a ) 接线图 a b + 1 v d 2 刚。眵上7 斗刁 h j f l 一i l j 图2 - 9 ( b ) 原理图 当电源给网侧绕组加上励磁电流时，由浚电流在铁心内产生一个交变磁通中。 由于晶闸管的反内阻断作用，使通过网侧绕组和阀侧绕组的电流共同产生的交变磁 通，除基波外既包含了三相对称正( 负) 序的高次谐波，也包括了三相相位相同的 三倍频的零序高次谐波。 三相对称的正( 负) 序高次谐波磁通可以从三个心柱内自成回路，它们的矢量 和为零，而三相相位相同的三倍频零序谐波磁通不能通过三个心柱形成回路：对于 三柱式铁心只能以结构件和箱壁构成回路，而对于五柱式铁心，则可以通过主轭和 边柱形成回路。 以爿相为例( 参见图2 9b ) ，假设在某一瞬时阀侧绕组a l 电位最高，c 2 电位其次 时，阀侧绕组电流厶，的三倍频谐波成分厶，j 产生的三次谐波磁通对产生厶，的主磁通起 去磁作用。其对应的感应电压关系是：电位最高的，却力图产生一个反电势4 p ，达 华北电力大学硕士学位论文 到降低口、b 3 $ d c 5 点电位，抬高a 4 、b 6 平d c 2 电位的效果，使口点干e c 2 点的电位分别 变为e d ，- - a e 年n 8 以手4 p 。 由于网侧绕组联结成星形没有三次谐波电流的通路，不可能在网侧绕组中产生 三倍频谐波电流厶j 去平衡阀侧绕组中的三倍频谐波电流厶加因此，只要保证铁心中 的三倍频磁通约等于主磁通的7 以上，从厶分解出来的厶，j 就可以产生足够的感应 电势d p 满足等式e 。，- - a e = e 。l + a e 的需要，达到整流臂以和口并联运行的目的。同理， 6 j 和c 2 ，a 4 矛t b 3 ，c 5 年l a 4 ，b 6 和a l 依次同时导通。因此，三相五柱式铁心也和平衡 电抗器一样，能够使两个三相半波整流电路并联运行。 2 2 2 2 数学论证 在图2 一l o 中，可以看到在一7 r m 至：0 + 砌区间，整流电压瞬时值乩为2 u ，c o s ( o r ， 将其分解成傅立叶级数： “，u 一d 。s i nn e a t + b 。c o s n c o t ”= 1月；l r 2 2 2 ) 图2 i om 相整流电路谐波分析 由于“。( c o t ) = “。( 一c o t ) ，则不存在正弦函数。且又因为蚴以2 砌为周期，n 次谐 波以2 r c n m 为周期，其中舱为整流电压“疵一周内的脉波数：三相半波整流电路中的 m = 3 ，三相桥和双反星带平衡电抗器整流电路的均为6 ，需要注意的是谐波与脉波 数成倍数的关系，即：n = m k ( k = 1 2 、3 ) 。因此，整流电压的瞬时值为： “d = u d + b 。c o s n ( o i = u d + b 。c o s n ( o t + 2 石m ) ，| = ln = l 叱+ ，蠢秘喊m o t + 2 ，r k 刖月一毫嚷警c o s n o t ， 口z ， ，rp 2pf 州+ 1 整流电压的平均值： = 击巴厄2c o s 埘( 删= 厄知s i n ( 万= 也：字 1 8 华北电力大学硕士学位论文 而余弦函数项的系数为： 瓦= 击f 二也z c o sc o t c o gn c o t d ( 删一- 2 m 万o q r 2 计l c o s k矿xsin j r m ，-s i 珏耳m - 2 0 q s 壹石 ， 一2 c o s 壹疗 2 n 。厂i 玎。u 一f 式( 2 2 3 ) 为m 相整流电路的整流电压瞬时值的表达式。其幅值视具体情况确定。 当= 3 ，且为三相半波整流电路时，则有： 圹1 1 7 “，1 1 + 絮等一百2 c o 6 广c a t + 瓦2 c o s 矿9 w t 一可2 e o s 万1 2 w t 川( 2 - 2 4 ) 当”z = 6 。且为两组三相半渡整流电路的串联，即为三相桥式时，整流e g 路导通 时的电流经过两相，则整流电压的幅值表达式中的u 2 不是相电压值，而是线电压值， 即压压u 2 ( 6 z d s i n z c 6 = 2 3 4 ，此时： “。= 2 3 4 “： 14 一2 c 万o s 6 w t 一等+ 等一2 j c 面o s 2 4 c o t + - ( 2 - 2 5 ) 当脚= g 。且为两纽三褶半波整流宅踏静并联。鲫为双反星带平衡宅抗器整流电 路时，若整流电路导通时的电流只经过一相，则整流电压的幅值同式( 2 2 4 】，谐波 部分同式( 2 2 5 ) 。即： “。= ，“： - + 2 c 万o s 6 c o t 一2 _ i c 两o s l 2 w t + 等一三芝；i ；兰+ - 】( 2 - 2 6 ) 下面来研冗三相五柱式半渡荠联电路整流电压峤时值的表达式。假设”j ，为正星 形的输出电压u 4 2 为反星形的输出电压，“l e 2 为三倍频谐波磁通在二次绕组中感应 的三次谐波电压，“d 为正星形和反星形输出电压的平均值。由于正反星形的输出电 压的相数均为3 ，故将m = 3 ，n = 3 k 代入式( 2 2 3 ) 中，得： 圹1 1 沁【1 _ 妻k = l 坐半】 ( 2 - 2 7 ) 。zl。d “一2 圭c “一i + “。z ， 【g l l p2 “d 2 一l g d l f ha ( 2 - 2 7 ) g t 出： u a , = 1 1 7 u ， ，+ ；c 。s 。卜去雠s 舻h l 。c o s 9 c o t ( 2 2 9 ) f 2 3 0 ) 的 之 口 一7一，一 一 + = = 华北电力大学硕士学位论文 如果不考虑三次谐波的并联功能，当正星形中某一相到达最大值时，反星形中 即将导