三相十二脈波整流電路工作原理與技術(shù)分析

中國船舶重工集團公司第七一五研究所 王劍輝

隨著社會文明和科技的不斷進步，電能的地位逐漸凸顯。它屬于二次能源的范疇，并具備一定的特殊性，能被有效地傳輸和控制，不會對環(huán)境造成污染，在推動社會進步方面具有重要的作用。一般情況下，公用電網(wǎng)的電源都具備統(tǒng)一的電壓和固定頻率，但是電設備卻存在較大差異，他們的電壓和電源頻率也并不相同。因此應該使用整流電路對電壓和電源頻率進行轉(zhuǎn)換，滿足用電設備的多樣化需求。

1 整流電路

整流電路具備轉(zhuǎn)化的功能，讓交流電變?yōu)橹绷麟姟V波器、變壓器和整流的主電路是整流電路的三個主要零部件。整流電路的電子結(jié)構(gòu)和元件包括控整流、二極管整流、PWM整流、晶閘管整流等。二極管整流電路中的主要構(gòu)件為二極管，但是這個元件的可控能力較弱，需要與其他的裝備進行搭配使用；斬控整流匯集直流斬波和二極管，它的精準性較低、并且制造費用較高，在功率 較大的區(qū)域無法得到應用。PWM整流主要以全控制器為基礎并借助PWM方法的電路控制設備，它的電流諧波引入量值較低且功率因素較大，具有較大的發(fā)展空間。但是PWM電路仍舊處于發(fā)展階段，需要進一步研究和探索。現(xiàn)階段在電路中應用最為廣泛的就是晶閘管電路，其優(yōu)勢為成本低，可靠性強缺點為電流諧波大、功率因數(shù)低。

2 三相十二脈波整流電路工作原理和過程

2.1 工作原理

要想獲得十二脈波直流電壓，就應該先配置三相交流電源，要兩組同時進行試驗，兩組之間的相位差夾角要保證在30°。在星形聯(lián)接三相電源時，相電壓要位于其對應的線電壓的后面。以這個原理為基準，使用一個三相三繞組變壓器進行實驗，其中的一側(cè)組接成三角形或者星形，圖形的節(jié)點為A、B、C，二側(cè)三相繞線組具備兩個，即a1、b1、c1；a2、b2、c2等，a2、b2、c2這三個節(jié)點形成星組，連接在一起形成三角形。二次側(cè)繞組的每項匝數(shù)為繞線星組匝數(shù)的根號三倍。但是兩側(cè)的線電壓是一致的。十二脈沖整流電路是串聯(lián)電路，由三相全橋整流電路組成，兩組之間的相差角為30°，通過串聯(lián)的模式能獲取兩倍的脈沖電壓，并且一個周期內(nèi)存在12個波峰，電壓處于平緩的狀態(tài)，能為濾波提供便利。

2.2 工作過程

當三相十二脈波整流電路進行直流和交流電在轉(zhuǎn)換工作的時候，主要依靠晶閘管進行操作，晶閘管的通斷時間會對輸出直流電源的電壓造成一定的影響。在開展控制工作的過程中，在隨意的一個時間節(jié)點，下橋共陰極組、下橋共陽機組、上橋共陰極組、上橋共陽機組，這四個機組中不能存在兩個機組共同連通的情況，只要其中某一個屬于連通的狀態(tài)，另外三個就必須斷開，這樣才能為其他的用電設備輸送電量，形成供電回路。變電站的二次側(cè)能獲得負載提供的電量，交流電壓向六相進行輸出。在不同的時間段，整流電路的電源存在較大的差異。整流電路的輸出電壓主要為上下橋的輸入電壓。

三相十二脈波整流電路能為交流和直流轉(zhuǎn)化提供助力，在控制角的作用下輸入交流電壓的數(shù)值使輸出電源電壓的數(shù)值都會受到不同程度的影響。電路負載電壓就是三相十二脈波整流電路的控制量，輸出直流電壓就是三相十二脈波整流電路的反饋量。在控制器中輸入反饋量以及電壓差值就能對三相十二脈波整流電路進行科學控制，在操作的過程中可以對控制角進行調(diào)節(jié)。在對三相十二脈波整流電路進行設計和管理工作時要對各個環(huán)節(jié)進行全面地把控，要對直接和交流轉(zhuǎn)換過程中的調(diào)節(jié)控制、電力變換、濾波以反饋等工作內(nèi)容進行分析，控制角會隨著電路輸出電壓的提升而下降，調(diào)節(jié)控制環(huán)節(jié)由控制和協(xié)調(diào)設備組合而成，控制器應該設計的信號就是設定信號與實際反饋信號的差值。

利用調(diào)節(jié)器對控制電壓進行轉(zhuǎn)化后，就可以把相應的數(shù)值輸入到三相十二脈波整流電路中，這個時候輸出電壓就會隨著控制電壓的增加而增加，兩者屬于正比的關系。當一個晶閘管連接，其他三個都處于斷開的這個時間內(nèi)，控制電壓無法獲得充分地發(fā)揮。當下一個觸發(fā)脈沖出現(xiàn)的時候，會導致整流電路的電壓出現(xiàn)改變，由此可知，三相十二脈波整流電路的輸出電壓和控制電壓之間會存在一個數(shù)量差值，這段時間為失控時間，如果電路正處動態(tài)化運行的狀態(tài)，當觸發(fā)晶閘管的時候，產(chǎn)生控制電壓還需要一定的時間。

3 三相十二脈波整流電路仿真技術(shù)分析

圖1 三相十二脈波整流電路仿真模型

可以Simulink中構(gòu)建三相十二脈波整流電路的模型，并進行仿真操作。第一，仿真模型。對三相十二脈波整流電路的負載進行仿真模擬操作，如圖1所示，在仿真模型中的主要內(nèi)容為測量模塊、多功能橋式整流電路、三相交流電路、變壓器設備以及同步的12脈沖觸發(fā)設備等。

第二，仿真結(jié)果及其分析。利用Simulink構(gòu)建三相十二脈波整流電路模型，獲取具體的仿真結(jié)果。當把觸發(fā)延遲角設置為0°的時候，輸出電壓波形的狀態(tài)為先處于穩(wěn)定的直線形狀，隨后波形如同直線一樣，最后逐漸呈現(xiàn)螺旋的狀態(tài)。電流的波形狀態(tài)為起伏較大的波浪形，最高點與最低點之間存在著較大的距離。當觸發(fā)延遲角為150°的時候，輸出電壓波形的狀態(tài)最初為穩(wěn)定的直線形狀，隨后波形如同直線一樣不斷上升，最后逐漸呈現(xiàn)螺旋狀。把150°和0°進行對比可知，150°的起伏波動較大，輸出的脈動數(shù)出現(xiàn)明顯的增加。對它的輸出電壓進行探究，電壓仍舊處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)。通過這次的仿真模擬可知，應該把三相十二脈波整流電路應用到對功率要求較高并且波紋要求較小的環(huán)境。

4 三相十二脈波整流電路寬脈沖形成

對線路波形進行重新的組合這樣就能獲取到具有120°寬脈沖的電路。對三相十二脈波整流電路的寬邏輯電路的邏輯關系進行分析：晶閘管VT,1，它的晶閘管觸發(fā)信號為Q,0+Q,1，晶閘管VT1，觸發(fā)信號為Q0+Q1，以此類推晶閘管VT,3，它的晶閘管觸發(fā)信號為Q,2+Q,3，晶閘管VT3，觸發(fā)信號為Q2+Q3；晶閘管VT,6，它的晶閘管觸發(fā)信號為Q,5+Q,6，晶閘管VT6，觸發(fā)信號為Q5+Q6。利用D0～D11這十二組波形對十二路輸出波形進行探究，相位和脈沖寬度他們的差值分別為30°和120°。同步電壓選擇－B作為正弦波，這樣就能保障觸發(fā)電波的脈沖在限定的范圍內(nèi)，當符合相關的要求之后，-B相的270°與移相之間為相互的關系，并且與+A相30°和觸發(fā)角0°之間呈現(xiàn)著相應的聯(lián)系。這時+A相60°與移相這兩者間為對應的聯(lián)系，并且與－B相的330°以及觸發(fā)角30°這兩者為互相對應的關系，此外還與+A相90°和觸發(fā)角60°之間為相互對應的關系。

直流電源的運行效果和質(zhì)量容易受到客觀因素的影響，比如電路的紋波系數(shù)、穩(wěn)壓系數(shù)以及相對的溫度值等。現(xiàn)階段，應用頻率最高的質(zhì)量評價系數(shù)技術(shù)就是以紋波為基準進行探究，紋波系數(shù)主要呈現(xiàn)的就是電路直流電壓和平均電壓之間的比值。如果紋波系數(shù)的取值范圍較小，那么就說明整流電路輸出的電壓值具有穩(wěn)定的輸出數(shù)值。但是在對電路的實際情況進行探究的過程中，三相十二脈波整流電路仍舊存在需要改進和優(yōu)化的位置，在不同的運轉(zhuǎn)周期之內(nèi)，電路在輸出電壓時會出現(xiàn)12次波動的情況，控制角的數(shù)值會隨著波紋系數(shù)的增長而增長，兩者之間為正比關系。此外，隨著控制角不斷地變大，直流電源的質(zhì)量會受到影響，這時就需要進行濾波操作。

5 案例

目前，研究人員發(fā)明了一種新型的三相十二脈波整流電路，其中主要囊括：與超前整流和自然整流相互連接構(gòu)成直流輸出的負極和正極端；所述第一窄電流晚所述于第二的窄電流，第一雙窄電流的振幅高于第二雙窄電流的振幅；同所述濾波的三相構(gòu)建聯(lián)系，適用于具有第二雙窄電流的超前電路。這種新型的電路較為簡單，能對無源功率因數(shù)進行有效地校正。

這種三相十二脈波整流電路的主要特征為能形成濾波處理的三相電路、與描述的濾波電路的三相構(gòu)建聯(lián)系，為第一雙窄電流的自然流電路提供助力、同三相輸出構(gòu)建聯(lián)系，適用于第一雙窄電流的超前流電路、和自然流電路與超前流電路構(gòu)建聯(lián)系確定直流輸出的正負極端。其中所述濾波包括：三相出、入端以及三相交流電。其中第一濾波位于所述三相輸出端中第一相輸出端與三相輸入端第一輸入端之間。第二濾波位于所述三相輸出端中第二相輸出端與三相輸入端第二輸入端之間。第三濾波位于所述三相輸出端中第三相輸出端與三相輸入端第三輸入端之間。其中第一濾波器主要包括：第一濾波電容。把第一濾波電感的輸出端和第一濾波電容的輸入端構(gòu)建聯(lián)系。第一波濾波電感。三相輸入端的第一相輸入端與第一濾波電感的輸入端構(gòu)建聯(lián)系，再把三相輸出端的第一相輸出端與第一濾波電感構(gòu)建聯(lián)系。以此類推，第二和第三濾波器的構(gòu)成模式與第一濾波器一致。

結(jié)論：綜上所述，結(jié)合仿真模型可知，提高整流電路的相數(shù)量能減少輸出的電流脈動，增加輸出的電壓脈動，能的功率要求較高的設備助力。綜合應用十二脈沖波能降低整流裝置諧波對電網(wǎng)正常運行的干擾，能提升線路的設計效果。