5.2.4 带平衡电抗器双反星形可控整流电路

2025年09月26日

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三相全控桥式整流电路是两组三相半波可控整流电路的串联，其变压器的利用率高，无直流磁化问题，但整流电流要流过两个整流晶闸管，有两个管子的压降损耗，使效率降低。六相半波可控整流电路，每个时刻只有一个整流晶闸管导通，其变压器和晶闸管的利用率较低。为了克服上述整流电路的缺陷，可以采用图5-20所示的带平衡电抗器双反星形可控整流电路。

图5-20 带平衡电抗器双反星形电路

a）共阴极接法 b）共阳极接法

如图5-20所示，带平衡电抗器的双反星形可控整流电路有共阴极连接和共阳极连接两种形式，其电路结构及工作原理基本相同。

带平衡电抗器的双反星形可控整流电路由三相主变压器T、平衡电抗器LB（又称相间变压器）和六个晶闸管组成。其三相主变压器与六相半波可控整流电路中的变压器相同，每一相的二次都有两个线圈，各以相反极性联成星形，故称为双反星形。实质上，该电路是通过平衡电抗器LB，并联了两个三相半波可控整流电路。

图5-20中，变压器二次的a、b、c相的电压分别与-a、-b、-c相的电压反相，VH₁、VH₃、VH₅构成的三相半波可控整流电路称为正极性组，VH₂、VH₄、VH₆构成的三相半波可控整流电路称为反极性组。平衡电抗器LB是一个带有中心抽头的铁心线圈，抽头O两侧的线圈匝数相等，则两边的电感量相等。在任一侧线圈中有交流电流过时，抽头O两侧的线圈中均会感应出大小相等，方向一致的感应电动势。

若将图5-20a电路中的LB短接，即成为一般的六相半波可控整流电路（见图5-21）。根据前面的分析可知：在任一瞬间只能有一只晶闸管被触发导通，其余5只晶闸管均承受反压而阻断。每只晶闸管的最大导通角为60°，其平均电流为负载电流I_d的1/6。

当电路中接入平衡电抗器LB后，其工作情况就大不相同了。由于LB的作用，可以使两组半波可控整流电路有可能同时导电。

在带平衡电抗器LB的双反星形可控整流电路（见图5-20a）中，假设两组晶闸管中各有一只同时被触发导通。当触发延迟角α=0°时，每组的工作情况都和三相半波整流电路相同，虽然两组输出电压平均值U_MP和U_NP相等，但它们的脉动波相差60°，其瞬时值u_MP和u_NP是不同的（见图5-22a、b）。整个整流电路输出的电压u_d波形如图5-22c所示。因为该整流电路的6个晶闸管为共阴极连接，所以两个星形的中点M和N间的电压u_MN就等于u_MP和u_NP瞬时值之差，这是一个3倍基频（50Hz）近似三角形的电压（见图5-22d），该电压全部降落在平衡电抗器LB上，与该电压产生的交流电流i_MN通过LB时产生的感应电动势相平衡。

图5-21 六相半波可控整流电路

图5-22 带平衡电抗器双反星形整流器波形图（α=0°）

a）正极性组的整流电压 b）反极性组的整流电压 c）输出电压波形 d）平衡电抗器两端电压 e）晶闸管导通次序

继续分析两组晶闸管可以被同时触发导通的原理，也就是平衡电抗器的工作原理。根据图5-22所示的交流电源的相电压波形，取任一瞬时，例如ωt₁时刻，该时刻u_-b和u_a相均为正半波，但u_-b＞u_a，如果两组三相半波整流电路的中点M和N直接相连（见图5-23），连接u_-b相的晶闸管VH₆一旦被触发导通，连接u_a相的晶闸管VH₁就不可能触发导通。当接了平衡电抗器LB后，在ωt₁⁺时刻，u_-b电压最高，VH₆被触发导通，电流流经LB中的ON部分，在其一半线圈（ON部分）中产生感应电动势，其值为u_MN/2，其方向是阻止电流增长的方向，即O端为正，N端为负。由于LB是一个整体，因此在另一半线圈（OM部分）也将产生感应电动势u_MN/2，它的方向是M端为正，O端为负。

由图5-24a可见，ON部分线圈上的感应电动势与u_-b方向相反，而OM部分线圈上的感应电动势与u_a方向一致。因此只要平衡电抗器的感应电动势u_MN等于u_-b与u_a的差值即u_-b-u_MN/2=u_a+u_MN/2，则晶闸管VH₁和VH₆的阳极电位相同，将可以被同时触发导通。

当达到u_-b与u_a的交点时，由于u_-b=u_a，VH₁和VH₆继续导通，此时u_MN=0。之后u_a＞u_-b，流过u_-b相的电流要减小，而LB此时将阻止此电流的减小，使VH₆继续导通，直到ωt₂⁺时刻，u_-c＞u_-b，VH₂被触发导通，电流才从VH₆换至VH₂，此时VH₁和VH₂同时导通，图5-24b表示了此时LB感应电动势的极性。依次类推，可分析出其他时间段两组晶闸管同时导通及换相的情况。

图5-23 无平衡电抗器电路图

图5-24 LB上感应电动势极性电动势极性

a）ωt₁时刻 b）ωt₂时刻

可见，接入平衡电抗器LB后，能使两组三相半波可控整流电路同时工作，即在任一瞬间，两组电路各有一只晶闸管同时导通，共同负担负载电流，每隔60°有一只晶闸管换相。各组中的每一只晶闸管仍按三相半波可控整流电路的导通规律而各轮流导通120°。这样就能使流过晶闸管和变压器二次侧电流的纹波系数降低。由于该电路变压器采用两组反极性连接，使变压器磁路平衡，从而不存在直流磁化问题。

图5-25所示为电阻性负载条件下，带平衡电抗器双反星形可控整流电路触发延迟角α=30°时的整流电压波形图。由图可见，对于电阻性负载来说，触发延迟角α=30°是u_MP、u_NP波形连续的临界点。α＞30°时，u_MP、u_NP波形将不连续。

图5-26为电阻电感负载条件下，带平衡电抗器双反星形可控整流电路α=60°时的整流电压波形图。由于电路中有电感，所以在u_MP和u_NP为负值时，晶闸管还能继续导通，u_d波形如图5-26c所示。

由图5-26可见，触发延迟角α=60°为临界值，继续增大α，u_d波形将不连续。只有电路中电感足够大时，i_d波形才能连续、平稳，甚至是接近于水平线形状。

图5-27所示为电阻电感负载条件下，带平衡电抗器双反星形可控整流电路触发延迟角α=90°时的整流电压波形图，这时的u_MP、u_NP都对称于横轴，它们的平均值皆为零，那么负载电压平均值U_d也就等于零。

图5-25 带平衡电抗器双反星形整流电路α=30°时的整流电压波形

a）正极性组电压波形 b）反极性组电压波形 c）输出电压波形

通过分析可知，对于电阻负载来说，当α≤60°时，u_d波形连续，其输出电压平均值U_d为

U_d=1.17U₂cosα 0°≤α≤60° （5-7）

当触发延迟角α＞60°时，u_d波形断续，其输出电压平均值U_d为

U_d=1.17U₂[1+cos（α+60°）] 60°＜α≤120° （5-8）

可见，随着触发延迟角α的增大，u_d减小，当触发延迟角α=120°时，u_d为零。

对于电阻电感负载来说，当触发延迟角α≤60°时，u_d波形与电阻负载时的u_d波形相同，所以可以继续使用式（5-8）计算其输出电压平均值U_d。

当触发延迟角60°＜α＜90°时，u_d波形出现负值部分，其输出电压平均值U_d为

U_d=1.17U₂cosα 0°＜α＜90° （5-9）

可见，当触发延迟角α=90°时，整流电路输出电压U_d=0。

带平衡电抗器的双反星形可控整流电路用于弧焊电源时，只需将触发延迟角α从0°调至90°，即可实现从空载至短路的调节。由于该电路所要求的触发延迟角α调节范围小，给触发电路的设置带来了方便。

值得指出的是，若负载电流小于某一定值（称为临界电流），而达不到LB铁心中建立上述三角波电压所需磁通的励磁电流时，则LB上的电压达不到所要求的值，这样将不能维持两组三相半波电路并联工作，在极限情况下，LB失去作用，使该整流电路工作在六相半波整流状态，根据式（5-5），其输出的电压平均值也就升高至1.35U₂，即为空载电压值。