电解铝用大功率整流器设计.docx

电解铝用大功率整流器的设计摘要 电解电源属于低压大电流设备,其品质的好坏直接关系着电解产物的纯度,同时作为电解行业最主要的能量消耗者,其效率的高低关系着行业的节能增效,其功率因数及谐波畸变率的大小关系着对电网污染程度的高低,因此,研制高品质、高性能的电解电源是电解行业实现节能增效、环保绿色化的重要途径。设计简要概述了铝电解供电特点、国内的研究现状,指出了项目研究背景及意义;详细阐述了110KV硅整流装置供电系统的组成以及各主要部件的工作原理及特点;着重研究了110KV供电整流系统中的整流电路设计方案的确定;通过对整流供电系统的改造,提高了供电系统的可靠性。从而切实提高了整流效率,降低了电能损耗,确保了电解整流供电系统安全、经济、可靠运行。对降低单吨铝的电耗、减少环境污染,提高企业的生产效率和经济效益以及促进企业的现代化进程。因此,具有重要意义。关键词:铝电解，整流变压器，硅整流装置，晶闸管，稳流控制DESIGN OF HIGH POWER RECTIFIER FOR ELECTROLYTIC ALUMINUMABSTRACTElectrolytic power belongs to low voltage large current equipment,its quality has close relationship with the lssctorytic product purity,meanwhile as the main energy consumer in the electrolysis industry,its efficiency is in relation to the quanytity of energy saving,its power fsctor and harmonic distortion is in rdlation to the poliution level to power network,therefore,for the electrolysis industry,developing high quality power is an improtant way to achieve the goals, such as energy-saving,environmental protection,greening and so on.The thesis synopsis said an sluminum electrolysis power supply characteristics,present domestic research condition,pointing out the project research background and meaning;Elaborated the 110kV silicon rectifying the constitute of the power supply system and work principle of each main parts and characterisitics;Emphasized to study in the 110kV rectifying system to power supply of the rectifying transformer design project to develop and make sure.Pass to the reformation that the rectifying power supply system, raise credibility of the power supply system,lowers single ton aluminum consuming of the electricity energy,electrical energy loss is reduced,safety,economical and reliable operation of the electrolytic power supply system.reduce pollution of the environment,raise the production efficiency and economic performance of the business enterprise and promote the modern progress of the business enterprise.Consequently,have important meaning.Key words:Aluminum electrolyze,Stabilized current control, Rectifying transformer, SCR，Silicon rectifying device.目录目录1 绪论11.1 设计背景11.2 设计意义21.3 国内外整流技术现状21.4 未来发展趋势31.5 110kV整流器原理31.6本设计的主要参数41.7 本设计的主要任务42.主电路设计72.1整流变压器的选型72.1.1变压器种类及比较72.1.2 整流变压器的参数计算82.2 交流滤波装置92.3整流电路的选型102.3.1 同相逆并联方式：102.3.2 双反星形带平衡电抗器方式112.3.3带平衡电抗器双反星形可控整流电路的计算公式及晶闸管的选择152.4 直流滤波182.4.1滤波装置的比较192.4.2滤波装置的选择202.5 直流检测装置203 触发电路的设计233.1同步变压器233.2触发电路233.2.1 KJ004的工作原理243.2.2 KJ004电参数253.3 隔离驱动264 整流主电路保护技术294.1过电流保护294.2 过电压保护305.总结33参考文献35致谢37附件139附件241附件343绪论1 绪论1.1 设计背景随着电力电子和计算机技术的迅速发展,各种电力电子装置也广泛应用在冶金、化工和高压直流输电等关键技术领域。特别是在冶金方面,我国已经在短短的几十年时间,成为了有色金属工业大国,这些金属大都是用熔盐电解的方法制得的。其中铝、锰、铜等金属的电解已形成大规模的工业生产。例如,我国电解铝和电解铜在 2010 年的产量已经达到 1666 万吨和 480 万吨,嫣然已成为世界电解金属的大国。但是这些行业都是属于高能耗高谐波污染的行业,而且消耗的是二次能源电力,在产生效益的同时也消耗了巨大的电能和自然资源。我国虽然地大物博,但是我国是能源资源严重短缺的国家,石油、天然气人均剩余可采储量仅仅是世界平均水平的 7.7%和 7.1%,储量比较丰富的煤炭也只有世界平均水平的 58.6%,因此节约能源在可持续发展中占有很重要的部分。“十一五”计划期间,工业的迅速发展对能源的需求急速增加,由 2005 年的 15.96 亿吨增加到了 2010 年的 24 亿吨左右标准煤。在“十二五”节能减排综合性工作方案中明确指出在节能减排方面,到 2015 年国内所生产的总值能耗比 2010 年下降 16%;全国氮氧化物和氨氮排放总量比 2010 下降 10%。由此可以看出,我国所有的高能耗、高污染的行业必须在未来五年里实现节能的目标,这意味着其生产系统必须进行节能的改造。而整流系统是电解工业的核心装置,其整流效率、供电可靠性直接跟电解生产的过程有密切的联系。所以通过对整流系统部件的优化设计来提高大功率整流系统的节能刻不容缓。大功率整流系统利用电力电子器件将交流电变换为直流电,由于电力电子的非线性及系统的大电流特性,电能变换过程中必然产生大量的谐波,其不仅对电网带来严重的谐波污染,影响电力系统安全、稳定与控制,而且也增加供电设备的负担,增大了它们的电能消耗,且引起变压器的振动与噪声污染等环境问题。随着全球能源日益紧张与环境污染的加重,大功率整流行业的谐波治理、功率因数提高及系统综合节能降耗是一个亟待解决的问题。早期的电解加工直流电源以直流发电机组为主，具有电源噪声大、效率低、稳压精度不高、体积庞大等缺点。随着半导体技术尤其是电力电子技术的发展，用大功率硅二极管整流开发出了性能明显好于直流发电机组的大功率直流电源，并逐步取代了直流发电机组直流电源。硅整流直流稳压电源稳定、可靠、效率和功率因数都较高，主要缺点是稳压精度较低，在5%左右，且短路保护时间长，约25ms。另外值得注意的是硅整流电源的铁耗、铜耗较高，导致成本偏高。为了进一步提高电源性能和降低成本，大功率可控硅器件的发展把电源推到了一个新的水平。于是，可控硅调压及稳压的直流电源又逐渐取代了硅整流电源，使得电源的稳压精度提高到了1%，短路保护时间仅为10ms。近年来，随着大容量模块式可控硅、可关断晶闸管（GTO）以及集成触发模块的出现，解决了可控硅直流稳压电源的可控硅器件的触发和均流问题，从而使电源容量增大，运行更加稳定可靠。通过对整流供电系统的改造,可以提高供电系统的可靠性，对降低单吨铝的电耗、减少环境污染,提高企业的生产效率和经济效益以及促进企业的现代化进程，具有重要意义。电解工业中的主要生产设备电解槽, 需要由直流电源供电，硅整流装置担负着将高压三相交流电源变换为电压较低的直流电源的任务。而作为电解电源使用的大电流硅整流装置从原理上来讲是非常简单的，简单地说就是一个工频整流电路，但由于其工作电流较大，伴随而来的电磁场以及谐波问题己到了不可忽视的地步。另外，大电流硅整流装置的每一个整流臂均由多只硅器件并联而成，这样就存在电流均匀分配的问题，对于每一个整流臂甚至整个硅整流装置来说，均流系数同样是一个非常重要的技术指标；同时，借助现代数字化功能实现传统已有大功率整流技术及装备的升级换代对于提高系统可控性、可靠性、安全性等性能具有十分重要的意义。1.2 设计意义大功率整流行业主要包含冶金(电解铜、电解锰、电解铝等)、化工(电解食盐水、电解氢氧化钠等)等行业,在大功率的能量转化过程中给电力系统带来了谐波与无功电流污染,同时系统能耗巨大,属于高耗能、高污染行业。大功率整流系统主要有整流变压器、滤波器、整流柜等装置组成的,对它进行综合节能的优化也就是对整流系统各个部件的优化。对大功率整流系统进行节能优化,一方面对于企业通过优化那些高能耗的产业,用电成本降低,并且原材料也大大降低,提高了生产效率能为企业带来很大的经济效益。另一方面,电能损耗的降低,伴随着煤炭等能源资源的节约,为国家的可持续发展做了很大的贡献。最后,对于大功率整流系统,大大地减少了那些非线性负载产生的谐波对电力系统的污染,从而实现了绿色节能的宗旨。所谓整流系统部件节能的优化设计,就是保证产品在满足性能需求、符合国家标准和行业要求或者对用户提出的某些特殊要求,并且使产品安全可靠运行的情况下,实现效率最高、损耗最小的优化。整流变压器是作为整流装置电源用的变压器,在整流系统中占有的比重相当大,工业用的整流直流电源大部分都是由交流电网通过整流变压器与整流器组成的整流设备而得到的。整流变压器的优化设计可以提高产品的纯收益,使产品更具有竞争力。因此,整流变压器在整个电力系统中的作用越来越重要。随着对煤炭石油等一次能源需求的日趋增长,资源已经日益枯竭,市场竞争日趋激烈,加上原材料的价格不断上涨,整流器的经济性越来越受到大家的关注。此设计使得整器的运行在满足其他性能参数正常运行的情况下,最大限度的降低损耗,节约能源,降低成本,提高变压器的运行效率和经济效益。整流器是电解系统中非常重要的设备,它的好坏直接可以影响整流效果,对整流器进行优化设计可以降低生产的成本并且减小运行损耗,从而提高变电效率。对于一个年产6万吨铝的中型铝厂,每年耗电约10亿kwh。每 kwh按0.1元, 则一年消耗的电费为1亿元。近几年改造的整流设备,普遍节约能耗为3%左右,即每年可节约300万元左右。因此对整流器的节能优化有重要的意义。因此对整流器进行损耗低、成本低的优化设计,在大功率整流系统的节能优化过程中有很重要的作用。随着控制技术的发展，晶闸管整流器在国内已成为应用的首选，二极管整流器仍然被采用，而斩波整流器的应用尚处于萌芽阶段。1.3 国内外整流技术现状整流系统主要是由整流变压器、滤波器、整流柜等装置组成的,其中整流变压器的损耗在整流系统部件中占有很大的部分,整流柜中的电力电子器件是整个整流系统的核心部件。目前,国内外大功率整流系统大多采用二极管、晶闸管作为整流元件,半导体二极管的出现开辟了能量变换的新方式,由它构成的整流系统具有谐波小的优点,但是二极管的开通与断开不能控制。随着晶闸管的出现,以晶闸管为代表的整流技术,具有调压范围广精度高、可靠、高效率以及控制灵活、操作简单的优点,并且在相关领域得到了广泛应用和发展。近阶段,GTR、GTO、MOSFET、IGBT等这些大功率可关断器件,在整流系统中得到了应用,具有控制灵活、谐波减小等优点。但是,目前可关断器件的价格、电路复杂、产生高次谐波、耐压等级、容量等因素限制了晶闸管在实际工程中的广泛应用。目前晶闸管整流在我国电解领域占有主导地位。现阶段,大功率整流系统在电解化工行业大多应用多重化技术,基于新型整流变压器的整理系统不仅可以减少整流系统对整个电力系统的谐波污染,而且还可以减小输出的电压和电流畸变率。但是传统的整流系统采用的整流变压器接线方式对于材料的利用率很低。在大电流工业应用中，晶闸管相控整流器是最常用的技术。晶闸管整流器效率较高，大约97%。晶闸管整流器的一个重要特点是输入电流有谐波。这是由于触发角变化产生无功，因此需要进行谐波及无功补偿。晶闸管整流器的主要优势是：高效率、高可靠性、负载电流控制得好、成本低和技术成熟。缺点是：产生无功、产生电流谐波、需要使用滤波器。1.4 未来发展趋势晶闸管整流器以其在性能、效率、可靠性与成本上的优势成为一项最实用的技术。斩波整流器在效率、性能方面优于晶闸管整流器，但能否战胜晶闸管整流器还要依赖于实际经验的积累，只有这样，才能使之趋于成熟。1.5 110kV整流器原理0. .0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000.直流检测装置直流滤波交流滤波整流电路整流变压器负载输入.同步变压器 触发电路图1-1.110kV大功率整流器原理图交流电源经整流变压器降压和隔离后经过滤波，接入整流电路，由控制器通过驱动隔离电路发出触发脉冲驱动整流桥换流器件，实现将交流电转换成脉动直流，并经平波电抗器后给负载供电。其中控制器是核心部件，通过由网侧检测的电压电流信号实现信号同步，脉冲发生、电参量的测显及相关保护作用；由直流侧检测到的直流电压电流信号可实现恒压恒流、恒功率等各种控制与运行模式，同时该组信号也可作为系统电参量测显和相关保护动作的依据。1.6本设计的主要参数本设计根据青海电解铝厂引进了160kA大型预焙阳极中间下料电解槽技术，采用网侧电压为110kV，共有四套整流机组用来提供直流电流的整流系统，其中单机组额定输出直流分别为 1150V、40kA；四套机组同时运行即正常状态下，分别输出 40kA、1150V 的直流电，则四台机组一共会输出 160kA、1150V 的直流电。1.7 本设计的主要任务1. 通过查找相关资料确定整流装置及主电路连接方案，并对相关器件进行选择与计算。2. 等确定出整流装置及主电路连接方案后设计触发电路。3. 对过电流、过电压设计出保护电路。4. 整流装置产生谐波会使电网的元件产生附加的谐波损耗，降低发电、输电及用电设备的效率，会引起电网中局部的并联谐振和串联谐振，谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，使电气测量仪表不准确，谐波还会对通信系统造成干扰，轻者产生噪音，较低通信质量，重者导致信息丢失，是通信系统无法工作。所以要设计抑制谐波的措施。5. 编写合理的控制程序流程图和相关软件程序。6. 进行资料的相关整理.编写设计说明说，准备毕业答辩.19水利电力学院附件2.主电路设计2.1整流变压器的选型整流变压器的不同于电力变压器它有很多参数,并且参数之间相互影响。一个参数变量一旦确定那么会对后面的参数进行约束。由于电磁相互影响的关系,整流变压器的设计电磁部分的计算也是很重要的,需要反复迭代选取最优的参数。其中计算过程涉及到整流变压器的重要参数,如温升,损耗,电压等级,电流大小,铁心直径等参数。有些参数是要符合国家规定的,因此,在符合相关条件下使产品更加节能。整流变压器的技术条件包括:产品型号、额定频率、额定电压、绕组联接组号、短路阻抗、空载损耗、负载损耗、等。这些条件必须满足国家规定,在整流变压器的设计过程中还有一些具体的约束条件,例如温升,效率等。这是整流变压器的特点,并且对整流变压器的优化非常重要。2.1.1变压器种类及比较目前电力系统中双绕组变压器和三绕组变压器的应用都非常广泛。它们的主要区别在于：双绕组变压器只能从一个电压等级变压到另一个电压等级，而三绕组变压器能从一个电压等级变压到另外两个电压等级。如图3三绕组变压器的每相有三个绕组，当一个绕组接到交流电源后，另外两个绕组就感应出不同电势，这种变压器用于两种不同电压等级的负载。这样就可以用一台三绕组变压器来代替两台双绕组变压器，以达到减少设备、降低成本的目的。发电厂中经常出现三种不同等级的电压，所以三绕组变压器在电力系统中应用非常广泛。三绕组变压器每相的高、中、低压绕组均套在同一铁芯柱上。为了绝缘结构的合理使用，一般把高压绕组放在最外层，中压和低压绕组放在内层。对升压用的三绕组变压器低压绕组放在高、中压绕组之间，对降压变压器是将中压绕组放在高、低压绕组之间。图2-1 传统双绕组变压器图2-2 三绕组整流变压器2.1.2 整流变压器的参数计算 1.变压器二次绕组电压输出最高槽压（即负载上直流电压平均值） （2-1） （2-2） （2-3）考虑一般情况下控制角，以及电网跌落等因素，选取，所以变压器次级绕组相电压选取1150V。2.变压器二次侧电流有效值输出极化电流即负载电流满载时平均值为40kA。 由公式知每只可控硅的平均电流为：=6.67kA （2-4）变压器二次侧电流有效值： （2-5）3. 变比： （2-6）； （2-7）4.容量的计算 （2-8） （2-9）我国制造的三绕组变压器，三侧绕组的额定容量有以下三类，第一类，额定容量比为100/100/100。第二类，额定容量比为100/100/50。第三类，额定容量比为100/50/100。此变压器第二侧、第三侧容量相同所以选择额定容量比为100/100/100的变压器。此变压器三侧绕组的额定容量都等于变压器的额定容量，所以 （2-10）5. 额定频率，我国一般为50。6.变压器的结构，网侧为三角形连接，二次侧和三次侧用星型连接。 本设计选用陕西西高电能集团有限公司的SFSZ9-31500/110H型三相三绕组变压器。2.2 交流滤波装置电网中的谐波会使整流出的直流电带有谐波，还会使元件产生附加的谐波损耗，降低发电、输电及用电设备的效率，谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，使电气测量仪表不准确，谐波还会对通信系统造成干扰，轻者产生噪音，较低通信质量，重者导致信息丢失，是通信系统无法工作。所以要设计抑制谐波的措施。无源滤波法通常采用电容电抗，以及电阻共同构成滤波器，通过调节滤波器的阻抗参数使得它们在特定的频率条件下表现出低阻抗的特点，这样特征次谐波的电流在通过滤波器时将被短路，这样滤波器在电网中正常工作时将会在一定程度上吸收谐波电流，这将减轻后者对于电网的危害，从而达到谐波治理的目的。 为了对电网中主要次谐波电流进行治理，通常可以将很多不同谐振频率的滤波器进行并联，以与不同频率的谐波电流形成谐振。无源滤波的方法采用的是滤波器对原系统进行分流的原理来治理谐波的，这是一种应用时间最长，也是最普通，使用范围最广的谐波治理方式。由于滤波器的阻抗呈容性，因此滤波器还可以补偿系统的感性无功功率，提高整个系统的功率因数。并联交流滤波器有常规无源滤波器、有源滤波器、连续可调交流滤波器三种形式。现已投运的直流输电工程中，交流滤波器大部分都采用常规无源交流滤波器。常规无源滤波器的设计制造、调试、安装及运行等技巧已非常成熟。LC滤波器具有结构简单、设备投资少、运行可靠性较高、运行费用较低等优点，应用很广泛。LC滤波器又分为单调谐滤波器、高通滤波器、双调谐滤波器及三调谐滤波器等几种。LC滤波主要是电感的电阻小、直流损耗小、滤波效果好。缺点是：体积大、笨重、成本高、用在要求高的电源电路中。RC滤波中的电阻要消耗一部分直流电压,R不能取得很大,用在电流小要求不高的电路中。RC体积小、成本低、滤波效果不如LC电路。本设计交流滤波采用LC滤波，滤波原理图如下图2-3：图2-3 LC滤波2.3整流电路的选型目前大电流硅整流装置常见的主回路接线方式有同相逆并联和双反星形带平衡电抗器方式两种：2.3.1 同相逆并联方式：同相逆并联就就是利用相同相位、极性相反的两根导排组成的母线在整流装置中并联应用，要求条件是变压器阀侧由一个线圈分为二个线圈，而且要反极使用，它的特点就是利用通过导体产生的磁力线相互抵消，达到减少导排的互感，最终减少母线的交流阻抗，达到提高功率因数的目的。当导排中的电流达到一定数值以上时，导排中电流产生的磁力线在周围的钢结构中产生电动势，形成涡流，涡流电流使钢结构发热，生成附加损耗。采用同相逆并联后，可以减少这种附加损耗。同相逆并联方式的特点：在可控硅整流电源中应用同相逆并联技术,可消除交流磁场的影响,起到均衡阀侧母线电流,提高功率因数,减少运动噪音和振动,减少金属件涡损发热等作用,有利于各项运行指标的提高。整流效率提高到98%,功率因数提高到0.92,稳流精度提高到0.1%,从而可以大幅度降低原铝电耗。输出直流电压提高到1200V,从而可以增加原铝产能。图2-4 同相逆并联接线图2.3.2 双反星形带平衡电抗器方式如图7，带平衡电抗器的双反星形晶闸管整流电路。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2-4所示，a、b、c一组和a、b、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芯上，使变压器副边两绕组的极性相反，故命名为双反星电路。 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相桥式电路相比，输出电流可增大一倍。而且由于变压器副边两绕组的极性相反，所以也可以消除铁芯的直流磁化。 图2-5 带平衡电抗器的双反星形可控整流电路带平衡电抗器的双反星形可控整流电路的原理： 整流变压器二次侧为星型接法的两个绕组,a与a、b与b、c与c接在三相变压器的三个铁芯柱上，且匝数相同但同名端位置相反，使Ua与Ua、Ub与Ub、Uc与Uc的电压大小相等、相位差180度。两个绕阻分别接成两组三相半波共阴极接法的整流电路，通过平衡电抗器Lp并联起来。变压器二次侧两绕组的极性相反可消除铁芯的直流磁化。平衡电抗器Lp是从中心抽头，左右两部分绕在同一铁芯上，匝数相等，绕向相同，用来保证两组三相半波整流电路能同时并联导通，每组承担一半负载。因此，与三相桥式电路相比，在采用相同晶闸管的条件下，双反星形电路的输出电流可大一倍。当两组三相半波的控制角 =0 时，两相整流电压、电流的波形如图2-6所示。在图中，两组的相电压互差180，因而相电流亦互差180。其幅值相等，都是Id/2。以a相而言，相电流ia与ia，出现的时刻虽不同，但他们的平均值都是Id/6。因为平均电流相等而绕组的极性相反，所以直流安匝互相抵消。因此本电路的利用绕组的极性相反来消除直流磁通势的。在这种并联电路中，在两个星形的中点间接有带中间抽头的平衡电抗器，这事因为两个直流电源并联运行时，只有当两个电源的电压平均值和瞬时值均相等时，才能是负载电流平均分配。在双反星形电路中，虽然两组整流电压的平均值Ud1和Ud2是相等的，但是它们的脉动波相差60，它们的瞬时值是不同的，如图2-8a所示。现在把六个晶闸管的阴极连接在一起，因而两个星形的中点n1和n2间的电压便等于ud1和ud2之差。其波形是三倍频的近似三角波，如图2-8b所示。这个电压加在平衡电抗器Lp上，产生电流ip,它通过两组星形自成回路，不流到负载中去，称为环流或平衡电流。考虑到ip后，每组三相半波承担的电流分别为Id/2ip。为了使两组电流尽可能平均分配，一般使Lp值足够大，以便限制环流在其负载额定电流的1%2%以内。 图2-6双反星形电路， =0 时两组整流电压、电流波形 图2-7 平衡电抗器作用下输出电压的波形和平衡电抗器上电压的波形 如不接平衡电抗器，即成为六相半波整流器电路，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二阻断，每个管子的最大导通角为60，每个管子的平均电流为Id/6。当=0时，六相半波整流电路的Ud为1.35U2，比三相半波是的1.17U2略大些，其波形如图5a的包络线所示，由于六相半波整流电路因晶闸管导电时间段，变压器利用率低，估计少采用。可见，双反星形与六相半波电路的区别在于有无平衡电抗器。以下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2-8a中取任一瞬间如t1,这时ub及ua均为正值，然而ub大于ua,如果两组三相半波整流电路中点n1和n2直接相连，则必然只有b相的晶闸管能导电。接了平衡电抗器后，n1、n2间的电位差加在Lp的两端，它补偿了ub和ua的电动势差，使得ub和ua相的晶闸管能同时导电，如题2-7所示。由于在t1时电压ub比ua高，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。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： （2-11） （2-12）虽然ubua，导致ud1ud2，但由于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。随着时间推迟至ub与ua的交点，由于ub与ua，两管继续导电，此时up=0。之后ubub,电流才从VT6换至VT2。此时变成VT1、VT2同时导电。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。 图2-8 取不同值时输出电压波形 =30、=60和=90时输出电压波形如图9所示。从图中可以看出，双反星形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，脉动频率加大一倍，f=300Hz。在电感负载情况下，当=90时，输出电压波形正负面积相等，Ud=0，因而要求的移相范围为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=120时，Ud=0，因而电阻负载要求的移相范围为120。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，在不同控制角时 Ud=1.17U2cos。比较双反星形电路与三相桥式电路可得：三相桥式电路是两组三相半波电路串联，而双反星形电路是两组三相半波电路并联，且后者需用平衡电抗器；当变压器二次侧电压有效值U2相等时，双反星形电路的整流电压平均值Ud是三相桥式电路的1/2，而整流电流平均值Id是三相桥式电路的两倍；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的波形形状一样。带平衡电抗器的双反星形可控整流电路特点：1.二次侧为两组匝数相同极性相反的绕组，分别接成两组三相半波电路。2.二次侧两绕组的极性相反可消除铁心的直流磁化。3.平衡电抗器是为保证两组三相半波电路能同时导电。4.两组三相半波电路双发星形并联工作，得到的整流电压与六相整流波形相同，整流电压的脉动情况比三相半波时小的多。5.同时有两项导电，变压器磁路平衡，不存在直流磁化问题。6.与六相半波整流电路相比，变压器二次绕组利用率提高了一倍，所以变压器的设备容量比六相半波整流时要小。7.每一整流器件承担负载电流的50%，整流器件流过电流的有效值，电感性负载时为0.289，所以与其他整流电路相比，提高了整流器件承受负载的能力。三相桥式整流电路中，整流器件的数量很多，还有两个管压降损耗，降低了效率。若采用带平衡电抗器的双反星形整流电路可消除此缺点。依上所述，因此本设计采用带平衡电抗器的双反星形可控整流电路.则在不同的控制角时 （2-13）2.3.3带平衡电抗器双反星形可控整流电路的计算公式及晶闸管的选择 1.相关参数计算输出电压变化范围：0-1.17控制角=0：空载输出电压平均值1.17 控制角:控制角:可控硅移相范围：0-120可控硅最大导通角：可控硅最大正向电压：可控硅最大反向电压：可控硅平均电流：（负载电流平均值）平衡电抗器使相当于两组的三相半波电路并联同时工作。在每一瞬间, 都有两个元件同时导通。每个元件导电时间为，每隔60度就有一个元件换流，这时流过整流元件及变压器次级绕组的电流平均值也是，但负载电流不再只有一个元件和一相绕组承担，而变成同时有两个元件和两相绕组承担，流过元件和变压器绕组的电流峰值和有效值变小，所以可选用额定值较小的元件, 并提高了变压器的利用率。平衡电抗器中点的电位值等于两端点电位的平均值（即为0）, 所以整流后在负载上的输出电压平均值为: （2-14）式中为a、b、c、组三相半波整流后在Rd上输出直流电压平均值。为a、b、c、 组三相半波整流后在上输出直流电压平均值。 由公式; （2-15）可控硅额定通态平均电流（半波电流平均值） （2-16）所以流过可控硅瞬时电流峰值： （2-17）又由公式正弦半波电流时, 流过可控硅的电流有效值： （2-18） （2-20）又由公式可控硅承受最大正向电压为： （2-21）可控硅承受最大反向电为: （2-22）2.晶闸管的选择 可控硅整流器件是一种非常重要的功率器件，可用来做高电压和高电流的控制。可控硅器件主要用在开关方面，使器件从关闭或是阻断的状态转换为开启或是导通的状态，反之亦然。可控硅器件与双极型晶体管有密切的关系，二者的传导过程皆牵涉到电子和空穴，但可控硅的开关机制和双极晶体管是不同的，且因为器件结构不同，可控硅器件有较宽广范围的电流、电压控制能力。现今的可控硅器件的额定电流可以从几毫安到5000A以上，额定电压可以超过10000V。a.电触发晶闸管器件 晶闸管是传统直流输电的核心设备，直流输电工程中使用最多的是电触发晶闸管(ETT)，相比问世之初其功率容量已提高了近3000倍，其最大的功率等级达12 kV/6 kA。国内目前工程实践已有6英寸ETT的成功应用经验，其中，灵宝背靠背扩建工程晶闸管额定电流为4.5 kA,额定电压为7.2 kV，芯片直径为134 mm。换流阀中使用并且晶闸管因可以光触发，故很容易实现串联连接。复奉特高压工程使用的6英寸大功率晶闸管，其峰值阻断电压为8.5kV，无需并联即可实现4.5kA的直流电流。我国株洲南车时代公司也已白主研发出阻断电压为8 kV的6英寸晶闸管。中电普瑞公司基于国产晶闸管研发的A5000换流阀额定通流能力为4750 A,额定传送功率为7.6GW ，2h过负荷能力为5kA,故障电流耐受能力为50kA,多重阀雷电冲击耐受能力为1900kV 。b.光触发晶闸管器件 光触发晶闸管(LTT)即用光直接照射晶闸管芯片来触发晶闸管。LTT阀核心技术为光脉冲不经光电转换而直接送到晶闸管元件的门极光敏区以触发晶闸管阀片。全光触发晶闸管具有无需门极触发取能回路的特点，提高了整体技术可靠性，同时该技术在阀片中心光敏区域增加了用于击穿二极管(BOD)的保护结构。白1988年ABB公司在在Konti-Skan工程中用LTT代替汞弧阀以来，LTT器件的发展已有长足进步，英吃凌公司(即最初的EUPEC公司)及日本三菱公司代表了当今最高的器件制造水平，英飞凌公司已可提供8kV/3570A, 5.2kV/4980A等水平的LTT器件，日本三菱公司可以生产目前世界上容量最大的LTT器件，器件水平为8kV/3.6KA。c.碳化硅晶闸管 近年来，碳化硅材料因其具有更高的击穿电场强度而被用于制造更高水平的晶闸管器件。碳化硅晶闸管用于直流输电可以发挥其击穿电压高、耐温高等特点。耐压水平