三相橋式整流電路及其MATLAB仿真解讀

1、目錄摘 要 - 2 -Abstract - 3 -第一章 引言 - 4 -1.1 設(shè)計背景 - 4 -1.2 設(shè)計任務(wù) - 4 -第二章 方案選擇論證 - 6 -2.1 方案分析 - 6 -2.2方案選擇 - 6 -第三章 電路設(shè)計 - 7 -3.1 主電路原理分析 - 7 -第四章 仿真分析 - 9 -4.1 建立仿真模型 - 9 -4.2 仿真參數(shù)的設(shè)置 - 10 -4.3 仿真結(jié)果及波形分析 - 11 -第五章 設(shè)計總結(jié) - 26 -致 謝 - 27 -參考文獻 - 28 -摘要目前，各類電力電子變換器的輸入整流電路輸入功率級一般采用不可控整流 或相控整流電路。 這類整流電路結(jié)構(gòu)簡單，

2、控制技術(shù)成熟， 但交流側(cè)輸入功率因 數(shù)低，并向電網(wǎng)注入大量的諧波電流。 據(jù)估計，在發(fā)達國家有 60%的電能經(jīng)過變 換后才使用，而這個數(shù)字在本世紀(jì)初達到 95%。電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中有著非常廣泛的應(yīng)用。 據(jù)估計，發(fā)達國家在用戶 最終使用的電能中， 有 60%以上的電能至少經(jīng)過一次以上電力電子變流裝置的處 理。電力系統(tǒng)在通向現(xiàn)代化的進程中， 電力電子技術(shù)是關(guān)鍵技術(shù)之一。 可以毫不 夸張地說，如果離開電力電子技術(shù)，電力系統(tǒng)的現(xiàn)代化就是不可想象的。隨著社會生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展， 整流電路在自動控制系統(tǒng)、 測量系統(tǒng)和發(fā) 電機勵磁系統(tǒng)等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。 Matlab 提供的可視化仿真工具 Simu

3、link 可直接建立電路仿真模型， 隨意改變仿真參數(shù)， 并且立即可得到任意的仿真結(jié)果， 直觀性強，進一步省去了編程的步驟。本文利用 Simulink 對三相橋式全控整流 電路進行建模， 對不同控制角、 橋故障情況下進行了仿真分析， 既進一步加深了 三相橋式全控整流電路的理論， 同時也為現(xiàn)代電力電子實驗教學(xué)奠定良好的實驗 基礎(chǔ)。此次課程設(shè)計要求設(shè)計晶閘管三相橋式可控整流電路， 與三相半波整流電路 相比，三相橋式整流電路的電源利用率更高，應(yīng)用更為廣泛。關(guān)鍵詞：電力電子 晶閘管 simulink 三相橋式整流電路- 5 -AbstractAt present, all kinds of power

4、electronic converter input rectifier circuit input power level generally use the uncontrolled rectifier or phase controlled rectifier circuit. This kind of rectifier circuit is simple in structure, control technology is mature, but the AC input power factor is low, and the harmonic currents injected

5、 a lot to the power grid. According to estimates, in developed countries 60% of the electric energy transformed before use, and this figure reached 95% at the beginning of the century.Power electronic technology has been widely used in electric power system. According to estimates, the developed cou

6、ntries in the end users to use electricity, with more than 60% of the electricity at least after more than once in power electronic converter device. Power system in the modernization process, the power electronic technology is one of the key technologies. It is no exaggeration to say that, if you l

7、eave the power electronic technology, power system modernization is unthinkable.With the development of social production and scientific technology, application of rectifier circuit in the field of automatic control system, the measuring system and the generator excitation system is more and more wi

8、dely. Matlab provides a visual simulation tool Simulink can directly establish circuit simulation model, changing the simulation parameters, and can immediately get the simulation results of arbitrary, intuitive, further saves the programming steps. In this paper, Simulink is used to model the three

9、-phase full-bridge controlled rectifier circuit, the different control angle, bridge fault conditions are simulated and analyzed, which deepens the three-phase full-bridge controlled rectifier circuit theory, it also examines the foundations for modern power electronic experimental teaching lay a go

10、od solid.The curriculum design for the design of thyristor three-phase bridge controlled rectifier circuit, compared with three phase half wave rectifier circuit, the power of three-phase bridge rectifier circuit utilization rate higher, more extensive application.Key words: electronic power thyrist

11、or Simulink three-phase bridge rectifier circuit第一章 引言1.1 設(shè)計背景在電力、冶金、交通運輸、礦業(yè)等行業(yè)，電力電子器件通常被用于電機變頻 調(diào)速、大功率設(shè)備驅(qū)動的關(guān)鍵流程之中， 由于電力電子器件故障往往是致命性的、 不可恢復(fù)的，常導(dǎo)致設(shè)備的損毀、生產(chǎn)的中斷，造成重大經(jīng)濟損失。因此，通過 儲存故障信息用以檢測對比尤為重要， 并且也是一種簡單可行的測量方法。 根據(jù) 電力電路的實際運行情況可知， 大多數(shù)故障表現(xiàn)為功率開關(guān)器件的損壞， 其中以 功率開關(guān)器件的開路和直通最為常見， 本文通過仿真采集功率器件在開路時的各 種波形，分析整流器件發(fā)生故障的種類

12、，判斷可能發(fā)生故障的器件。1.2 設(shè)計任務(wù)一 、設(shè)計內(nèi)容及技術(shù)要求：計算機仿真具有效率高、 精度高、 可靠性高和成本低等特點， 已經(jīng)廣泛應(yīng)用 于電力電子電路（或系統(tǒng)）的分析和設(shè)計中。 計算機仿真不僅可以取代系統(tǒng)的許 多繁瑣的人工分析， 減輕勞動強度， 提高分析和設(shè)計能力， 避免因為解析法在近 似處理中帶來的較大誤差， 還可以與實物試制和調(diào)試相互補充， 最大限度地降低 設(shè)計成本， 縮短系統(tǒng)研制周期。 可以說，電路的計算機仿真技術(shù)大大加速了電路 的設(shè)計和試驗過程。 通過本次仿真， 學(xué)生可以初步認(rèn)識電力電子計算機仿真的優(yōu) 勢，并掌握電力電子計算機仿真的基本方法。晶閘管三相橋式可控整流電路的電路，參數(shù)

13、要求：電網(wǎng)頻率 f=50hz電網(wǎng)額定電壓 U=380v電網(wǎng)電壓波動 正負(fù) 10%阻感負(fù)載電壓 0 250V 連續(xù)可調(diào)。1、設(shè)計內(nèi)容（1）制定設(shè)計方案；（2）主電路設(shè)計及主電路元件選擇；（3）驅(qū)動電路和保護電路設(shè)計及參數(shù)計算；器件選擇；（4）繪制電路原理圖；（5）總體電路原理圖及其說明。2、仿真任務(wù)要求（1）熟悉 matlab/simulink/power system 中的仿真模塊用法及功能；（2）根據(jù)設(shè)計電路搭建仿真模型；（3）設(shè)置參數(shù)并進行仿真（4）給出不同觸發(fā)角時對應(yīng)電壓電流的波形；3、設(shè)計的總體要求（ 1）熟悉整流和觸發(fā)電路的基本原理， 能夠運用所學(xué)的理論知識分析設(shè)計任 務(wù)；（2）掌握

14、基本電路的數(shù)據(jù)分析、處理；描繪波形并加以判斷；（3）能正確設(shè)計電路，畫出線路圖，分析電路原理；（4）廣泛收集相關(guān)技術(shù)資料。第二章 方案選擇論證2.1 方案分析單相可控電路與三相可控電路相比，有結(jié)構(gòu)簡單，輸出脈動大，脈動頻 率低的特點，其不適于容量要求高的情況，而三相可控整流電路有與之基本 相反的特點，對于相當(dāng)于反電動勢負(fù)載的電動機來說，它能滿足其電流容量 較大，電流脈動小且連續(xù)不斷的要求。2.2 方案選擇課設(shè)題目中給出的正是要求為 220V、 20A 的直流電動機供電，它的容量 為 S= kw ，屬于高容量，所以應(yīng)選用三相可控整流電路整流。另外三相橋式整 流電壓的脈動頻率比三相半波高一倍，因而

15、所需平波電抗器的電感量也減小 約一半。三相半波雖具有接線簡單的特點，但由于其只采用三個晶閘管，所 以晶閘管承受的反向峰值電壓較高，并且電流是單方向的，存在直流磁化問 題?；谝陨显颍罱K我選擇三相橋式全控電路為電機整流。三相可控整流電路的控制量可以很大， 輸出電壓脈動較小， 易濾波， 控制滯 后時間短， 因此在工業(yè)中幾乎都是采用三相可控整流電路。 在電子設(shè)備中有時也 會遇到功率較大的電源，例如幾百瓦甚至超過 12kw 的電源，這時為了提高變 壓器的利用率， 減小波紋系數(shù)， 也常采用三相整流電路。 另外由于三相半波可控 整流電路的主要缺點在于其變壓器二次側(cè)電流中含有直流分量， 為此在應(yīng)用中較

16、少。而采用三相橋式全控整流電路， 可以有效的避免直流磁化作用。 雖然三相橋 式全控整流電路的晶閘管的數(shù)目比三相半波可控整流電路的少， 但是三相橋式全 控整流電路的輸出電流波形便得平直， 當(dāng)電感足夠大時， 負(fù)載電流波形可以近似 為一條水平線。在實際應(yīng)用中，特別是小功率場合， 較多采用單相可控整流電路。 當(dāng)功率超過 4KW 時，考慮到三相負(fù)載的平衡， 因而采用三相橋式全控整流電路。第三章電路設(shè)計3.1主電路原理分析晶閘管按從1至6的順序?qū)?，為此將晶閘管按圖示的順序編號，即共陰極 組中與a b、c三相電源相接的3個晶閘管分別為VTi、VT3、VT5,共陽極組 中與a、b、c三相電源相接的3個晶閘管

17、分別為VT4、VTe、VT2。編號如圖示， 晶閘管的導(dǎo)通順序為 VTi-VT2-VT3-VT4- VT5 VTe0VI； VT, VT_ d(2f 2f 2fvt4 vt6 vt2 d2圖3-1主電路原理圖其工作特點是任何時刻都有不同組別的兩只晶閘管同時導(dǎo)通，構(gòu)成電流通路，因此為保證電路啟動或電流斷續(xù)后能正常導(dǎo)通，必須對不同組別應(yīng)到導(dǎo)通的一對晶閘管同時加觸發(fā)脈沖，所以觸發(fā)脈沖的寬度應(yīng)大于n/3的寬脈沖。寬脈沖觸發(fā)要求觸發(fā)功率大，易使脈沖變壓器飽和，所以可以采用脈沖列代替雙窄脈 沖；每隔n/3換相一次，換相過程在共陰極組和共陽極組輪流進行，但只在同 一組別中換相。接線圖中晶閘管的編號方法使每個周

18、期內(nèi) 6個管子的組合導(dǎo)通順 序是VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6；共陰極組Ti，T3，T5的脈沖依次相差2n/3; 同一相的上下兩個橋臂，即 VTi和VT4，VT3和VT6，VT5和VT2的脈沖相差n, 當(dāng)a =0時，輸出電壓Ud 一周期內(nèi)的波形是6個線電壓的包絡(luò)線。輸出脈動直流 電壓頻率是電源頻率的6倍，比三相半波電路高I倍，脈動減小，而且每次脈動 的波形都一樣，故該電路又可稱為 6脈動整流電路。 同理，三相半波整流電路稱 為3脈動整流電路。a 0寸，Ud的波形出現(xiàn)缺口，隨著a角的增大，缺口增大， 輸出電壓平均值降低。當(dāng)a =2/3時，輸出電壓為零，所以電阻性負(fù)載時，a的 移相

19、范圍是02 n/3;當(dāng)CKa鄉(xiāng)！3時，電流連續(xù)，每個晶閘管導(dǎo)通2 n/3;當(dāng) n/3a6) 負(fù)載可以根據(jù)需要設(shè)成純電阻、純電感、阻感等，本次仿真中為電阻負(fù)載 R=10Q，阻感負(fù)載 R=10Q , L=1H。4. 3仿真結(jié)果及波形分析設(shè)置仿真時間0.06s，數(shù)值算法采用ode23tb(stiff/TR. BDF2)。啟動仿真,根據(jù)三相橋式全控整流電路的原理圖，對不同的觸發(fā)角a會影響輸出電壓進行仿真。從以下仿真波形圖可知改變不同的控制角，輸出電壓在發(fā)生不同的變化。1、阻性負(fù)載時，仿真結(jié)果對波形的變化分析如下:(1) a =30 時30ld(a=3阻性負(fù)載50 1 f ji 1 11*11A1 j鼻

20、yi|25201510-5- 17 -圖4-2輸出電壓、電流波形Uab,Ubc,Uca圖4-3整流器輸入的三相相電壓波形將圖4-3所示三相電壓波形與圖4-2所示的整流電壓相比較，整流后的電壓 是直流，一個周期內(nèi)有六個波頭且波形與三相輸入電壓波形相對應(yīng)。 證明仿真波 形是準(zhǔn)確的。因為是電阻負(fù)載，整流后的電壓和電流波形相同，但幅值不同。Ia （a=30阻性負(fù)載）葉011験圖4-4三相電流波形圖4-4中各相電流波反映了晶閘管中流過電流的波形，由此波形可以看出，晶閘管一周期中有120。處于通態(tài)，240。處于斷態(tài)，由于負(fù)載為電阻，故晶閘 管處于通態(tài)時的電流波形與相應(yīng)時段的ud波形相同。以變壓器二次側(cè) a

21、相電流的波形為例，該波形的特點是，在 VTi處于通態(tài)的120期間，i a為正，若ia波形的形狀與同時段的ud波形相同，在VT處于通態(tài)的120期間，i a波形的形狀也與同時段的Ud波形相同，但為負(fù)值。變壓器二次側(cè) b相和c相電流的波形與變壓器二次側(cè)a相電流的波形相同，只是相位不同，依次相差 120a角的移相范圍是120，如果繼續(xù)增大至120,整流輸出電壓Ud波形將全為零，其平均值也為零iv（a=3阻?性負(fù)載）圖4-5 晶閘管VT1的電流（VTi）和電壓（VTu）圖4-5反映了通過晶閘管的電流及其電壓，VT導(dǎo)通時，相當(dāng)于短路其兩端電壓為零，有電流通過，VT關(guān)斷時，電流為零，所受電壓最大值為電源電壓

22、峰 值。VT的a移相范圍為180。(2) a =60 時ld(a=60載圖4-6輸出電壓、電流波形la （a=60阻性 負(fù)載）30UFM Ml：d圖4-7三相電流波形-1300200100-10C01 11 I1-1-20C-30C0.0050.010.0150.020.0250.030.0350.040.045Uvt1 (a=9 0阻性負(fù)載0.05圖4-8晶閘管VT1的電流（VTi）和電壓（VTu）a =60時相比a =30時輸出電壓、電流，三相電流及晶閘管VT1的電壓電流的幅值明顯減小，這是因為它們的幅值大小與COS a的大小成正比。所以所得波形與理論相符合。6ld（a=90阻性負(fù)載）=9

23、0 時20151050-5300250200150100500-50-1000.0150.0350.045/ 、 / 1Ud （ a=90 阻性負(fù)載）圖4-9輸出電壓、電流波形la （a=9阻性負(fù)載）lc （a=9阻性負(fù)載）圖4-10三相電流波形-21 -543210-1300皿件翅性負(fù)載圖4-11 晶閘管VT1的電流（VTi）和電壓（VTu）a =90時相比a =30、60時輸出電壓、電流，三相電流及晶閘管VT1 的電壓電流的幅值明顯減小，基本趨向于零。所得波形與理論相符合。2、阻感性負(fù)載時，仿真結(jié)果對波形的變化分析如下：（1）當(dāng)a分別等于0、30、60、90時，輸出電壓及電流的波形的仿真結(jié)

24、果如下圖所示：da=ffl感性負(fù)載uca=o感性負(fù)載）Ireclfse:圖4-12 輸出電壓、電流波形（ a =0 ）Id（a=3阻懣性負(fù)載16圖4-13 輸出電壓、電流波形（a =30 ）Id（a=60S感性負(fù)載）23 -圖4-14 輸出電壓、電流波形（a =60）-25 -ld（a=90阻感性負(fù)載）圖4-15 輸出電壓、電流波形（=90 ）從以上仿真波形圖可知改變不同的控制角，輸出電壓、電流隨之減小，直至a =90時基本為零。由于電感的存在，電流的波形基本趨于平直化。從仿真波 形上看稍微有所波動，不過最終會趨向于零或是在零附近很小的范圍內(nèi)波動。所以，仿真結(jié)果基本正確。2）當(dāng)a分別等于0、3

25、0、60、90時，電源三相電流波形的仿真結(jié)果對比分析如下:la（a=O。阻感性負(fù)載）15圖4-16三相電流波形（a =0阻感性負(fù)載）la（a=30阻感性負(fù)載）- 27 -圖4-17 三相電流波形（a =30阻感性負(fù)載）Ia（a=60阻感性負(fù)載）8圖4-18三相電流波形（a =60阻感性負(fù)載）Ia （a=90阻感性負(fù)載）圖4-19三相電流波形（a =90阻感性負(fù)載）從以上仿真波形圖可知改變不同的控制角， 三相電流隨之減小，直至a =90 時基本為零。由于電感的存在，電流的波形基本趨于平直化。從仿真波形上看稍微有所波動，不過最終會趨向于零或是在零附近很小的范圍內(nèi)波動。所以，仿真結(jié)果基本正確。3）當(dāng)

26、a分別等于0、30、60、90時，晶閘管VT1的電流及電壓波形的 仿真結(jié)果對比分析如下：7Ivt1 （a=0阻感性負(fù)載）6543210-1300Uvt1 （a=0阻感性負(fù)載）2001000/-100-200-300-4000.0450.0050.0150.0250.035圖4-20晶閘管VT1的電流VTi和電壓VTu （ a =0阻感性負(fù)載）7Ivtl （ a=30阻感性負(fù)載）-29 -圖4-21晶閘管VT1的電流VTi和電壓VTu （ a =30阻感性負(fù)載）300Uvtl （a=60阻感性負(fù)載）2001000-100-200-3000.045-40000.0050.010.0150.020.

27、0250.030.0350.04Ivt1 (a=6 0 阻感性負(fù)載）86420-2圖4-22晶閘管VT1的電流VTi和電壓VTu （ a =60阻感性負(fù)載）32.51.50.5-0.56005004003002001000-100-200-300-40000.0050.0150.0250.035i1Uvt1（a=90阻感性負(fù)載）jT0.045圖4-23晶閘管VT1的電流VTi和電壓VTu （ a =90阻感性負(fù)載）從以上仿真波形圖可知改變不同的控制角，晶閘管 VT1的電流VTi和電壓VTu 隨之減小，直至a =90時基本為零。由于電感的存在，電流的波形基本趨于平 直化。從仿真波形上看稍微有所波

28、動，不過最終會趨向于零或是在零附近很小的 范圍內(nèi)波動。所以，仿真結(jié)果基本正確。綜上所述，三項全橋整流電路的仿真結(jié)果基本上與理論知識相一致，所以仿真試驗的任務(wù)基本完成。-31 -第五章 設(shè)計總結(jié)通過仿真和分析，可知三相橋式全控整流電路的輸出電壓受控制角a和負(fù)載特性的影響， 文中應(yīng)用 Matlab 的可視化仿真工具 simulink 對三相橋式全控整 流電路的仿真結(jié)果進行了詳細(xì)分析， 并與相關(guān)文獻中采用常規(guī)電路分析方法所得 到的輸出電壓波形進行比較，進一步驗證了仿真結(jié)果的正確性。采用 Matlab Simulink 對三相橋式全控整流電路進行仿真分析，避免了常規(guī)分析方法中繁瑣 的繪圖和計算過程，

29、得到了一種直觀、快捷分析整流電路的新方法。 應(yīng)用 Matlab Simulink 進行仿真，在仿真過程中可以靈活改變仿真參數(shù)，并且能直觀地觀 察到仿真結(jié)果隨參數(shù)的變化情況。應(yīng)用 Matlab 對整流電路故障仿真研究時，可 以判斷出不同橋臂晶閘管發(fā)生故障時產(chǎn)生的波形現(xiàn)象， 為分析三相橋式整流電路 打下較好的基礎(chǔ)， 是一種值得進一步應(yīng)用推廣的功能強大的仿真軟件， 同進也是 電力電子技術(shù)實驗較好輔助工具。從本文上述系統(tǒng)仿真結(jié)果波形可以看出，利用SIMULINK對系統(tǒng)建模及仿真的結(jié)果（波形）具有真實性和極高的可信度。利用該方法還能對非常復(fù)雜的電路、 電力電子變流系統(tǒng)、電力拖動自動控制系統(tǒng)進行建模仿真。 系統(tǒng)的建模和實際 系統(tǒng)的設(shè)計過程非常的相似， 用戶不用進行編程， 也無需推導(dǎo)電路、 系統(tǒng)的數(shù)學(xué) 模型，就可以很快得到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。 通過對仿真結(jié)果分析就可以將系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 進行改進或?qū)?有關(guān)參數(shù)進行修改使系統(tǒng)達到要求的結(jié)果和性能，這樣就大大加 快了系統(tǒng)的分析或設(shè)計過程 6 。本文還反映出利用 Matlab 提供的電力系統(tǒng)工具箱，可以方便、快捷地對所 研究的電力電子電路進行各種暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)仿真。 這對于