基于Matlab的三相橋式全控整流電路的仿真研究

1、用simulink對三相橋式全控整流電路進(jìn)行仿真研究姓名：劉佰蘭 學(xué)校：中山大學(xué) 學(xué)號：09382014 專業(yè)：自動化摘要：三相橋式全控整流電路在現(xiàn)代電力電子技術(shù)中具有很重要的作用和很廣泛的應(yīng)用。這里結(jié)合全控整流電路理論基礎(chǔ)，采用Matlab的仿真工具Simulink對三相橋式全控整流電路的進(jìn)行仿真，對輸出參數(shù)進(jìn)行仿真及驗證，進(jìn)一步了解三相橋式全控整流電路的工作原理。關(guān)鍵詞：simulink 三相橋式全控整流 仿真一、研究背景隨著社會生產(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(jī)勵磁系統(tǒng)等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。常用的三相整流電路有三相橋式不可控整流電路、三相橋式半控整流電路和三相

2、橋式全控整流電路。三相全控整流電路的整流負(fù)載容量較大,輸出直流電壓脈動較小,是目前應(yīng)用最為廣泛的整流電路。它是由半波整流電路發(fā)展而來的。由一組共陰極的三相半波可控整流電路和一組共陽極接法的晶閘管串聯(lián)而成。六個晶閘管分別由按一定規(guī)律的脈沖觸發(fā)導(dǎo)通，來實現(xiàn)對三相交流電的整流，當(dāng)改變晶閘管的觸發(fā)角時，相應(yīng)的輸出電壓平均值也會改變，從而得到不同的輸出。由于整流電路涉及到交流信號、直流信號以及觸發(fā)信號，同時包含晶閘管、電容、電感、電阻等多種元件，采用常規(guī)電路分析方法顯得相當(dāng)繁瑣，高壓情況下實驗也難順利進(jìn)行。Matlab提供的可視化仿真工具Simulink可直接建立電路仿真模型，隨意改變仿真參數(shù)，并且立即

3、可得到任意的仿真結(jié)果，直觀性強(qiáng)，進(jìn)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(jìn)行建模，對不同控制角、橋故障情況下進(jìn)行了仿真分析，既進(jìn)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)。二、三相橋式全控整流電路工作原理1.三相橋式全控整流電路特性分析圖1是電路接線圖。三相橋式全控整流電路圖是應(yīng)用最為廣泛的整流電路，其電路圖如下：圖1在三相橋式全控整流電路中，對共陰極組和共陽極組是同時進(jìn)行控制的，控制角都是。由于三相橋式整流電路是兩組三相半波電路的串聯(lián)，因此整流電壓為三相半波時的兩倍。很顯然在輸出電壓相同的情況下，三相橋式晶閘管要求的最大

4、反向電壓，可比三相半波線路中的晶閘管低一半。 為了分析方便，使三相全控橋的六個晶閘管觸發(fā)的順序是1-2-3-4-5-6，晶閘管是這樣編號的：晶閘管KP1和KP4接a相，晶閘管KP3和KP6接b相，晶管KP5和KP2接c相。晶閘管KP1、KP3、KP5組成共陰極組，而晶閘管KP2、KP4、KP6組成共陽極組。 為了搞清楚變化時各晶閘管的導(dǎo)通規(guī)律，分析輸出波形的變化規(guī)則，下面研究幾個特殊控制角，先分析=0的情況，也就是在自然換相點觸發(fā)換相時的情況。為了分析方便起見，把一個周期等分6段（見圖2）。在第（1）段期間，a相電壓最高，而共陰極組的晶閘管KP1被觸發(fā)導(dǎo)通，b相電位最低，所以供陽極組的晶閘管K

5、P6被觸發(fā)導(dǎo)通。這時電流由a相經(jīng)KP1流向負(fù)載，再經(jīng)KP6流入b相。變壓器a、b兩相工作，共陰極組的a相電流為正，共陽極組的b相電流為負(fù)。加在負(fù)載上的整流電壓為ud=ua-ub=uab 經(jīng)過60°后進(jìn)入第(2)段時期。這時a相電位仍然最高，晶閘管KPl繼續(xù)導(dǎo)通，但是c相電位卻變成最低，當(dāng)經(jīng)過自然換相點時觸發(fā)c相晶閘管KP2，電流即從b相換到c相，KP6承受反向電壓而關(guān)斷。這時電流由a相流出經(jīng)KPl、負(fù)載、KP2流回電源c相。變壓器a、c兩相工作。這時a相電流為正，c相電流為負(fù)。在負(fù)載上的電壓為ud=ua-uc=uac再經(jīng)過60°，進(jìn)入第(3)段時期。這時b相電位最高，共陰極

6、組在經(jīng)過自然換相點時，觸發(fā)導(dǎo)通晶閘管KP3，電流即從a相換到b相，c相晶閘管KP2因電位仍然最低而繼續(xù)導(dǎo)通。此時變壓器bc兩相工作，在負(fù)載上的電壓為ud=ub-uc=ubc余相依此類推。2.帶電阻負(fù)載時的工作情況：(1)當(dāng)a60°時，ud波形均連續(xù)，對于電阻負(fù)載，id波形與ud波形形狀一樣，也連續(xù) 波形圖：a =0（圖3a）、a =30°（圖3b）、a =60°（圖3c） (2)當(dāng)a>60°時，ud波形每60°中有一段為零，ud波形不能出現(xiàn)負(fù)值 波形圖： a =90°（圖3d） (3)帶電阻負(fù)載時三相橋式全控整流電路a角的移相范

7、圍是120° 3.晶閘管及輸出整流電壓的情況如表1所示 ：表1時段IIIIIIIVVVI共陰級組中導(dǎo)通的晶閘管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共陰級組中導(dǎo)通的晶閘管VT6VT2VT2VT4VT4VT6整流輸出電壓ua-ub=uabua-uc=uacub-uc=ubcub-ua=ubauc-ua=ucauc-ub=ucb 圖3a =0º 圖3b =30º 圖3c =60º 圖4d =90º4. 三相橋式全控整流電路定量分析(1)當(dāng)整流輸出電壓連續(xù)時（即帶阻感負(fù)載時，或帶電阻負(fù)載a60°時）的平均值為： (2)帶電阻負(fù)載且a >

8、60°時，整流電壓平均值為：輸出電流平均值為 ：Id=Ud /R 三、仿真實驗仿真接線如圖5所示。 圖5參數(shù)設(shè)置：三相電源電壓設(shè)置為380V，頻率設(shè)為50Hz，相角相互相差120度。變換器橋設(shè)置相當(dāng)于六個晶閘管，只要有適當(dāng)?shù)挠|發(fā)信號，便可以使變換器在對應(yīng)的時刻導(dǎo)通。設(shè)置同步電壓的頻率跟脈沖寬度分別為50Hz和10%，“alpha_deg”是移相控制角信號輸入端，通過設(shè)置輸入信號給它的常數(shù)模塊參數(shù)便可以得到不同的觸發(fā)角a，從而產(chǎn)生給出間隔60 度的雙脈沖。選擇算法為ode23tb，stop time 設(shè)為0.1。1.電阻負(fù)載仿真 設(shè)置電路負(fù)載為純電阻性，R100。以下是分別在a=0 度

9、，30 度，60 度,90度時的仿真結(jié)果(見圖6-圖9)。2.阻感負(fù)載仿真 設(shè)置電路負(fù)載為阻感性，R100，L10H。以下是分別在a=0 度，30 度，60 度,90度時的仿真結(jié)果(見圖10-圖133.帶反電動勢阻感負(fù)載仿真 設(shè)置電路負(fù)載為阻感性，R100，L10H，反電動勢E25V。以下是分別在a=0 度，30 度，60 度,90度時的仿真結(jié)果(見圖14-圖16) 圖 6 圖7圖 8 圖9 由仿真圖結(jié)合理論分析可知，上述波型圖是正確的。理論與仿真兩相驗證。四、仿真結(jié)果分析通過心上的波型圖，我們可以得出以下結(jié)論：1. 對于純電阻性負(fù)載，當(dāng)觸發(fā)角小于等于90°時，Ud波形均為正值，直流

10、電流Id與Ud成正比，并且電阻為1歐姆，所以直流電流波形和直流電壓一樣。隨著觸發(fā)角增大，在電壓反向后管子即關(guān)斷，所以晶閘管的正向?qū)〞r間減少，對應(yīng)著輸出平均電壓逐漸減小，并且當(dāng)觸發(fā)角大于60°后Ud波形出現(xiàn)斷續(xù)。而隨著觸發(fā)角的持續(xù)增大，輸出電壓急劇減小，最后在120°時幾乎趨近于0。對于晶閘管來說，在整流工作狀態(tài)下其所承受的為反向阻斷電壓。移相范圍為0120。2. 對于阻感性的負(fù)載，當(dāng)觸發(fā)角小于60°時，整流輸出電壓波形與純阻性負(fù)載時基本相同，所不同的是，阻感性負(fù)載直流側(cè)電流由于有電感的濾波作用而不會發(fā)生急劇的變化，輸出波形較為平穩(wěn)。而當(dāng)觸發(fā)角大于等于60

11、6;小于90°時，由于電感的作用，延長了管子的導(dǎo)通時間，使Ud波形出現(xiàn)負(fù)值，而不會出現(xiàn)斷續(xù)，所以直流側(cè)輸出電壓會減小，但是由于正面積仍然大于負(fù)面積，這時直流平均電壓仍為正值。當(dāng)觸發(fā)角大于90°時，由于id太小，晶閘管無法再導(dǎo)通，輸出幾乎為0。工作在整流狀態(tài)，晶閘管所承受的電壓主要為反向阻斷電壓。移相范圍為090。電感能夠使電流輸出平穩(wěn)；在沒有續(xù)流二極管的情況下，晶閘管的導(dǎo)通時間得到延長，而當(dāng)加入續(xù)流二極管后，電流通過二極管續(xù)流，二極管續(xù)流功率損耗較小，這時輸出電流相對來說就較不加續(xù)流二極管時要小，而輸出電壓相對來說卻要大些。3. 對于反電動勢負(fù)載由于有反電勢的作用，直流側(cè)輸出電壓相對于之前，會在原來的基礎(chǔ)上減去一個反電勢輸出，所以平均輸出電壓減小25V，相對的輸出直流電流也在原來的基礎(chǔ)上減小。輸出電壓越接近25V，輸出電流也更接近于0。五、結(jié)語 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和負(fù)載特性的影響，通過應(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(jìn)行了詳