三相全控橋式整流電路Matlab仿真

1、引言11三相橋式全控整流電路工作原理21.1三相橋式全控整流電路特性分析21.2帶電阻負(fù)載時(shí)的工作情況31.3晶閘管及輸出整流電壓的情況51.4 三相橋式全控整流電路定量分析62仿真實(shí)驗(yàn)62.1電阻負(fù)載仿真72.2阻感負(fù)載仿真92.3帶反電動(dòng)勢(shì)阻感負(fù)載仿真113仿真結(jié)果分析124小結(jié)135參考文獻(xiàn)14引言隨著社會(huì)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，整流電路在自動(dòng)控制系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)勵(lì)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(dòng)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

2、發(fā)展而來(lái)的。由一組共陰極的三相半波可控整流電路和一組共陽(yáng)極接法的晶閘管串聯(lián)而成。六個(gè)晶閘管分別由按一定規(guī)律的脈沖觸發(fā)導(dǎo)通，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)三相交流電的整流，當(dāng)改變晶閘管的觸發(fā)角時(shí)，相應(yīng)的輸出電壓平均值也會(huì)改變，從而得到不同的輸出。由于整流電路涉及到交流信號(hào)、直流信號(hào)以及觸發(fā)信號(hào)，同時(shí)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(shí)驗(yàn)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(duì)三相橋式全控整流電路進(jìn)行建模，對(duì)不同控制角

3、、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(shí)也為現(xiàn)代電力電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)奠定良好的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。1三相橋式全控整流電路工作原理1.1三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(duì)共陰極組和共陽(yáng)極組是同時(shí)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(shí)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(gè)晶閘管觸發(fā)的順序是1-2-3-4-5-6，晶閘

4、管是這樣編號(hào)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(yáng)極組。 為了搞清楚變化時(shí)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(gè)特殊控制角，先分析=0的情況，也就是在自然換相點(diǎn)觸發(fā)換相時(shí)的情況。為了分析方便起見(jiàn)，把一個(gè)周期等分6段（見(jiàn)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(yáng)極組的晶閘管KP6被觸發(fā)導(dǎo)通。這時(shí)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(yáng)極組的

5、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(guò)60°后進(jìn)入第(2)段時(shí)期。這時(shí)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(guò)自然換相點(diǎn)時(shí)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(shí)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(shí)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(guò)60°，進(jìn)入第(3)段時(shí)期。這時(shí)b相電位最高，共陰極組在經(jīng)過(guò)自然換相點(diǎn)時(shí)，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(shí)變壓器bc兩

6、相工作，在負(fù)載上的電壓為ud=ub-uc=ubc余相依此類推。1.2帶電阻負(fù)載時(shí)的工作情況(1)當(dāng)a60°時(shí)，ud波形均連續(xù)，對(duì)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） 圖3a =0º圖3b =30º圖3c =60º(2)當(dāng)a>60°時(shí)，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4） 圖4 =90º(3)帶電阻負(fù)載時(shí)三相橋式全控整流電路a角的移相范圍是120° 1

7、.3晶閘管及輸出整流電壓的情況表1時(shí)段IIIIIIIVVVI共陰級(jí)組中導(dǎo)通的晶閘管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共陰級(jí)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=ucb1.4 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(shí)（即帶阻感負(fù)載時(shí)，或帶電阻負(fù)載a60°時(shí)）的平均值為： (2)帶電阻負(fù)載且a >60°時(shí)，整流電壓平均值為：輸出電流平均值為 ：Id=Ud /R 2仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置：三相橋式全控整流電路，電源相電壓為220V，整流器

8、輸出電壓為100V（相電壓），觀察整流器在不同負(fù)載，不同觸發(fā)角時(shí)整流器輸出電壓、電流波形。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(gè)晶閘管，只要有適當(dāng)?shù)挠|發(fā)信號(hào)，便可以使變換器在對(duì)應(yīng)的時(shí)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(hào)輸入端，通過(guò)設(shè)置輸入信號(hào)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。仿真接線如圖5所示。 圖52.1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，30

9、 度，60 度,90度時(shí)的仿真結(jié)果a=0° a=30°a=60° a=90°2.2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(shí)的仿真結(jié)果 a=0° a=30°a=60° a=90°2.3帶反電動(dòng)勢(shì)阻感負(fù)載仿真設(shè)置電路負(fù)載為阻感性，R100，L10H，反電動(dòng)勢(shì)E25V。以下是分別在a=0 度，30 度，60 度,90度時(shí)的仿真結(jié)果 a=0° a=30°a=60° a=90°3仿真結(jié)果分析由仿真圖結(jié)合理論分析可知，上

10、述波型圖是正確的。理論與仿真兩相驗(yàn)證。通過(guò)以上的波型圖，我們可以得出以下結(jié)論：1. 對(duì)于純電阻性負(fù)載，當(dāng)觸發(fā)角小于等于90°時(shí)，Ud波形均為正值，直流電流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(shí)間減少，對(duì)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(shí)幾乎趨近于0。對(duì)于晶閘管來(lái)說(shuō)，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(duì)于阻感性的負(fù)載，當(dāng)觸發(fā)角小于60°時(shí)，整

11、流輸出電壓波形與純阻性負(fù)載時(shí)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(huì)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°小于90°時(shí)，由于電感的作用，延長(zhǎng)了管子的導(dǎo)通時(shí)間，使Ud波形出現(xiàn)負(fù)值，而不會(huì)出現(xiàn)斷續(xù)，所以直流側(cè)輸出電壓會(huì)減小，但是由于正面積仍然大于負(fù)面積，這時(shí)直流平均電壓仍為正值。當(dāng)觸發(fā)角大于90°時(shí)，由于id太小，晶閘管無(wú)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(méi)有續(xù)流二極管的情況下，晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間得到延長(zhǎng)，而當(dāng)加入續(xù)流二極管后，電流通過(guò)

12、二極管續(xù)流，二極管續(xù)流功率損耗較小，這時(shí)輸出電流相對(duì)來(lái)說(shuō)就較不加續(xù)流二極管時(shí)要小，而輸出電壓相對(duì)來(lái)說(shuō)卻要大些。3. 對(duì)于反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載由于有反電勢(shì)的作用，直流側(cè)輸出電壓相對(duì)于之前，會(huì)在原來(lái)的基礎(chǔ)上減去一個(gè)反電勢(shì)輸出，所以平均輸出電壓減小25V，相對(duì)的輸出直流電流也在原來(lái)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。4小結(jié) 通過(guò)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(guò)應(yīng)用Matlab的可視化仿真工具Simulink對(duì)三相橋式全控整流電路的仿真結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)分析，并與常規(guī)電路理論分析方法所得到的輸出電壓波形進(jìn)行比較，進(jìn)一步驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性。采用M

13、atlabSimulink對(duì)三相橋式全控整流電路進(jìn)行仿真分析，避免了常規(guī)分析方法中繁瑣的繪圖和計(jì)算過(guò)程，得到了一種直觀、快捷分析整流電路的新方法。應(yīng)用MatlabSimulink進(jìn)行仿真，在仿真過(guò)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。5參考文獻(xiàn)1 王兆安, 黃俊.電力電子技術(shù).機(jī)械工業(yè)出版社（第四版），20042 侯云海,薛鵬,王輝,盧秀和. 新式電感型非線性阻抗變換整流電路. 通信電源技術(shù), 2004年6月25日第21卷第3期3 劉跟平、湯永德、王國(guó)君、侯云海. 基于電感非線性阻抗變換的一種新型高效整流電路.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）, 2008年7月第28期增刊 4 路秋生. 功率因數(shù)校正技術(shù)與應(yīng)用.機(jī)械工業(yè)出版社，2006.25 孫屹 吳磊.Simulink通信仿真開(kāi)發(fā)手冊(cè).國(guó)防工業(yè)出版社，2004本科生課程設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)定表