基于Matlab-Simulink的三相橋式全控整流電路的建模與仿真

1、南湖學(xué)院電力電子技術(shù) 題 目： 基于Matlab/Simulink的三相橋式全控整流電路的建模與仿真 系 部： 南湖學(xué)院機電系 專 業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化 班 級： N機自四班07-4F 姓 名： 學(xué) 號： 序 號： 29 2010年6月 25日基于Matlab/Simulink的三相橋式全控整流電路的建模與仿真 摘要 本文在對三相橋式全控整流電路理論分析的基礎(chǔ)上，建立了基于Simulink的三相橋式全控整流電路的仿真模型，并對其帶電阻負(fù)載時的工作情況進行了仿真分析與研究。通過仿真分析也驗證了本文所建模型的正確性。關(guān)鍵詞 Simulink建模 仿真 三相橋式全控整流 對于三相對稱電源系統(tǒng)

2、而言，單相可控整流電路為不對稱負(fù)載，可影響電源三相負(fù)載的平衡性和系統(tǒng)的對稱性。故在負(fù)載容量較大的場合，通常采用三相或多相整流電路。三相或多相電源可控整流電路是三相電源系統(tǒng)的對稱負(fù)載，輸出整流電壓的脈動小、控制響應(yīng)快，因此被廣泛應(yīng)用于眾多工業(yè)場合。本文在Simulink仿真環(huán)境下，運用PowerSystemBlockset的各種元件模型建立三相橋式全控整流電路的仿真模型，并對其進行仿真研究。1. 三相橋式全控整流電路的工作原理三相橋式全控整流原理電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。三相橋式全控整流電路是應(yīng)用最廣泛的整流電路，完整的三相橋式整流電路由整流變壓器、6個橋式連接的晶閘管、負(fù)載、觸發(fā)器和同步環(huán)節(jié)組成（見

3、圖1-1）。6個晶閘管以次相隔60度觸發(fā)，將電源交流電整流為直流電。三相橋式整流電路必須采用雙脈沖觸發(fā)或?qū)捗}沖觸發(fā)方式，以保證在每一瞬時都有兩個晶閘管同時導(dǎo)通（上橋臂和下橋臂各一個）。整流變壓器采用三角形/星形聯(lián)結(jié)是為了減少3的整倍次諧波電流對電源的影響。元件的有序控制，即共陰極組中與a、b、c三相電源相接的三個晶閘管分別為VT1、VT3、VT5，共陽極組中與a、b、c三相電源相接的三個晶閘管分別為 VT、VT。它們可構(gòu)成電源系統(tǒng)對負(fù)載供電的6條整流回路，各整流回路的交流電源電壓為兩元件所在的相間的線電壓。 圖1-1 三相橋式全控整流原理電路2. 基于Simulink三相橋式全控整流電路的建模

4、 三相橋式全控整流電路在Simulink環(huán)境下，運用PowerSystemBlockset的各種元件模型建立了三相橋式全控整流電路的仿真模型，仿真結(jié)構(gòu)如圖2-1所示： 圖2-1 三相橋式全控整流電路的仿真模型 在模型的整流變壓器和整流橋之間接入一個三相電壓-電流測量單元V-I是為了觀測方便。整流器的輸出電壓和電流是通過多路測量器測量負(fù)載的電壓和電流來實現(xiàn)的，當(dāng)然也可以用電壓和電流測量單元直接檢測整流器輸出單位和電流。在整流器工作中保證觸發(fā)脈沖與主電路同步很重要，仿真使用的6脈沖發(fā)生器是在同步電壓過零時作為控制角a=0的位置，因此在整流變壓器采用/Y-11聯(lián)結(jié)時，同步變壓器也可以采用/Y-11聯(lián)

5、結(jié)，同步信號的連接如圖2-1所示。在同步信號關(guān)系難以確定時，可以發(fā)揮仿真的特點，將三相同步信號以不同的順序連接到6脈沖發(fā)生器的AB、BC、CA3個同步輸入端，然后運行該模型，觀察整流器輸出電壓波形，如果電壓波形在一周期中6個波頭連續(xù)規(guī)則，則該整流器的同步是正確的。負(fù)載和控制角可以按需要設(shè)定。3. 設(shè)置模型參數(shù)三相橋式全控整流電路，電源相電壓為220V，整流器輸出電壓為100V（相電壓），觀察整流器在不同負(fù)載，不同觸發(fā)角時整流器輸出電壓、電流波形，測量其平均值。1、電阻負(fù)載（R的值為5歐姆、a=30）（1）設(shè)置模型參數(shù)如下：1）電源參數(shù)設(shè)置：三相電源的電壓峰值380V，頻率為50HZ，相位分別為

6、0、-120、-240.2）整流器變壓器參數(shù)設(shè)置：一次繞組聯(lián)結(jié)（wingding 1 connection）選擇Delta(D11),線電壓為380V；二次繞組聯(lián)結(jié)（wingding 2 connection）選擇Y，線電壓為173v，在要求不高時變壓器容量、互感等其他參數(shù)可以保持默認(rèn)值不變。3）同步變壓器參數(shù)設(shè)置：一次繞組聯(lián)結(jié)（wingding 1 connection）選擇Delta(D11),線電壓為380V；二次繞組聯(lián)結(jié)（wingding 2 connection）選擇Y，線電壓為15v，其他參數(shù)可以保持默認(rèn)值不變。4）三相晶閘管整流器參數(shù)設(shè)置：使用默認(rèn)值。5）RLC負(fù)載參數(shù)設(shè)置：R的

7、值為5歐姆，C的值為inf。6）6脈沖發(fā)生器設(shè)置：頻率為50HZ，脈沖寬度取1，選擇雙脈沖觸發(fā)方式。7）觸發(fā)角設(shè)置：給定alph設(shè)置為30.4. 仿真并觀察結(jié)果 設(shè)置的仿真參數(shù)如下：仿真時間為0.06S，數(shù)值算法采用ode15。仿真參數(shù)設(shè)置完成后即可啟動仿真，得到的仿真的如圖4-14-6圖所示。 圖4-1 整流器輸入的三相線電壓波形 圖4-2 整流器輸出的電壓波形以及電阻負(fù)載時整流器輸出的電流波形 圖4-3整流器輸出電壓平均值分析觀察到的結(jié)果：將圖4-1所示的三相電壓波形與4-2所示的整流電壓（圖上部）和電流波形（圖下部）相比較，整流后的電壓是直流，而且波形與三相輸入電壓波形相對應(yīng)。整流電壓平

8、均值（見圖4-3）與計算值Ud=2.34*100cos30V=202.6V相符。因為是電阻負(fù)載，整流后的電壓和電流波形相同，但Y軸坐標(biāo)不同。圖4-4到圖4-6所示分別為整流器交流側(cè)的電流波形。改變控制角可以觀察在不同控制角下整流器的工作情況。1. 電阻電感負(fù)載（R的值為5歐姆、L的值為0.01h、a=60）在圖2-1中修改負(fù)載RLC參數(shù)，R的值為5歐姆，L的值為0.01H，C的值為inf，同時將觸發(fā)角設(shè)置為60.為了觀察整流器輸入電流和輸出電壓的諧波，在仿真模型中增加了傅立葉（Fourier）分析模塊，修改后的仿真模型如圖4-7所示。 圖4-7 三相橋式整流電路電阻電感負(fù)載（a=60） 在仿真

9、參數(shù)中設(shè)置仿真時間為0.16S，重新啟動仿真，即可得到阻感負(fù)載時整流器輸出電壓和電流，如圖4-8a、4-8b、4-8c所示： 圖4-8a a=60時整流器輸出電壓 圖4-8b 整流器輸出平均電壓 圖4-8c 整流器輸出電流 分析觀察到的結(jié)果：由于電感是儲能元件，電感中電流（見圖4-8c）有以上升的過程，在啟動仿真0.01s以后電流進入穩(wěn)定狀態(tài)，電流的脈動很少。5. 結(jié)論本文在對三相橋式全控整流電路理論分析的基礎(chǔ)上，利用MATLAB面向?qū)ο蟮脑O(shè)計思想和電氣元件的仿真系統(tǒng)，建立了基于Simulink的三相橋式全控整流電路的仿真模型，并對其進行了仿真研究。在對三相橋式全控整流電路帶電阻負(fù)載時的工作情

10、況進行仿真分析的基礎(chǔ)上，驗證了當(dāng)觸發(fā)角為30度時 ，負(fù)載電流是連續(xù)的；當(dāng)觸發(fā)角為60度時時，負(fù)載電流不連續(xù)。這與當(dāng)觸發(fā)角0<a<60時 ，負(fù)載電流是連續(xù)；當(dāng)觸發(fā)角大于等于60度時 ，負(fù)載電流是不連續(xù)相符。通過仿真分析也驗證了本文所建模型的正確性。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，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MatlabSimulink對三相橋式全控整流電路進行仿真分析，避免

11、了常規(guī)分析方法中繁瑣的繪圖和計算過程，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。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。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，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行。Matlab提供的可視化仿真工具Simtlink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