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1、用 simulink 对三相桥式全控整流电路进行仿真研究姓名：刘佰兰 学校：中山大学 学号：09382014 专业：自动化摘要：三相桥式全控整流电路在现代电力电子技术中具有很重要的作用和很广泛的应用。这里结合全控整流电路理论基础，采用 Matlab 的仿真工具 Simulink 对三相桥式全控整流电路的进行仿真，对输出参数进行仿真及验证，进一步了解三相桥式全控整流电路的工作原理。关键词：simulink 三相桥式全控整流 仿真一、研究背景随着社会生产和科学技术的发展，整流电路在自动控制系统、测量系统和发电机励磁系统等领域的应用日益广泛。常用的三相整流电路有三相桥式不可控整流电路、三相桥式半控整
2、流电路和三相桥式全控整流电路。三相全控整流电路的整流负载容量较大,输出直流电压脉动较小,是目前应用最为广泛的整流电路。它是由半波整流电路发展而来的。由一组共阴极的三相半波可控整流电路和一组共阳极接法的晶闸管串联而成。六个晶闸管分别由按一定规律的脉冲触发导通，来实现对三相交流电的整流，当改变晶闸管的触发角时，相应的输出电压平均值也会改变，从而得到不同的输出。由于整流电路涉及到交流信号、直流信号以及触发信号，同时包含晶闸管、电容、电感、电阻等多种元件，采用常规电路分析方法显得相当繁琐，高压情况下实验也难顺利进行。Matlab 提供的可视化仿真工具Simulink 可直接建立电路仿真模型，随意改变仿
3、真参数，并且立即可得到任意的仿真结果，直观性强，进一步省去了编程的步骤。本文利用 Simulink 对三相桥式全控整流电路进行建模，对不同控制角、桥故障情况下进行了仿真分析，既进一步加深了三相桥式全控整流电路的理论，同时也为现代电力电子实验教学奠定良好的实验基础。二、三相桥式全控整流电路工作原理1.三相桥式全控整流电路特性分析图 1 是电路接线图。三相桥式全控整流电路图是应用最为广泛的整流电路，其电路图如下：图 1在三相桥式全控整流电路中，对共阴极组和共阳极组是同时进行控制的，控制角都是。由于三相桥式整流电路是两组三相半波电路的串联，因此整流电压为三相半波时的两倍。很显然在输出电压相同的情况下
4、，三相桥式晶闸管要求的最大反向电压，可比三相半波线路中的晶闸管低一半。 为了分析方便，使三相全控桥的六个晶闸管触发的顺序是 1-2-3-4-5-6，晶闸管是这样编号的：晶闸管 KP1 和 KP4 接 a 相，晶闸管 KP3 和 KP6 接 b 相，晶管 KP5 和 KP2 接 c 相。晶闸管 KP1、KP3、KP5 组成共阴极组，而晶闸管 KP2、KP4、KP6 组成共阳极组。 为了搞清楚 变化时各晶闸管的导通规律，分析输出波形的变化规则，下面研究几个特殊控制角，先分析 =0 的情况，也就是在自然换相点触发换相时的情况。为了分析方便起见，把一个周期等分 6 段（见图 2） 。在第（1）段期间，
5、a 相电压最高，而共阴极组的晶闸管 KP1 被触发导通，b 相电位最低，所以供阳极组的晶闸管 KP6 被触发导通。这时电流由 a 相经 KP1 流向负载，再经 KP6 流入 b 相。变压器a、b 两相工作，共阴极组的 a 相电流为正，共阳极组的 b 相电流为负。加在负载上的整流电压为ud=ua-ub=uab经过 60后进入第(2)段时期。这时 a 相电位仍然最高，晶闸管 KPl 继续导通，但是 c 相电位却变成最低，当经过自然换相点时触发 c 相晶闸管 KP2，电流即从 b 相换到 c 相，KP6 承受反向电压而关断。这时电流由 a 相流出经KPl、负载、KP2 流回电源 c 相。变压器 a、
6、c 两相工作。这时 a 相电流为正，c 相电流为负。在负载上的电压为ud=ua-uc=uac再经过 60，进入第(3)段时期。这时 b 相电位最高，共阴极组在经过自然换相点时，触发导通晶闸管 KP3，电流即从 a 相换到 b 相，c 相晶闸管 KP2 因电位仍然最低而继续导通。此时变压器 bc 两相工作，在负载上的电压为ud=ub-uc=ubc余相依此类推。2.带电阻负载时的工作情况：(1)当 a60时， ud 波形均连续，对于电阻负载， id 波形与 ud 波形形状一样，也连续波形图：a =0（图 3a） 、a =30 （图 3b） 、a =60（图 3c） (2)当 a60时，ud 波形每
7、 60中有一段为零，ud 波形不能出现负值波形图： a =90（图 3d） (3)带电阻负载时三相桥式全控整流电路 a 角的移相范围是 120 3.晶闸管及输出整流电压的情况如表 1 所示 ：表 1时段 I II III IV V VI共阴级组中导通的晶闸管 VT1 VT1 VT3 VT3 VT5 VT5共阴级组中导通的晶闸管 VT6 VT2 VT2 VT4 VT4 VT6整流输出电压 ua-ub=uab ua-uc=uac ub-uc=ubc ub-ua=uba uc-ua=uca uc-ub=ucb图 3a =0 图 3b =30图 3c =60图 4d =904. 三相桥式全控整流电路定
8、量分析(1)当整流输出电压连续时（即带阻感负载时，或带电阻负载 a60时）的平均值为： cos34.2)(sin631 2322d UttdUU(2)带电阻负载且 a 60时，整流电压平均值为： )3cos(134.2)(sin6232d td输出电流平均值为 ：Id=Ud /R 三、仿真实验仿真接线如图 5 所示。图 5参数设置：三相电源电压设置为 380V，频率设为 50Hz，相角相互相差 120 度。变换器桥设置相当于六个晶闸管，只要有适当的触发信号，便可以使变换器在对应的时刻导通。设置同步电压的频率跟脉冲宽度分别为 50Hz 和 10%，“alpha_deg”是移相控制角信号输入端，通
9、过设置输入信号给它的常数模块参数便可以得到不同的触发角 a，从而产生给出间隔 60 度的双脉冲。选择算法为ode23tb，stop time 设为0.1。1.电阻负载仿真设置电路负载为纯电阻性，R100。以下是分别在 a=0 度，30 度，60 度,90 度时的仿真结果(见图 6-图 9)。2.阻感负载仿真设置电路负载为阻感性，R100，L10H。以下是分别在 a=0 度，30 度，60 度,90 度时的仿真结果(见图 10-图 133.带反电动势阻感负载仿真设置电路负载为阻感性，R100，L10H，反电动势E25V。以下是分别在 a=0 度，30 度，60 度,90 度时的仿真结果(见图 1
10、4-图 16) 图 6 图 7图 8 图 9 由仿真图结合理论分析可知，上述波型图是正确的。理论与仿真两相验证。四、仿真结果分析通过心上的波型图，我们可以得出以下结论：1. 对于纯电阻性负载，当触发角小于等于 90时，Ud 波形均为正值，直流电流 Id 与Ud 成正比，并且电阻为 1 欧姆，所以直流电流波形和直流电压一样。随着触发角增大，在电压反向后管子即关断，所以晶闸管的正向导通时间减少，对应着输出平均电压逐渐减小，并且当触发角大于 60后 Ud 波形出现断续。而随着触发角的持续增大，输出电压急剧减小，最后在 120时几乎趋近于 0。对于晶闸管来说，在整流工作状态下其所承受的为反向阻断电压。
11、移相范围为 0120。2. 对于阻感性的负载，当触发角小于 60时，整流输出电压波形与纯阻性负载时基本相同，所不同的是，阻感性负载直流侧电流由于有电感的滤波作用而不会发生急剧的变化，输出波形较为平稳。而当触发角大于等于 60小于 90时，由于电感的作用，延长了管子的导通时间，使 Ud 波形出现负值，而不会出现断续，所以直流侧输出电压会减小，但是由于正面积仍然大于负面积，这时直流平均电压仍为正值。当触发角大于 90时，由于 id太小，晶闸管无法再导通，输出几乎为 0。工作在整流状态，晶闸管所承受的电压主要为反向阻断电压。移相范围为 090。电感能够使电流输出平稳；在没有续流二极管的情况下，晶闸管
12、的导通时间得到延长，而当加入续流二极管后，电流通过二极管续流，二极管续流功率损耗较小，这时输出电流相对来说就较不加续流二极管时要小，而输出电压相对来说却要大些。3. 对于反电动势负载由于有反电势的作用，直流侧输出电压相对于之前，会在原来的基础上减去一个反电势输出，所以平均输出电压减小 25V，相对的输出直流电流也在原来的基础上减小。输出电压越接近 25V，输出电流也更接近于 0。五、结语通过仿真和分析，可知三相桥式全控整流电路的输出电压受控制角和负载特性的影响，通过应用 Matlab 的可视化仿真工具 Simulink 对三相桥式全控整流电路的仿真结果进行了详细分析，并与常规电路理论分析方法所得到的输出电压波形进行比较，进一步验证了仿真结果的正确性。采用 MatlabSimulink 对三相桥式全控整流电路进行仿真分析，避免了常规分析方法中繁琐的绘图和计算过程，得到了一种直观、快捷分析整流电路的新方法。应用 MatlabSimulink 进行仿真，在仿真过程中可以灵活改变仿真参数，并且能直观地观察到仿真结果随参数的变化情况。
