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1、学院 电气工程学院 班级 电气 班 学号 姓名 -装 -订-线-北京交通大学 2012 -2013学年 第二学期考试试题课程名称：计算机仿真技术 北京交通大学 电气 班 姓名：学号：题目：12脉波整流电路仿真三相桥式全控整流电路是应用广泛的整流电路，完整的三相桥式全控整流电路由整流变压器、晶闸管整流桥、负载、脉冲触发器和同步环节等组成。传统的6脉波全控整流电路交流侧存在较大的谐波电流。为了获得较好的谐波特性，可以采用多脉波整流电路，如下图中所示的典型12脉波全桥整流电路。电路基本参数：三相电网电压10kV；整流变压器变比10kV/380V 50Hz，副边两个绕组的相位相差30度；两组整流桥输出
2、正端各接5mH电感后并联；负载为阻感性负载，电阻R1欧姆，电感L50mH；仿真时间1s。1、 12脉波整流电路建模（10分）根据题目给出的主电路和基本参数，建立完整的12脉波整流电路的模型，即包括主电路、同步电路、触发脉冲电路、仿真结果测量及显示电路等，给出建模思路说明和主要元器件参数设置说明。解：在1000KW以上的大功率系统中，常采用双十三桥构成的十二相整流电路。对于晶闸管-直流电动机系统，为了克服电压或电流脉动对生产机械造成的损害，也常常采取增加整流电路的相数，而采用十二相整流电路。仿真电路图如下所示。电源选择线电压10kV，频率50Hz。三相变压器2绕组选择Y接，3绕组选择D1接。在这
3、里要注意，要和触发器的D1选择相同，不然会出现触发错误的现象。变压器的变比为10kV/380V/380V，为了忽略电感带来的换向重叠，使直流电压下降，所以将绕组的电感设为0。2、 12脉波整流电路开环仿真（15分）（1）要求输出的负载平均电压为300V，根据直流电压平均值与触发角的关系，估算触发角，给出估算依据和说明。（2）设置整流桥的触发角，进行仿真。给出两组整流桥A相下桥臂晶闸管触发脉冲、A相同步电压信号的波形，要求在同一示波器下显示。（3）采用POWERGUI模块（或其他模块）对三相电网中的电流、一个整流桥的三相电流进行分析，分别记录从0.5s开始的一个基波周期的电流波形及FFT分析图，
4、分析比较12脉波整流电路与6脉波整流电路的谐波电流及THD特性。解：（1）由于电源并联输出电压不变，所以输入电压与输出电压的关系可以用三相全控整流桥公式得出，即，所以，实际仿真中测试的角度为，当角度为时，输出电压平均值为300V，以下的仿真均是在角度为时的运行的。负载R上的电压波形如图所示。可以看出，负载R上的电压平直，为300V，并且基本无波动，说明副边的电流也基本为恒定，等效为直流源。12脉波整流电路的直流侧输出电压Ud（R+L的电压）如下图所示。输出电压波动范围为200V400V，约有200V的电压波动。直流侧输出电压的细节如下所示。输出电压平均值为300V。对比三相全控整流桥，三相全控
5、整流桥的直流侧输出波形如下所示。输出电压波动范围为50V490V，约有440V的电压波动。下图为三相全控整流电路输出电压的细节图。由图可以看出，带平衡电抗器的12脉相控整流电路的电压脉动明显小于三相全控整流电路，电压的谐波分量明显减小，适合带对电压质量要求高的负载。不接平衡电抗器时L时，同双反星形电路一样，两组桥不能同时向负载供电，而只能交替地向负载供电，不过交替的间隔是/6。接入平衡电抗器L后，当1组桥的瞬时电压高于2组桥的瞬时电压，并同时伴有整流电流输出时，会在平衡电抗器的两端产生感应电动势，其一半减小1组桥的电动势，另一半则增加2组桥的电动势，通过电抗器的平衡作用，同时维持两组桥都工作在
6、三相全控桥相控整流状态。当1组桥的瞬时线电压等于2组桥的瞬时线电压时，两组桥并联运行，此时在平衡电抗器上产生的感应电动势为零。之后当2组桥的瞬时线电压大于1组桥的瞬时线电压时，则平衡电抗器上产生的感应电动势极性相反，继续维持两桥正常导通。（2）从上到下依次为：绕组2的A相电压，绕组2的AB线电压，绕组2对应整流桥的A相下管触发信号，绕组3的AB线电压，绕组3对应整流桥的A相下管的触发信号。可以看出，D1接绕组比Y接绕组滞后了30度，同时对应的触发信号也比Y接的触发信号滞后了30度。（3）使用powergui进行FFT分析图，设置为离散模式，取样时间为0.00005s。下列仿真波形依次为： 带平
7、波电抗器的12脉波全控整流电路绕组2（副边Y接绕组）的a相电流 三相全控相控整流电路的交流侧A相电流 带平波电抗器的12脉波全控整流电路高压侧A相电流下图为绕组2的A相的电流波形。与三相全控的一相电流波形相似，只是在最高点有波动。 傅立叶频谱分析如下。最低次谐波为300Hz，是基波的6倍频。THD=31.42%。 三相全控相控整流电路的交流侧A相电流波形图如下所示。为阶梯波，在最点无抖动。傅立叶分析如下图所示。最低次谐波为300Hz，是基波的6倍频。THD=31.12%。其频谱和带平波电抗器的12脉波全控整流电路绕组2（副边Y接绕组）的a相电流相似，高频谐波下降的速率较慢，所占成分比较多，对电
8、路谐波干扰更大。 带平波电抗器的12脉波全控整流电路高压侧A相电流波形图如下所示。可以看出，A相电流波形已经和正弦波形基本类似，电流的纹波明显变小。傅立叶分析图如下所示。对A相电流进行分析：假设直流侧为大电感负载，电流恒定，则的傅立叶级数表达式为绕组a、b的相电流、为由于三项对称，绕组c相电流故 则 由于若一次绕组则一次测A相电流应为由此可得所以，带平衡电抗器的双三相桥式12脉波整流桥电路交流电源中只含有12K1次谐波电流，最低次谐波电流为11次，而三相桥6脉波整流电路交流电源中含有6K1次谐波电流，最低次谐波电流为5次。从图中也可以明显看出，最低次谐波出现在550Hz，THD=6.54%明显
9、变小，谐波的次数增大并且比重变小，变得更容易滤除，对设备的干扰更小。所以12脉波整流电路可以明显改善电流波形，提高了电流的质量。3、 12脉波整流电路闭环仿真（10分）采用电流闭环控制，使两组整流桥输出的电流都为100A。说明相关参数，分别给出两组整流桥的电流输出波形、交流侧输入电流波形、10kV电网电流波形。电流闭环控制框图如下图所示。解：闭环仿真电路图如下所示。不加PI控制前，假设两路的输出电流为100A时，总输出电流为200A，输出电压为200V，通过计算得出，控制角度为67度。则以67度为基准值进行仿真。则设计思路为：使指令电流信号为100A，与反馈叠加，通过PI控制器后，添加67度的
10、偏移量（即两组电路的基准值。如果不加基准值，运行仿真后，系统也可以自动找到平衡的触发角，也可以完成仿真波形，加入67度是初始给系统一个角度定位，使系统仿真速度更快，其余波形没有差别），完成控制环节。两个PI控制器参数相同，设置如下：Kp为0.7，Ki为10。运行仿真，负载R上通过的电流如图所示。可以看到电流在0.1s左右有超调尖峰，然后平滑下降，稳定在200A。两路输出电流（L1、L2上流过的电流）如图所示。电流在0.2s就达到稳定，在100A附近波动，波动范围是80A120A。下图为两路输出电流互补，叠加以后流过负载，可以看到，输出到负载上的电流维持在200A不变。输出电流的平均值如下所示，
11、两路电流的平均值均在100A左右，说明调节基本达到要求。下图为没有经过PI调节的通过L1、L2的电流，可以看到，电流在3s时仍然不稳定，L1路仍然有下降的趋势，L2路有上升的趋势。从两路的输出电流平均值可以看出，两路电流并不是100A和100A的关系，而是69.96A和130.4A的关系，两路所承担的电流值不想等，这会使绕组3上承担更多的电流负担，并且减少了绕组2利用率。下面对比有PI和无PI控制时的三项绕组原边和两个副边的相电流。下图为添加PI控制器的相电流波形。从上到下的电流依次为原边A相电流IA，绕组2a相流过的电流Ian_w2，绕组3a端输出电流Ian_w3。下图为三个相电流的细节图。
12、可以看出，绕组2a相流过的电流Ian_w2和绕组3a端输出电流Ian_w3的波形基本相同，幅值一致，两绕组承担的电流负担相同。下图为没有添加PI控制器的相电流波形。从上到下的电流依次为原边A相电流IA，绕组2a相流过的电流Ian_w2，绕组3a端输出电流Ian_w3。可以看出，绕组2和绕组3的电流波形在3s还未稳定，绕组2相电流有减小趋势，绕组3电流有增大趋势。从细节图可以看出绕组2和绕组3的相电流的幅值相差很多，峰值绕组2为90A，绕组3为140A。通过相电流波形也可以看出，绕组2和绕组3的电流负担不同，一个承担了过多的负担，一个利用率不足。对控制角度进行跟踪，可以看到触发角度，并不是稳定不
13、动，而是不断在变化。这说明角度随着输出的变化，也在调节中，才使得两路的输出电流各保持在100A。可以看到，触发角也基本互补变化，变化角度在65度95度。角度的平均值都为79度左右。 不用PI控制直接将角度设为79度，直流侧L1、L2输出波形如下。电流已经非常不平均。L1支路（即绕组2电流）基本上承担了所有的电流量，L2支路基本没有电流流过。 由以上仿真结果可以看出，加入PI控制后，可以实现对触发角的动态控制，从而控制了直流侧两路电流的平均值，使电流更均匀，保证了两绕组的利用率。4、 总结与体会（5分）总结仿真中遇到的问题，以及对本门课程的心得体会等。答：我认为计算机仿真是一门非常实用的课程，我
14、们学习计算机仿真的同时，正好也同时在学习电力电力课程，最直接的收益就是，做完了计算机仿真，对电力电子技术的理解就加深了，理解起来也更加容易了。计算机仿真最重要的事情，就是一定要亲自动手去做。这些仿真模型的建立、参数的设定、波形的分析能力，都是需要亲自去搭建、去设置、去计算才能学会的，平时不努力，只靠拷贝别人的仿真结果，是不可能学会、学好学一门课程的，最重要的学不会这样一个实用的、对以后都有帮助的仿真技术。仿真的过程中，总是遇到各种各样的问题。就拿大作业来说，刚开始仿真显示的平均值总是不对，和理论计算的结果总是有很大差距，我抱着电力电子课本研究了一下午，也找不出来问题。最后终于发现，是平均值的模块In mean选择错误，应该选择Discrete离散模块。使用离散模型后，结果就准确的显示了出来。有时候遇到问题，而老师不在身边，我也会利用百度等工具，更加深入的了解simulink的一些仿真功能，完成所需的仿真。最后感谢老师对我们耐心的指导，除了上课之外，在周三
