三相全控桥式整流电路Matlab仿真

引言................................................................................................................................11三相桥式全控整流电路工作原理.............................................................................21.1三相桥式全控整流电路特性分析...................................................................21.2带电阻负载时的工作情况...............................................................................31.3晶闸管及输出整流电压的情况.......................................................................51.4三相桥式全控整流电路定量分析..................................................................62仿真实验.....................................................................................................................62.1电阻负载仿真...................................................................................................72.2阻感负载仿真...................................................................................................92.3带反电动势阻感负载仿真.............................................................................103仿真结果分析...........................................................................................................124小结...........................................................................................................................135参考文献...................................................................................................................14引言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。1三相桥式全控整流电路工作原理1.1三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α。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，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α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α=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，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、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。1.2带电阻负载时的工作情况(1)当a≤60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）图3aα=0º图3bα=30º图3cα=60º(2)当a60时，ud波形每60中有一段为零，ud波形不能出现负值波形图：a=90（图4）图4α=90º(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1.3晶闸管及输出整流电压的情况表1时段IIIIIIIVVVI共阴级组中导通的晶闸管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共阴级组中导通的晶闸管VT6VT2VT2VT4VT4VT6整流输出电压ua-ub=uabua-uc=uacub-uc=ubcub-ua=ubauc-ua=ucauc-ub=ucb1.4三相桥式全控整流电路定量分析(1)当整流输出电压连续时（即带阻感负载时，或带电阻负载a≤60时）的平均值为：cos34.2)(sin63123232dUttdUU(2)带电阻负载且a60时，整流电压平均值为：)3cos(134.2)(sin63232dUttdUU输出电流平均值为：Id=Ud/R2仿真实验参数设置：三相桥式全控整流电路，电源相电压为220V，整流器输出电压为100V（相电压），观察整流器在不同负载，不同触发角时整流器输出电压、电流波形。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，stoptime设为0.1。仿真接线如图5所示。图52.1电阻负载仿真设置电路负载为纯电阻性，R＝100Ω。以下是分别在a=0度，30度，60度,90度时的仿真结果a=0°a=30°a=60°a=90°2.2阻感负载仿真设置电路负载为阻感性，R＝100Ω，L＝10H。以下是分别在a=0度，30度，60度,90度时的仿真结果a=0°a=30°a=60°a=90°2.3带反电动势阻感负载仿真设置电路负载为阻感性，R＝100Ω，L＝10H，反电动势E＝25V。以下是分别在a=0度，30度，60度,90度时的仿真结果a=0°a=30°a=60°a=90°3仿真结果分析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。通过以上的波型图，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。移相范围为0~120。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0~90。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。4小结通过仿真和分析，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Matlab／Simu—link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Matlab／Simu—link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。5参考文献[1]王兆安,黄俊.电力电子技术.机械工业出版社（第四版），2004[2]侯云海,薛鹏,王辉,卢秀和.新式电感型非线性阻抗变换整流电路.通信电源技术,2004年6月25日第21卷第3期[3]刘跟平、汤永德、王国君、侯云海.基于电感非线性阻抗变换的一种新型高效整流电路.长春工业大学学报（自然科学版）,20