三相桥式全控整流及逆变电路matlab仿真

1/14电力电子技术课程设计系别：自动化系专业：自动化班级：1120393小组成员：费学智（25）薛阳（43）指导老师：周敏日期：2013年12月13日目录简要背景概述………………………………………………………32.工作原理介绍…………………………………33.主电路设计………………………………………44.simulink仿真系统设计………………………………………………55.仿真结果分析………………………………………………………76.总结（收获与体会）…………………………………………………177参考文献……………………………………………………………172/14一简要背景概述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。三相桥式全控整流电路以及三相桥式全控逆变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以及全控逆变电路理论基础，采用Matlab的仿真工具Simulink对三相桥式全控整流电路和三相桥式全控逆变电路进行仿真，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和三相桥式全控逆变电路的工作原理。二工作原理介绍一般变压器一次侧接成三角型，二次侧接成星型，晶闸管分共阴极和共阳极。一般1、3、5为共阴极，2、4、6为共阳极。（1）2管同时通形成供电回路，其中共阴极组和共阳极组各1，且不能为同1相器件。（2）对触发脉冲的要求：1)按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，相位依次差60°。2)共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差120°，共阳极组VT4、VT6、VT2也依次差120°。3)同一相的上下两个桥臂，即VT1与VT4，VT3与VT6，VT5与VT2，脉冲相差180°。（3）Ud一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样，故该电路为6脉波整流电路。（4）需保证同时导通的2个晶闸管均有脉冲，可采用两种方法：一种是宽脉冲触发一种是双脉冲触发（常用）（5）晶闸管承受的电压波形与三相半波时相同，晶闸管承受最大正、反向电压的关系也相同。三相桥式全控整流电路实质上是三相半波共阴极组与共阳极组整流电路的串联。在任何时刻都必须有两个晶闸管导通才能形成导电回路，其中一个晶闸管是共阴极组的，另一个晶闸管是共阳组的。6个晶闸管导通的顺序是按VT6–VT1→VT1–VT2→VT2–VT3→VT3–VT4→VT4–VT5→VT5–VT6依此循环，每隔60°有一个晶闸管换相。为了保证在任何时刻都必须有两个晶闸管导通，采用了双脉冲触发电路，在一个周期内对每个晶闸管连续触发两次，两次脉冲前沿的间隔为60°。三相桥式全控整流电路用作有源逆变时，就成为三相桥式逆变电路。由整流状态转换到逆变状态必须同时具备两个条件：一定要有直流电动势源，其极性须和晶闸管的导通方向一致，其值应稍大于变流器直流侧的平均电压；其次要求晶闸管的a＞90°，使Ud为负值。所谓逆变，就是要求把负载（电机）吸收的直流电能转变为交流电能反馈回电网。3/14三相桥式有源逆变电路实质上是三相桥式可控整流电路工作的一个特定状态，三相桥式逆变。要使整流电路工作于逆变状态，必须有两个条件：(1)变流器的输出Ud能够改变极性。因为晶闸管的单向导电性，电流Id不能改变方向，为了实现有源逆变，必须去改变Ud的电极性。只要使变流器的控制角α90°即可。(2)必须要有外接的直流电源E，并且直流电源E也要可以改变极性，并且|E||Ud|。上述条件必须同时满足，才能实现有源逆变。三相桥式全控整流电路用作有源逆变时，就成为三相桥式逆变电路。由整流状态转换到逆变状态必须同时具备两个条件：一定要有直流电动势源，其极性须和晶闸管的导通方向一致，其值应稍大于变流器直流侧的平均电压；其次要求晶闸管的a＞90°，使Ud为负值三、主电路设计（1）主电路原理图设计。图1三相全控桥整流电路原理图4/14图2三相全控桥有源逆变电路图（2）主电路计算及元器件参数选型在整流电路中，分别观察触发角α为0度、30度、60度的波形图。在逆变电路中，分别观察触发角α为90度、120度的波形图。四、Simulink仿真系统设计（1）电路模型的建立5/14图3三相全控桥整流电路系统模型图4三相全控桥式逆变电路系统模型6/14（2）各元器件的介绍图三整流电路中的元器件和图四逆变电路中的元器件基本相同，不同在于整流电路中使用的是电阻负载或阻感负载，而逆变电路中在交流侧接入了外接电源。其余基本相同。（3）模型参数的设置整流电路中模块参数设置：三个交流电压源的峰值设置、频率设置、相位设置、阻感设置、脉冲设置等如图。图57/14图图78/14图8（4）仿真参数设置：将开始时间设置为“0”，终止时间设置为“0.05”，算法设置为“ode23tb”。图9（5）完成以上步骤后开始仿真，分别设置触发角为0度、30度、60度，观察并记录波形图。9/14图10逆变电路中模块参数设置：三个交流电压源的峰值设置为”220*sqrt(2)V”、频率设置为50HZ，A相B相C相相位分别设置为0度、-120度、-240度，阻感设置1欧、0.01赫兹。在触发角为90度、120度时进行仿真。其余参数基本与整流电路时相同，如图：图1110/14（5）仿真结果1）整流电路触发角在0度、30度、60度时的仿真结果：图12图1311/14图14图152）逆变电路触发角在90度、120度时的仿真结果：12/14图17图1813/14图19五仿真结果分析通过以上Matlab仿真研究我们可以得出以下结论：1）三相全控桥式整流电路中：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。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。2)三相全控桥式有源逆变电路中：（1）有源逆变是将直流电变成和电网同频率的交流电并送回到电网中去。逆变的必备条件：a.变流器的输出Ud能够改变极性，且控制角90α180。b.有能够改变极性的直流电源E，且E的绝对值大于Ud的绝对值。（2）利用Matlab中simulink对三相桥式有源逆变电路的仿真结果进行详细分析，并且只需改变负载参数及移相控制角范围就可实现电路的仿真，验证仿真结果的正确性。（3）最小逆变角的确定：为保证逆变能正常工作，使晶闸管的换相能在电压负半波换相区之内完成换相，触发脉冲必须超前一定的角度，也就是说，逆变角β必须要有严格的限制。14/14换相重叠角γ。由于整流变压器存在漏抗，使晶闸管在换相时存在换相重叠角γ。γ值随电路形式、工作电流大小不同而不同，一般选取15°～25°电角度。.晶闸管关断时间Tg所对应的电角度δ。晶闸管从导通到完全关断需要一定的时间，这个时间Tg一般由管子的参数决定，通常为200～300μs，折合到电角度δ约为4°～5.4°。安全余量角θ。由于触发电路各元件的工作状态会发生变化，使触发脉冲的间隔出现不均匀既不对称现象，再加上电源电压的波动，波形畸变等因素，因此必须留有一定的安全余量角θ，一般为10°左右。综合以上因素，最小逆变角β≥γ+δ+θ=30°～35°。六总结（收获与体会）通过仿真和分析，可知三相桥式全控整流电路及逆变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及逆变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／Simulink对三相桥式全控整流电路及逆变电路进行仿真分析，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／Simulink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。通过这次课程设计，我了解到了整个电力电子装置的研制流程。在设计主电路、触发电路、保护电路等各个环节中，我不仅对书本上已经学过的知识有了详细地了解，而且还学到了许多书本上没有的知识，对设计中各个环节的关键问题都比以前有了更加全面系统的了解，对某些难以确定的问题，通过查各方面的资料、与同学讨论等方式，基本上能很好地解决。而本次课程设计也圆满的完成了七参考文献王兆安,刘进军．电力电子技术，第5版,机械工业出版社,2009王波.电力电子技术仿真项目化教程,北京理工大学出版社,2012魏艳君.电力电子电路仿真matlab应用,机械工业出版社,2012