电力电子技术三相桥式全控整流及有源逆变电路实验报告

一、实验背景
整流是指将交流电变换为直流电的变换，而将交流电变换为直流电的电路称为整流电路。

整流电路是四种变换电路中最基本的变换电路，应用非常广泛。

对于整流电路，当其带不同负载情况下，电路的工作情况不同。

此外，可控整流电路不仅可以工作在整流状态，即将交流电能变换为直流电能，还可以工作在逆变状态，即将直流电能变换为交流电能，称为有源逆变。

在工业中，应用最为广泛的是三相桥式全控整流电路（Three Phase Full Bridge Converter），它是由两个三相半波可控整流电路发展而来。

该次试验即是针对三相桥式全控整流电路而展开的一些较为简单的学习与研究。

二、实验原理
三相桥式全控整流及有源逆变
该次实验连接电路图如下图所示
整流有源逆变控制信号初始化约定：
， ，整流
， ，逆变
， ， 临界
注意事项：
在接主电路过程中，晶闸管接入双刀双闸开关时一定要注意正负极必须正确匹配。

电容器用于吸收感性电流引起的干扰，使得示波器显示的波形更加标准、清晰。

双刀双掷开关在切换时主回路必须断电，否则很可能因切换时拉出电弧而损坏设备。

（一）整流电路
1、整流的概念
把交流电变换为直流电的变换称为整流（Rectifier），又叫AC-DC变换（AC-DC Converter）。

整流电路是一种把交流电源电压转换成所需的直流电压的电路。

AC-DC变换的功率流向是双向的，功率流向由交流电源流向负载的变换称之为“整流”，功率流向由负载流向交流电源的变换称之为“有源逆变”。

采用晶闸管作为整流电路的主控器件，通过对晶闸管触发相位的控制从而达到控制输出直流电压的目的，这样的电路称之为相控整流电路。

2、整流电路的分类
（1）按电路结构分类
①半波整流电路：半波整流电路中每根电源进线流过单方向电流，又称为零式整流
电路或单拍整流电路。

②全波整流电路：全波整流电路中每根电源进线流过双方向电流，又称为桥式整流
电路或双拍整流电路。

（2）按电源相数分类
①单相整流电路：又分为单脉波整流电路和双脉波整流电路。

②三相整流电路：又分为三脉搏整流电路和六脉波整流电路。

③多相整流电路：多脉波整流电路。

（3）按电路控制特点分类
①不可控整流电路：整流电路的直流输出电压平均值同交流电压的比值固定不变，
切功率流向只能由电源侧流向负载侧，即整流电路的输出电压大小与功率流向均是固定的，不可改变，为单向变流器。

这种电路的控制器件一般是二极管。

②半控整流电路：整流电路的直流输出电压平均值与交流电源电压的比值可以改变，
但功率流向仍为单向，只能由电源侧流向负载侧。

这种电路的控制器件一般是晶闸管和二极管同时存在。

③全控整流电路：整流电路的直流输出电压值可以改变，且功率流向是双向的。

全
控整流电路的控制器件一般为晶闸管或全控型器件。

（4）按电路的工作范围分类
①单象限整流电路
②多象限整流电路
（5）按控制方式分类
①相控整流电路：控制器件主要采用晶闸管，其特点是容量大、控制简单，技术成
熟。

②脉冲宽度调制整流电路：采用全控型控制器件和现代控制技术，其性能优于相控整流电路。

3、 整流电路的主要性能指标
（1） 整流输出电压平均值：即负载上的直流电压比值。

（2） 电压波形系数：输出电压有效值与直流平均值之比。

（3） 直流输出电压中的交流分量：常用波纹因数（输出电压中交流谐波分量的有效值与
直流电压平均值之比）来表示，反映了直流电压的平滑程度。

（4） 交流侧的功率因数。

（5） 交流侧谐波电流：可用输入电流总畸变率或电流谐波因数来反映。

（6） 变压器利用系数。

在上述参数中，（1）（2）（3）是考核整流电路输出直流电源性能的指标，（4）（5）是考核整流电路对交流电源影响的性能参数。

（二）三相桥式全控整流电路
在工业中，应用最为广泛的是三相桥式全控整流电路（Three Phase Full Bridge Converter ），它是由两个三相半波可控整流电路发展而来，其电路图如右下所示。

由于共阴极组的管子在电源正半周导通，流经变压器二次绕组的是正向电流，共阳极组的管子在电源负半周导通，流经变压器二次绕组的是反向电流，因此一周期中变压器绕组中没有直流磁动势，且每相绕组的正、负半周都有电流流过，变压器绕组利用率提高了。

1、 阻性负载
（1） 工作原理及波形分析
①触发延迟角 时整流电路的工作情况
对于三相桥式全控整流电路的分析可以采用与分析三相半波可控整流电路类似的方法，
首先分析由二极管组成的不可控电路。

在上面的“两个半波可控整流电路”与“三相桥式全控整流电路”两图，晶闸管触发延迟角 时的工作状况与由二极管组成的不可控整流电路相同，即电路为三相桥式不可控整流的情况。

在“两个半波可控整流电路”与“三相桥式全控整流电路”这两幅图中，因 ，所以可以假设将电路中的六个晶闸管均换成二极管，管子编号相同进行分析。

那么，任意时刻共阳极组和共阴极组必须有一个管子处于导通状态，电路才能正常工作。

对于共阴极组的三个管子，阳极所接交流电压值最高的一相所在的管子导通，而对于共阳极组的三个管子，则是阴极所接交流电压值最低的一相所在的管子导通。

三相桥式不可控整流电路的工作波形（即三相全控整流电路 时的工作波形）如下图所示。

三相桥式全控整流电路阻性负载 时的工作波形
三相桥式全控整流电路中二极管一周期中每管导通120 ，每隔60 在自然换相点处换相，管子承受的反向电压波形为线电压波形。

共阴极组和共阳极组的管子均在自然换相点换相，即在自然换相点后管子才开始承受正向电压，所以三相桥式全控整流电路 时，管子也在自然换相点换相，与三相半波整流电路相同。

所以，对于三相桥式全控整流电路，在晶闸管 时电路的工作情况与
三相桥式不可控整流电路工作情况相同。

②触发延迟叫 时整流电路的工作情况
当触发延迟角 时，每个晶闸管都不在自然换相点换相，而是从自然换相点后移 角开始换相。

下图为 时的三相桥式全控整流电路工作波形图。

三相桥式全控整流电路阻性负载 时的工作波形
晶闸管承受的电压仍为电源线电压。

下图为 时的三相桥式全控整流电路工作波形图。

三相桥式全控整流电路阻性负载 时的工作波形
可以看出， 时，三相桥式全控整流电路已处于连续和断续的临界条件。

时晶闸管VT1可能承受最大正向电压为。

当 后，电流波形将断续。

如下图，为 时输出电压和电流的波形。

三相桥式全控整流电路阻性负载 时的工作波形
此时电路处于断续工作状态。

综上所述，三相桥式全控整流电路有如下特性：
①三相桥式全控整流电路在任何时刻必须保证共阴极组和共阳极组各有一个晶闸管导通，才能构成导电回路。

②器件换相只在本组内进行，每隔120 换相一次，所以共阴极组晶闸管VT1、VT3、VT5触发脉冲相位相差120 ，共阳极组晶闸管VT4、VT6、VT2的触发脉冲也相差120 。

由于共阴极组和共阳极组换相点相隔60 ，所以每隔60 有一个器件换相。

接在同一相的两个晶闸管触发脉冲相位相差180 。

触发脉冲顺序依次为VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6。

③为了保证任何时刻共阴极组和共阳极组中各有一个晶闸管导通，或者由于电流断续后
能再次导通，必须对两组中应该导通的一对晶闸管同时施加触发脉冲。

④三相桥式全控整流电路输出电压时线电压的一部分，一个周期内脉动六次，脉动频率为300Hz，较三相半波可控整流电路提高一倍。

（2）基本数量关系
①整流输出电压平均值
I电流连续时（ ）
（ ）
II电流断续时（ ）
（ ）
②负载电流平均值为
③变压器二次电流有效值 。

时，电流连续，以 为例，对上图波形进行分析，可得到二次电流有效值为
时，电流断续，由上图可知，此时有
（ ）
④流过晶闸管的电流有效值 和平均值 。

流过晶闸管电流平均值为负载电流的，即流过晶闸管电流有效值也有连续和断续两种情况，但两种情况下均有
⑤整流变压器的容量S。

阻性负载时， ， ， ，所以二次绕组视在功率
2、感性负载
（1）工作原理及波形分析
三相桥式全控整流电路带阻感负载，认为电感足够大，使负载电流连续且其波形基本上为一条水平线。

① 时，电路整流输出电压 波形与阻性负载时一样。

② 时，阻性负载的输出电压波形断续，对于大电感负载，由于电感L的作用，在电源线电压过零后晶闸管仍然导通，直到下一个晶闸管触发导通为止，负载电流连续，输出电压波形中出现负的部分。

直到 时，波形中正负面积相等，输出电压平均值 =0，所以感性负载时电路移相范围为 。

下图分别为 和 情况下三相桥式全控整流电路带感性负载时的工作波形。

三相桥式全控整流电路带感性负载α=30 时的工作波形
三相桥式全控整流电路带感性负载α=90 时的工作波形
在电压可调范围内，晶闸管承受的最大正、反向电压均为电源线电压峰值，即。

（2）基本数量关系
①整流输出电压平均值 。

感性负载电流连续连续时，晶闸管导通角总是 ， 波形每隔60 重复一次，所以输出电压平均值为
（ ）
②负载电流平均值为
③变压器二次电流有效值 。

变压器二次绕组一周期内流过电流波形为矩形波，其中正半周期为 ，负半周期也为 ，所以有
④流过晶闸管的电流有效值 和平均值 为
为了提高整流输出电压平均值，可在负半侧并联一续流二极管，构成带续流二极管的三
相桥式全控整流电路。

三相桥式全控整流电路接反电动势阻感负载埋在负载电感足够大、足以使负载电流连续的情况下，电路工作情况与带感性负载时相似，电路中各处电压、电流波形均相同，只在计
算负载电流平均值 时有所不同，此时 。

参考资料：《电力电子技术》（中国电力出版社）
三、实验器件（该部分所有图像均由邹宜君同学采集）
电力电子及电气传动教学试验台 MCL-III型（如下图所示）
该图像由邹宜君同学采集
数字示波器 TDS 1012（如下图所示）一台
该图像由邹宜君同学采集
数字万用表 GDM-8145（如下图所示） 一台
该图像由邹宜君同学采集
专用导线 若干
四、 实验过程
方法和要领
1.连接三相整流桥及逆变回路
由三相隔离变压器（MCL-32)二次绕组接至三相降压变压器（MCL-35)，输出三相电源（线电压约110~130V)作为三相变压器的交流输入；
由三相隔离变压器（MCL-32）二次绕组接至由二极管组成的三相不可控全波整流桥，作为逆变时负载回路的电动势源（大小恒定的电压源);
由双刀双置开关构成整流和逆变选择回来（严禁主回路带点时切换此开关）；
约定整流、逆变临界控制点为0=ct U ，当0>ct U 时，处于整流移相控制；0<ct U 时处于逆变移相控制。

原理图如下：
（注：双刀双置开关左置为整流电路，右置为逆变电路）
2.整流工作
阻性负载测试：双置开关选择整流回路，负载电阻设定为最大（约450Ω），加正给定电压。

1）注意限制d≤0.8A
U U
d
U的波形如下图：
2）α≈0 时，封锁晶闸管VT1的脉冲信号，d
U=122V
d
U的波形如下：
封锁晶闸管VT1和VT2的脉冲信号，d
U=94V
d
阻-感（300Ω+700mH）负载测试：双置开关选择整流回路，注意限制d I≤0.8A。

1)
U的波形：2)α=0 时，封锁晶闸管VT1的脉冲信号，d
U=122V
d
U的波形：
封锁晶闸管VT1和VT2的脉冲信号，d
U=84V
d
3.逆变工作
断掉主回路电路，将负载回路切换到逆变条件，注意逆变电动势源的直流极性。

1）选定给定信号，保持负载为（450Ω+700mH ），再合上电源。

U U
2）在恒定负载情况下（电阻450Ω，电感700mH ，直流反电动势E 基本恒定），在最大逆变移相范围内，测定电网实际吸收直流功率)(f d U K P =的函数曲线。

已知，三相全控桥电源回路输出端等效内阻Ω=26n R 。

思考：如何近似估算电网吸收的电功率？ 答：n d d d 2
I R I U P K -⨯=
五、 实验数据处理及实验结果分析
1.逆变状态下，负载恒定不变，根据公式n k 2
R I I U P d d d -=和实验测量结果，可以算出电网
实际吸收直流功率K P ,结果如下表所示：
表1
2、误差分析
在实验过程中，存在观测误差、模型误差、仪器误差等，由于我们在实验时将晶闸管视
为理想器件，不考虑变压器漏抗对电路的影响，但我们使用电压表和电流表读取数据时，由于个人原因读数时存在观测误差；在整理实验时存在舍入误差、计算误差等，由于外界带来的误差我们应尽量避免、减小。

3、实验之后进行如下讨论：
1）、分析比较整流工作时，阻性负载和阻感负载在缺相（丢失一路触发信号）故障下，Ud 瞬时波形的差异？
答：因为电感的性质有续流的作用，可以改善电流波形，使断续波形变得平缓连续。

由此可知道，当在缺相的情况，带阻性负载的整流电路，由于没有电感，波形是断续的，而带阻感
缺相时波形
（由于没有找到丢失一路触发信号的图，图为丢失两路信号图）
2）整流状态下，阻感负载时，α=90 时ud的瞬时波形一定有正负半波对称吗，为什么？答：不一定，因为理想情况下，三相桥式相控整流电路带阻感负载时，电感无限大，在α=90
时Ud波形上下对称，而在实际电路中并不存在无限大的电感，在实际电路中电感储能不够，就会造成正负半波不对称，为了让电路产生接近理论的效果，在调节电路时，要降低电阻，同时接入最大的电感，这样电阻电感相对来说和理论的无限大电感更加接近，但是在降低电阻的时候要保证电流在额定范围内。

（图为我们实验时α=90 时波形）
3）说明逆变状态下，逆变电源的负载波形是电路上哪两端的波形？为什么逆变输出电压d U d
由)f(U d k =P 特性曲线可以看出，随着d U 的增大，电网实际吸收直流功率K P 在一定范围内增大，超过一定程度后，即使d U 仍然还在增大，K P 也基本保持不变；随着d U 的减小，电网实际吸收直流功率K P 也在减小，最后曲线将过零点，当d U 向正直增大，电路将不再工作在逆变状态而工作在整流状态。

六、 实验仿真
三相桥式全控整流及有源逆变电路
1、 建立仿真模型
2、测量负载特性
R=450欧，L=0H，C=inf
（1）交流电压源的参数设置：三相交流电源的相位互差120 ，设置交流峰值相电压为127 V、频率为50HZ。

其余两相Phase
（deg）分别为120、240
（2）通用变换器桥参数设置：
通用变换器桥木块是由6个功率开关元件组成的桥式通用三相变换器木块。

功率电子元件的类别和变换器的结构可通过对话框进行选择。

功率电子元件和变换器的类型有Diode桥、Thrrustir桥、MOSFET-Diode桥、IGBT-Diode桥、Ideal Switch桥、桥的结构有单相、两相和三相。

通用变换器桥木块的输入和输出端取决于所选择的变换器桥的结构，当 A B C 被选择为输入端，则直流DC端就是输出端。

当A B C被选择为输出端，直流DC端就是输入端。

以此来整流电路与逆流电路的转换除二极管桥外，其他桥的g（Pulses）输入端可接受来自外部模块的触发信号。

通用变换器的参数设置
设置结构为三相，由于建模为一个电流源，不能连接电感元件系列，需接一个高值缓冲电路电路，故设置Rs=100欧，Cs为ing。

内电阻Ron采用默认值1e-3，内电感Lon为0. （3）同步6脉冲触发器的参数设置
该模块中，alpha-deg是移相控制角信号输入端，单位为度。

AB BC CA是同步线电压的输入端，是个养人有电压表Block为触发器模块的是能端，用与触发器模块的开通和封锁操作。

同步6脉冲触发器参数设置如图所示
（4）常数模块参数设置
改变参数对话框数值的大小，即改变了触发信号的控制角
控制角为0 时的波形
控制角为60 的波形
控制角为90 的波形
3测量电阻电感性负载特性
R=450欧，L=700mH，C=inf
改变常数模块参数，得到30 、60 、90 波形
控制角为30
控制角为60
控制角为90
4测量有源逆变带电阻电感性负载
R=450欧，L=700mH，C=inf
将与负载串联的反电势DC设置为200V
改变常数模块参数得到60 90 120 波形
控制角为60
控制角为90 波形
控制角为120 波形
控制角为150 波形
总结分析
在对三相桥式全控整流电路带电阻负载时的工作情况进行仿真分析的基础上，验证了当触发角为0度时，负载电流是连续的；当触发角为60度时时，负载电流不连续。

这与当触发角0<a<60时，负载电流是连续；当触发角大于等于60度时，负载电流是不连续相符。

通过仿真分析也验证了所建模型的正确性。

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α和负载特性的影响，
注意事项：
1.由于建模为一个电流源，通用变换器桥不能与RL电阻电感期间相串联，需加入一个高电阻缓冲电路，使得输入电流波形发生改变，需要注意。

错误指令截图
2.测量逆变带电阻电感负载时，应输入负信号-200V，否则没有Ud， Id波形。

3.测量逆变带电阻电感负载时，负电动势DC的值不宜过小，若过小，则无法形成逆流回路。

参考资料
李传琦《电力电子技术计算机仿真实验》电子工业出版社
七、使用程序清单
Auto CAD
Visio
Word
Exel。