基于Matlab的三相桥式全控整流电路的仿真研究

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。

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

u d=u a-u b=u ab

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

u d=u a-u c=u ac

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

u d=u b-u c=u bc

余相依此类推。

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）

(2)当a>60︒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

VT1 VT1 VT3 VT3 VT5 VT5 通的晶闸管

共阴级组中导

VT6 VT2 VT2 VT4 VT4 VT6 通的晶闸管

整流输出电压u a-u b=u ab u a-u c=u ac u b-u c=u bc u b-u a=u ba u c-u a=u ca u c-u b=u cb

图3a α=0º

图3b α=30º

图3c α=60º

图4d α=90º

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：

α

ωωπ

απ

α

π

cos 34.2)(sin 63

1

2323

2d U t td U U ==

⎰++

(2)带电阻负载且a >60︒时，整流电压平均值为：

⎥

⎦⎤

⎢⎣⎡++==

⎰+)3cos(134.2)(sin 63

23

2d απωωπ

π

α

πU t td U U

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，R ＝100Ω。

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，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(见图10-图13 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(见图14-图16)