三相桥式全控整流电路的Matlab仿真及其故障分析文档格式.doc

1、2.2 整流原理32.2.1 触发脉冲42.2.2 带电阻负载时的工作情况52.2.3 带阻感负载时的工作情况83 三相桥式全控整流电路仿真建模103.1 仿真模块103.1.1 交流电压源模块103.1.2 选择开关103.1.3 晶闸管的仿真模型113.1.4 同步6脉冲触发器的仿真模型133.1.5 常数模块参数的设置143.1.6 通用桥设置143.1.7 显示模块153.2 三相全控整流电路的matlab仿真153.2.1 带电阻负载的仿真153.2.2 阻感负载的仿真174 故障分析185 结束语191 引言在电力、冶金、交通运输、矿业等行业，电力电子器件通常被用于电机变频调速、大

2、功率设备驱动的关键流程之中，由于电力电子器件故障往往是致命性的、不可恢复的，常导致设备的损毁、生产的中断，造成重大经济损失。因此，通过储存故障信息用以检测对比尤为重要，并且也是一种简单可行的测量方法。根据电力电路的实际运行情况可知，大多数故障表现为功率开关器件的损坏，其中以功率开关器件的开路和直通最为常见，本文通过仿真采集功率器件在开路时的各种波形，分析整流器件发生故障的种类，判断可能发生故障的器件。2 三相全控整流电路2.1 整流器件 晶闸管因其各方面的性能均明显胜过以前的汞弧整流器，自开发以来立即受到普遍欢迎，虽然在二十世纪八十年代以来，晶闸管的地位开始被各种性能更好的全控型器件所取代，但

3、是由于其能承受的电压和电流容量仍然是目前电力电子器件中最高的，而且工作可靠，因此在大容量的应用场合仍然具有比较重要的地位。电力电子技术的核心是电力变换也就是变流技术。通过对晶闸管等器件的控制从而实现电力变换。晶闸管整流是电力电子技术中最基础的变流技术，通过它可实现电流从交流到直流的转换。2.2 整流原理三相桥是应用最为广泛的整流电路，它是由两组三相半波整流电路串联而成的，一组为共阴极接线，另一组为共阳极接线，如图（1）所示。若工作条件相同，则负载电流Id1=Id2，如果将零线切断，不影响电路工作，成为三相桥式全控整流电路，如图（2）所示。图1 三相半波共阴极组和共阳极组串联电路阴极连接在一起的

4、3个晶闸管（VT1、VT3、VT5）称为共阴极组，阳极连接在一起的3个晶闸管（VT4、VT6、VT2）称为共阳极管。此外，习惯上希望晶闸管按从1至6的顺序导通，为此将晶闸管按图示的顺序编号，经分析可知，按此编号，晶闸管的导通顺序为VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6。共阴极组正半周触发导通，共阳极组在负半周触发导通，在一个周期中变压器绕组中没有直流磁势，且每相绕组在正负半周都有电流流过，延长了变压器的导电时间，提高了变压器组的利用率。2.2.1 触发脉冲三相桥式全控整流电路任意时刻都有两个晶闸管同时导通从而形成供电回路，其中共阴极组和共阳极且各1个，且不能为同一相器件。触发脉冲相位依

5、次关60度，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度；共阳极组VT4、VT6、VT2的脉冲相差120度，共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲也相差120度。直流电压一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样，故该电路为6脉波整流电路。在整流电路合闸启动过程中或电流断续时，为确保电路的正常工作，需保证同时导通的2个晶闸管均有脉冲，可采用宽脉冲触发或双脉冲触发，宽脉冲触发为脉冲宽度大于60度（一般取80度-100度）；双脉冲触发是在某个晶闸管触发的同时，给序号紧前的一个晶闸管补发脉冲，即用两个窄脉冲代替宽脉冲，两个窄脉冲的前沿相差60度，脉宽一般为2030，双

6、脉冲触发的电路较复杂，但要求的触发电路输出功率小，宽脉冲触发电路虽可少输出一半脉冲，但为了不使脉冲变压器饱合，需将铁心体积做得较大，绕组匝数较多，导致漏感增大，脉冲前沿不够陡，对于晶闸管串联使用不利。虽可用去磁绕组改善这种情况，但又使触发电路复杂化。因此常用的是双脉冲触发。如图3图3 三相全桥触发脉冲的两种形式（a、a1） 双脉冲触发 b 宽脉冲触发2.2.2 带电阻负载时的工作情况（1）=0时的负载工作情况假设将电路中的晶闸管换作二极管，相当于晶闸管触发角=0时，各晶闸管均在自然换相点换相。共阳极的3个晶闸管，阳极所接交流电压值最高的一个导通，共阴极的3个晶闸管，阴极所接交流电压值最低的一个

7、导通。任意时刻共阳极组和共阴极组中各有一个晶闸管处于导通状态，施加于负载的电压为某一线电压，此电路工作波形如图4所示。由图中变压器二次绕组相电压与线电压的波形的对应关系看出，各自然换相点既是相电压的交点，同时也是线电压的交点。在分析Ud的波形时，既可以从相电压波形分析，也可以从线电压波形分析。从相电压波形看，以变压二次侧的中点n为参考点，共阴极组晶闸管导通时，整流输出电压Ud1为相电压在正半周的包络线，当共阳极导通时，整流输出电压Ud2为相电压在负半周的包络线，总的整流输出电压Ud=Ud1-Ud2是两条包络线的差值，将其对应到线电压波形上，即为线电压在正半周的包络线。直接从线电压波形看，由于共

8、阴极组中处于通态的晶闸管对应的是最大（正得最多）的相电压，而共阳极组中处于通态的晶闸管对应的是最小（负得最多）的相电压，输出整流电压Ud这两个相电压相减是线电压中最大的一个，因此输出整流电压Ud波形为线电压在正半周的包络线。为了说明各晶闸管的工作情况，将波形中的一个周期等分为6段，每段为60度，如图4所示，每一段中导通的晶闸管及输出整流电压的情况如表1所示。由此表可见，6个晶闸管的导通顺序为VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6由图4晶闸管Uvt1的波形图看出，晶闸管一周期中有120处于通态，240处于断态，由于负载为电阻，故晶闸管处于通态时的电流波形与相应时段的负载电压Ud波形相同。

9、 图4 三相桥式全控整流电路带电阻负载=0时的波形表1 三相桥式全控整流电路电阻负载=0时晶闸管工作情况共阴极组中导通的晶闸管VT1VT3VT5共阳极组中导通的晶闸管VT6VT2VT4整流输出电压Ua-Ub=UabUa-Uc=UacUb-Uc=UbcUb-Ua=UbaUc-Ua=UcaUc-Ub=Ucb（2）=60图5为 =60时的波形，由图中分析知，Ud波形中每段线电压的波形继续向后移，Ud平均值降低，并且Ud出现了为零的点。因此60时，电压波形连续。图5 三相全控整流电路带电阻负载=60（3）=90图6为 =90时的电阻负载波形，此时Ud波形每60中有30为零，这是因为电阻负载id波形与U

10、d波形相同，当Ud降至零，id也降至零，通过晶闸管的电流即降至零，晶闸管关断，输出整流电压Ud为零，因此Ud波形不会出现负值。如果继续增大至120，则整流电压Ud波形将全为零，其平均值也为零，因此，带电阻负载时三相桥式全控整流电路角的移相范围是120度。2.2.3 带阻感负载时的工作情况当60时，Ud波形连续，阻感负载的工作情况与带电阻负载的工作情况相似，区别在于负载不同时，同样的整流输出电压加到负载上，得到的负载电流波形不同。电阻负载时电流波形与电压波形相同，而阻感负载时，由于电感的作用，使得负载电流波形变得平直，当电感足够大时，负载电流波形近似为一条水平线。当60时，阻感负载时的工作情况与

11、电阻负载时不同，电阻负载时，Ud波形不会出现负的部分，图6为=90时带阻感负载的波形图，由图7可以推知，如果电感L值足够大，Ud中正负面积将基本相等，因此，三相全控整流桥阻感负载的角移相范围为90度。图6 三相桥式全控整流电路带电阻负载=90图7 阻感负载=90时的波形图3 三相桥式全控整流电路仿真建模3.1 仿真模块3.1.1 交流电压源模块线电压为380伏，频率为50HZ，内阻为0.001。3.1.2 选择开关选择开关的模型如图8所示 图8 选择开关的模型通过选择开关可以将任意需要输出的信号组合输出。3.1.3 晶闸管的仿真模型（1） 晶闸管组件的符号和仿真模型晶闸管是一种门极信号触发导通

12、的半导体器件。晶闸管的仿真模型由电阻Ron、电感Lon、直流电压源Uf和开关SW串联组成。开关受逻辑信号控制，该逻辑信号由晶闸管的电压Uab、电流Iab和门极触发信号g决定。晶闸管组件的符号和仿真模型图如图9所示。 图9 晶闸管组件的符号和仿真模型晶闸管模块还包括一个Rs-Cs串联缓冲电路，它通常与晶闸管并联。缓冲电路的Rs和Cs值可以设置，当指定Cs=inf时，缓冲电路为纯电阻，当指定为Rs=0时，缓冲电路为电容。当指定Rs=inf或Cs=0时，缓冲电路去除。（2）晶闸管组件的静态伏安特性晶闸管的静态伏安特性如图10所示。开通状态g0由断到开UakIak关断状态图10 晶闸管的静态伏安特性当

13、阳极和阴极之间的电压大于Uf且门极触发脉冲为（g0）时，晶闸管由断态转变为开态。该触发脉冲的幅值必须大于0且有一定的持续时间，以保证晶闸管阳极电流大于掣住电流。当晶闸管的阳极电流下降到零（Iak=0）或阳极和阴极之间施加反向电压的时间大于或等于晶闸管的关断时间Tq时，晶闸管关断。如果阳极和阴极之间施加反向电压的持续时间小于晶闸管的关断时间Tq，晶闸管仍可能会导通，除非没有门极触发信号（即g=0）且阳极电流小于掣住电流。另外，在导通时，当阳极电流小于参数对话框中设置的掣住电流时，晶闸管将立即关断。晶闸管关断时间Tq取决于载流子的恢复时间：它包括“阳极电流下降到零的时间”和“晶闸管正向阻断的时间”

14、。图11 晶闸管组件的简化仿真模型（3）晶闸管组件的仿真模型和输入、输出晶闸管组件的仿真模型以及输入、输出晶闸管组件的仿真模型有详细（标准）模型和简化模型两种。为了提高仿真速度，可以采用简化的晶闸管模型，如图11所示。从晶闸管模块图标中可以看出，它有两个输入和两个输出。第一个输入a和输出k对应于晶闸管阳极和阴极。第二个输入g为加在门极上的逻辑信号（g）。第二个输出m用于测量晶闸管的电流和电压输出量Iak,Uak。晶闸管仿真组件的参数晶闸管组件要设置的组件参数有：晶闸管组件内电阴Ron，单位（），设置为0；晶闸管组件内电感Lon,单位（H），因为电阻参数设置为0，所以内电感不能设置为0，将其设置

15、0.001；晶闸管组件的正向管压降Uf,单位（V）,设置为0.8；初始电流Ic,单位（A），初始值设置是一个复杂的工作，为了配合晶闸管进行仿真，通常将其设为0；缓冲电阻Rs,单位（）为了在模型中消除缓冲，可将Rs设置为inf；缓冲电容Cs,单位（F）为了在模块中消除缓冲，可将电容Cs参数设置为0。3.1.4 同步6脉冲触发器的仿真模型 图12 同步六脉冲触发器和晶闸管整流器桥 同步6脉冲触发器仿真模块的功能同步6脉冲触发器模块用于触发三相全控整流器桥的6个晶闸管，模块的图标如图12，同步6脉冲触发器还可以给双脉冲，双脉冲间隔为60度，触发器输出的1-6号脉冲依次送给三相全控整流器桥对应编号的6

16、个晶闸管。采用Power System 模块库中的“Universal Bridge模块（整流器件选择晶闸管），则同步6脉冲触发器的输出端可以直接与三相整流桥的脉冲输入端相连接。 同步6脉冲触发器的输入和输出alpha-deg是移相控制角信号输入端，该输入端可与常数模块相连，也可与控制系统中的控制器输出端相连，从而对触发脉冲进行移相控制。如果勾选Double Pulsing,触发器就能给出间隔60度的双脉冲。输入AB、BC、CA是同步线电压Uab、Ubc、Uca输入端，同步电压就是连接整流器桥的三相交流电压的线电压；输入Block为触发器模块的使能端，用于对触发器模块的开通与封锁操作。当施加大

17、于0的信号时，触发脉冲被封锁；当施加等于0的信号时，触发脉冲开通。输出为一个6维脉冲向量，它包含6个触发脉冲。同步六脉冲触发器的参数同步电压频率，单位（Hz）,通常为电网频率；脉冲宽度，单位为度；双脉冲，此为复选框，如果勾选，触发器就能给出间隔60度的双脉冲。3.1.5 常数模块参数的设置此模块只有一个输出端，无输入端，在本例中只要改变参数对话框中的数值的大小，即改变了触发信号的控制角。3.1.6 通用桥设置图13 通用桥仿真图标 仿真模块的功能 通用桥是由6个功率开关组件组成的桥式三相变换器模块。电力电子组件的类别可通过对话框进行设置。电力电子组件的类型有Diode桥、Thyristor桥、

18、MOSFET-Diode桥、IGBT-Diode桥、理想开关桥，并且可将桥臂数目设置为1、2、3，分别代表一个桥臂、两个桥臂、三个桥臂，各自包含2个开关器件、4个开关器件、6个开关器件。前二者实现单相变流，后者实现三相变流。除二极管桥外，其它桥的g（pulses）输入端可接受来自外部模块的触发信号。通用桥模块内部结构其图标如图14。图14 通用桥模块结构图通用变换器仿真模块的参数设置桥的结构为三相，缓冲电阻Rs：单位为，为了消除模块中的缓冲电阻Rs的参数设置为inf。缓冲电容Cs：单位为伏，为了消除模块中的缓冲电路，可将缓冲电容Cs的参数设定为inf,本仿真中电力电子器件选择Thyristor

19、桥,内电阻Ron单位为，内阻设置为0.1,内电感Lon设置为0缓冲电阻设置为1e-3，缓冲电容设置为4.7e-6；Forward voltage Vf：器件的导通压降，设置为0.8伏。3.1.7 显示模块scope模块，相当于示波器，显示比较仪输出特性曲线的结果。3.2 三相全控整流电路的matlab仿真3.2.1 带电阻负载的仿真利用SimPowerSystems建立三相全控整流桥的仿真模型如图15。用Universal Bridge模块实现三相晶闸管桥式电路，在SimPowerSystems/extra library/control blocks中的Synchronized6-pulse

20、 generator模块产生六脉冲触发，信号Simulink/Signal Routing/Selector控制触发脉冲，模拟故障信号。采用串联RLC支路设置负载，当负载为电阻时，设置负载R=1，L=0H，C=inf，仿真时间为0.15s，Selector模块中设置elments为-1，即为6脉冲触发，输入类型为向量，触发角为60和90时的波形分别如图。图15 三相桥式全控电路仿真模型图 16 电阻负载=60时的仿真波形3.2.2 阻感负载的仿真当负载为阻感负载时也采用串联RLC支路，设置R=1，L=1H,C=inf，由图可见，=90L足够大时，Ud正半部分和负半部分面积相等，平均值近似为零。

21、图17 电阻负载=90图18 阻感负载=904 故障分析以晶闸管断路故障分析，可将故障类型分为四类，第一类只有一个晶闸管故障，如VT1、VT2等六个晶闸管；第二类是不同桥臂上下两个晶闸管故障如VT1和VT2、VT1和VT6、VT5和VT6等六个故障元；第三类是同一桥臂上下两个晶闸管故障含VT1和VT4、VT3和VT6、VT5和VT2三个故障元；第四类是同一半桥中两个晶闸管发生故障如VT1和VT3、VT1和VT5等六个故障元。经大量采样分析得到晶闸管故障仿真波形如下图所示：图19 =0时三相晶闸管故障仿真图观察以上波形，晶闸管正常工作时，每个周期（T=O02s）连续输出6个波头，每个波头均为60

22、度。图（18-1）每个周期连续少两个波头，两个波头为120度。由于正常工作时每个桥臂导通120度，因此可判定图（）对应为有一个桥臂不导通，即有一个晶闸管发生故障；图（18-2）每个周期连续输出3个波头，接着连续少了3个波头，容易得出该图对应不同相的交叉的两个晶闸管故障。可见由波形得到故障形式与设定故障形式得到仿真波形的结果是一致的；图（18-3）每个半周期有一个波头，再连续少两个，一个周期共少了4个波头，三相桥式电路应输出6个波头，不难看出此时只有两相导电，另一相的两个桥臂不通，即接在同一相的两个晶闸管故障。图（18-4）每个周期有两个连续波头，接着少了4个连续波头，由于正常情况时输出电压波形

23、6个波头的顺序可判定接在同一半桥的两个桥臂不导通。同时，还可以利用触发脉冲参数的改变仿真不同负载与不同触发角情况下的波形，通过对采样电压波形的分析，我们可以了解三相全控桥的故障状态从而及时的发现与解决故障。5 结束语运用matlab中的电气系统库可以快速完成对三相整流电路故障仿真，通过分析可以对故障类型给予初步判断，对电力电子设备的开发、运用以及设备维修有极大的现实意义。参考文献1 周渊深.电力电子技术与Matlab仿真M.北京:中国电力出版社,2005:188-217.2 王兆安,黄俊.电力电子技术M.北京:机械工业出版,2000:54-59.3 唐向宏,岳恒立,郑雪峰.MATLAB及在电子信息类课程中的应用M.北京:电子工业出版社,2005.8:122-123,284-2964 林飞,杜欣.电力电子技术的MATLAB仿真M.北京:中国电力出版社,2008:194-2005 陆宁.MATLAB语言即学即会M.北京:机械工业出版社,2000.8:21-296 吕喜明，刘春艳. Matlab在Word中的嵌入及在教学软件中的应用J.内蒙古财经学院学报（综合版）2009,7（5）:116-1197 王华英，郑华耀，王锡淮. 电力电子故障的Matlab仿真及其DFT分析J.计算机辅助工程,2004,13（4）:72-75