毕业设计论文三相桥式全控整流电路的建模与仿真.docx

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毕业设计论文三相桥式全控整流电路的建模与仿真

电力电子技术毕业作业

题目：

三相桥式全控整流电路建模仿真

学院：

物理与电子学院

指导老师：

姓名：

学号：

三相桥式全控整流电路的建模与仿真

摘要本文在对三相桥式全控整流电路理论分析的基础上，建立了基于Simulink的三相桥式全控整流电路的仿真模型，并对其带电阻负载时的工作情况进行了仿真分析与研究。

通过仿真分析也验证了本文所建模型的正确性。

关键词Simulink建模仿真三相桥式全控整流

一、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，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Simtlink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。

对于三相对称电源系统而言，单相可控整流电路为不对称负载，可影响电源三相负载的平衡性和系统的对称性。

故在负载容量较大的场合，通常采用三相或多相整流电路。

三相或多相电源可控整流电路是三相电源系统的对称负载，输出整流电压的脉动小、控制响应快，因此被广泛应用于众多工业场合。

本文在Simulink仿真环境下，运用simPowerSystem的各种元件模型建立三相桥式全控整流电路的仿真模型，并对其进行仿真研究。

二、三相桥式全控整流电路的工作原理

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。

图1是电路接线图。

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。

由上述三相桥式全控整流电路的工作过程可以看出：

1.三相桥式全控整流电路在任何时刻都必须有两个晶闸管导通，而且这两个晶闸管一个是共阴极组，另一个是共阳极组的，只有它们能同时导通，才能形成导电回路。

2.三相桥式全控整流电路就是两组三相半波整流电路的串联，所以与三相半波整流电路一样，对于共阴极组触发脉冲的要求是保证晶闸管KPl、KP3和KP5依次导通，因此它们的触发脉冲之间的相位差应为120°。

对于共阳极组触发脉冲的要求是保证晶闸管KP2、KP4和KP6依次导通，因此它们的触发脉冲之间的相位差也是120°。

3.由于共阴极的晶闸管是在正半周触发，共阳极组是在负半周触发，因此接在同一相的两个晶闸管的触发脉冲的相位应该相差180°。

4.三相桥式全控整流电路每隔60°有一个晶闸管要换流，由上一号晶闸管换流到下一号晶闸管触发，触发脉冲的顺序是：

1→2→3→4→5→6→1，依次下去。

相邻两脉冲的相位差是60°。

5.由于电流断续后，能够使晶闸管再次导通，必须对两组中应导通的一对晶闸管同时有触发脉冲。

为了达到这个目的，可以采取两种办法；一种是使每个脉冲的宽度大于60°（必须小于120°），一般取80°～100°，称为宽脉冲触发。

另一种是在触发某一号晶闸管时，同时给前一号晶闸管补发一个脉冲，使共阴极组和共阳极组的两个应导通的晶闸管上都有触发脉冲，相当于两个窄脉冲等效地代替大于60°的宽脉冲。

这种方法称双脉冲触发。

6.整流输出的电压，也就是负载上的电压。

整流输出的电压应该是两相电压相减后的波形，实际上都属于线电压，波头uab、uac、ubc、uba、uca、ucb均为线电压的一部分，是上述线电压的包络线。

相电压的交点与线电压的交点在同一角度位置上，故线电压的交点同样是自然换相点，同时亦可看出，三相桥式全控的整流电压在一个周期内脉动六次，脉动频率为6×50=300赫，比三相半波时大一倍。

7．晶闸管所承受的电压。

三相桥式整流电路在任何瞬间仅有二臂的元件导通，其余四臂的元件均承受变化着的反向电压。

例如在第

（1）段时期，KP1和KP6导通，此时KP3和KP4,承受反向线电压uba=ub-ua。

KP2承受反向线电压ubc=ub-uc。

KP5承受反向线电压uca=uc-ua。

晶闸管所受的反向最大电压即为线电压的峰值。

当α从零增大的过程中，同样可分析出晶闸管承受的最大正向电压也是线电压的峰值。

三、三相桥式全控整流电路的建模

三相桥式全控整流电路在Simulink环境下，运用simPowerSystem的各种元件模型建立了三相桥式全控整流电路的仿真模型，仿真结构如图2-1所示：

图2-1三相桥式全控整流电路的仿真模型

在模型的整流变压器和整流桥之间接入一个三相电压-电流测量单元V-I是为了观测方便。

整流器的输出电压和电流是通过多路测量器测量负载的电压和电流来实现的，当然也可以用电压和电流测量单元直接检测整流器输出单位和电流。

在整流器工作中保证触发脉冲与主电路同步很重要，仿真使用的6脉冲发生器是在同步电压过零时作为控制角a=0的位置，因此在整流变压器采用△/Y-11联结时，同步变压器也可以采用△/Y-11联结，同步信号的连接如图2-1所示。

在同步信号关系难以确定时，可以发挥仿真的特点，将三相同步信号以不同的顺序连接到6脉冲发生器的AB、BC、CA3个同步输入端，然后运行该模型，观察整流器输出电压波形，如果电压波形在一周期中6个波头连续规则，则该整流器的同步是正确的。

负载和控制角可以按需要设定。

1.设置模型参数

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，测量其平均值。

1、电阻负载（R的值为5欧姆、a=30）

（1）设置模型参数如下：

1）电源参数设置：

三相电源的电压峰值380V，频率为50HZ，相位分别为0、-120、-240.

2）整流器变压器参数设置：

一次绕组联结（wingding1connection）选择Delta（D11）,线电压为380V；二次绕组联结（wingding2connection）选择Y，线电压为173v，在要求不高时变压器容量、互感等其他参数可以保持默认值不变。

3）同步变压器参数设置：

一次绕组联结（wingding1connection）选择Delta（D11）,线电压为380V；二次绕组联结（wingding2connection）选择Y，线电压为15v，其他参数可以保持默认值不变。

4）三相晶闸管整流器参数设置：

使用默认值。

5）RLC负载参数设置：

R的值为5欧姆，C的值为inf。

6）6脉冲发生器设置：

频率为50HZ，脉冲宽度取1，选择双脉冲触发方式。

7）触发角设置：

给定alph设置为30.

2.仿真并观察结果

设置的仿真参数如下：

仿真时间为0.06S，数值算法采用ode15。

仿真参数设置完成后即可启动仿真，得到的仿真的如图4-1~4-6图所示。

图4-1整流器输入的三相线电压波形

图4-2整流器输出的电压波形以及电阻负载时整流器输出的电流波形

图4-3整流器输出电压平均值

分析观察到的结果：

将图4-1所示的三相电压波形与4-2所示的整流电压（图上部）和电流波形（图下部）相比较，整流后的电压是直流，而且波形与三相输入电压波形相对应。

整流电压平均值（见图4-3）与计算值Ud=2.34*100cos30V=202.6V相符。

因为是电阻负载，整流后的电压和电流波形相同，但Y轴坐标不同。

图4-4到图4-6所示分别为整流器交流侧的电流波形。

改变控制角可以观察在不同控制角下整流器的工作情况。

1.电阻电感负载（R的值为5欧姆、L的值为0.01h、a=60）

在图2-1中修改负载RLC参数，R的值为5欧姆，L的值为0.01H，C的值为inf，同时将触发角设置为60.为了观察整流器输入电流和输出电压的谐波，在仿真模型中增加了傅立叶（Fourier）分析模块，修改后的仿真模型如图4-7所示。

图4-7三相桥式整流电路电阻电感负载（a=60）

在仿真参数中设置仿真时间为0.16S，重新启动仿真，即可得到阻感负载时整流器输出电压和电流，如图4-8a、4-8b、4-8c所示：

图4-8aa=60时整流器输出电压

图4-8b整流器输出平均电压

图4-8c整流器输出电流

分析观察到的结果：

由于电感是储能元件，电感中电流（见图4-8c）有以上升的过程，在启动仿真0.01s以后电流进入稳定状态，电流的脉动很少。

3.

结论

本文在对三相桥式全控整流电路理论分析的基础上，利用MATLAB面向对象的设计思想和电气元件的仿真系统，建立了基于Simulink的三相桥式全控整流电路的仿真模型，并对其进行了仿真研究。

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30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

通过仿真分析也验证了本文所建模型的正确性。

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，文中应用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，并与相关文献中采用常规电路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。

应用Matlab对整流电路故障仿真研究时，可以判断出不同桥臂晶闸管发生故障时产生的波形现象，为分析三相桥式整流电路打下较好的基础，是一种值得进一步应用推广的功能强大的仿真软件，同进也是电力电子技术实验较好辅助工具。

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，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Simtlink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。