基于MATLAB的三相橋式全控整流電路的仿真分析

ID:733676 · 發表于 2021-12-3 22:53

下面是本人在大二下時做MATLAB設計仿真，在此做分享。

附件壓縮包中有相關SIMULINK仿真文件（本人很菜，可交流學習；若有錯誤或做得不好之處歡迎各位前輩指正）

三相全控橋整流電路在各種整流電路中，應用最為廣泛。應用計算機仿真來研究電力電子裝置，有利于提高研究效率，降低研發成本。基于MATLAB/ SIMULINK軟件的電力電子電路仿真，更有助于學習電力電子，加深對各種電路器件原理的理解。結合全控整流電路理論基礎，采用MATLAB的仿真工具SIMULINK對三相橋式全控整流電路的進行仿真，對輸出電壓、電流、變壓器二次側電壓、二次側電流、晶閘管電壓等參數進行仿真驗證，進一步了解三相橋式全控整流電路的工作原理及輸出特性。

一、概述

二、理論基礎

三、帶電阻負載時的工作狀態

3.1 狀態分析

3.2 MATLAB/SIMULINK仿真與分析

四、帶阻感負載時的工作狀態

4.1 狀態分析

4.2 MATLAB/SIMULINK仿真與分析

五、定量分析

六、總結

七、參考文獻

一、概述

電力電子技術在當代生活中發揮著無可替代的作用，而其中的整流電路就是把交流電能轉換為直流電能的電路。大多數整流電路由變壓器、整流主電路和濾波器等組成。并且整流電路在自動控制系統、測量系統和發電機勵磁系統等領域的應用日益廣泛。常用的三相整流電路有三相橋式不可控整流電路、三相橋式半控整流電路和三相橋式全控整流電路。三相全控整流電路的整流負載容量較大,輸出直流電壓脈動較小,是目前應用最為廣泛的整流電路。它是由半波整流電路發展而來的。由一組共陰極的三相半波可控整流電路和一組共陽極接法的晶閘管串聯而成。六個晶閘管分別由按一定規律的脈沖觸發導通，來實現對三相交流電的整流，當改變晶閘管的觸發角時，相應的輸出電壓平均值也會改變，從而得到不同的輸出。由于整流電路涉及到交流信號、直流信號以及觸發信號，同時包含晶閘管、電容、電感、電阻等多種元件，采用常規電路分析方法顯得相當繁瑣，高壓情況下實驗也難順利進行。Matlab提供的可視化仿真工具Simulink可直接建立電路仿真模型，隨意改變仿真參數，并且立即可得到任意的仿真結果，直觀性強，進一步省去了編程的步驟。

二、理論基礎

三相橋式全控整流電路是由三相半波可控整流電路演變而來的，它由三相半波共陰極接法(VT1，VT3，VT5)和三相半波共陽極接法(VT4，VT6，VT2)的串聯組合。在三相橋式全控整流電路中，對共陰極組和共陽極組是同時進行控制的，控制角都是α。由于三相橋式整流電路是兩組三相半波電路的串聯，因此整流電壓為三相半波時的兩倍。很顯然在輸出電壓相同的情況下，三相橋式晶閘管要求的最大反向電壓，可比三相半波線路中的晶閘管低一半。

為了分析方便，使三相全控橋的六個晶閘管觸發的順序是1-2-3-4-5-6，晶閘管是這樣編號的：晶閘管VT1和VT4接a相，晶閘管VT3和VT6接b相，晶管VT5和VT2接c相。晶閘管VT1，VT3，VT5組成共陰極組，而晶閘管VT4，VT6，VT2組成共陽極組。

三、帶電阻負載時的工作狀態

3.1狀態分析

三相橋式全控整流電路點電阻負載的原理圖如圖1所示。可以假設將電路中的晶閘管換作二極管，這種情況也就相當于晶閘管觸發角a=0°時的情況。此時，對于共陰極組的三個晶閘管，陽極組接交流電壓值最大的一個導通。而對于共陽極組的三個晶閘管，則是陰極所接交流電壓值最小的一個晶閘管處于導通狀態。這樣任意時刻共陽極組和共陰極組中各有一個晶閘管處于導通狀態，施加在負載上的電壓為某一線電壓。

圖1 三相橋式整流電路電阻負載電路原理圖

a=0°時，各晶閘管均在自然換相點處換相。由圖中變壓器二次繞組相電壓與線電壓波形的對應關系看出，各自然換相點既是相電壓的交點，同時也是線電壓的交點。在分析Ud的波形時，既可從相電壓波形分析，也可以從線電壓波形分析。

從相電壓波形看，共陰極組晶閘管導通時，以變壓器二次側的中點n為參考點，整流輸出電壓Ud為相電壓在正半周的包絡線;共陽極組導通時，整流輸出電壓Ud2為相電壓在負半周的包絡線，總的整流輸出電壓Ud=Ud1-Ud2，是兩條包絡線間的差值，將其對應到線電壓波形上，即為線電壓在正半周的包絡線。

直接從線電壓波形看，由于共陰極組中處于通態的晶閘管對應的是最大(正得最多)的相電壓，而共陽極組中處于通態的晶閘管對應的是最小(負得最多)的相電壓，輸出整流電壓Ud為這兩個相電壓相減，是線電壓中最大的一個，因此輸出整流電壓ug波形為線電壓在正半周期的包絡線。

圖2 三相橋式整流電路電路點電阻負載a=0°時的波形

如圖2所示，將波形的一個周期等分為六段，每段為60°。在第一段，a相電壓最高，共陰極組的晶閘管VT1被觸發導通，b相電位最低，所以供陽極組的晶閘管VT6被觸發導通。這時電流由a相經VT1流向負載，再經VT6流入b相。變壓器a、b兩相工作，共陰極組的a相電流為正，共陽極組的b相電流為負。加在負載上的整流電壓為Ud=Ua-Ub=Uab。

經過60°后為第二段，a相電位仍然最高，晶閘管VT1繼續導通，但是c相電位卻變成最低，當經過自然換相點時觸發c相晶閘管VT2，電流即從b相換到c相，VT6承受反向電壓而關斷。這時電流由a相流出經VT1、負載、VT2流回電源c相。變壓器a、c兩相工作。這時a相電流為正，c相電流為負。在負載上的電壓為Ud=Ua-Uc=Uac。再經過60°進入第三段，這時b相電位最高，共陰極組在經過自然換相點時，觸發導通晶閘管VT3，電流即從a相換到b相，c相晶閘管VT2因電位仍然最低而繼續導通。此時變壓器bc兩相工作，在負載上的電壓為Ud=Ub-Uc=Ubc。

同樣，按上述方式類推，可得到每一段中晶閘管的導通及輸出整流電壓情況：

時段	I	II	III	IV	V	VI
共陰極組中導通的晶閘管	VT1	VT1	VT3	VT3	VT5	VT5
共陽極組中導通的晶閘管	VT6	VT2	VT2	VT4	VT4	VT6
整流輸出電壓Ud	Uab	Uac	Ubc	Uba	Uca	Ucb

3.2MATLAB/ SIMULINK仿真與分析

本次仿真使用的是MATLAB2018b，經分析三相橋式全控整流電路帶電阻負載原理圖后，在SIMULINK中做出三相橋式全控整流電路仿真電路圖，如圖3所示。

圖3 三相橋式全控整流電路帶電阻負載SIMULINK仿真電路圖

在上述仿真電路圖中，VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6的觸發信號源分別是PG1、PG2、PG3、PG4、PG5、PG6，電阻阻值設定為10歐姆，CM1測量為變壓器二次側電流Id、CM2測量為經過VT1的電流，VM測量變壓器二次側電壓Ud、VM1測量VT1上的電壓，并且所測數據均在一個示波器中顯示。

以a=0°時為例,對三相電來說，最大值為310V；相位相差120°，故對AC1、AC2、AC3分別為0°、-120°、-240°。

調節觸發脈沖時，需要計算對VT1-VT6給定脈沖的時刻，在MATLAB命令行窗口輸入字段如下：

所得結果為：VT1 =0.0017；VT2 =0.0050；VT3 =0.0083；VT4 =0.0117；VT5 =0.0150；VT6 =0.0183。故對PG1觸發時刻修改為0.0017周期修改為0.02；其他時間的出發時刻按計算結果修改即可。

調節電阻阻值，設置10歐姆。

設置示波器7個輸入口，分別檢測變壓器二次側電壓VM，晶閘管VT1電壓VW1，變壓器二次側電流CM1，通過AC的電流CM3， AC1、AC2、AC3兩兩之間的電壓降以及PG1—PG6之間的觸發脈沖。

在電路圖鏈接好之后，對電路進行運行；運行通過過后，點擊示波器，觀察相應波形，a=0°時三相橋式全控整流帶電阻電路仿真圖像，如圖4所示。

圖4 a=0°時三相橋式全控整流帶電阻電路仿真圖像

從觸發角a=0°時的情況可以總結出三相橋式全控整流電路的一些特點如下:
1)每個時刻均需兩個晶閘管同時導通，形成向負載供電的回路，其中一個晶閘管是共陰極組的，一個是共陽極組的，且不能為同一相的晶閘管。
2)對觸發脈沖的要求：六個晶閘管的脈沖按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的順序，相位依次差60°；共陰極組VT1、VT3、VT5的脈沖依次差120°，共陽極組VT4、VT6、VT2，也依次差120°；同一相的上下兩個橋臂，即VT1與VT4，VT3與VT6，VT5與VT2，脈沖相差180°。
3)整流輸出電壓Ua一周期脈動六次，每次脈動的波形都一樣，故該電路為六脈波整流電路。

4)在整流電路合閘啟動過程中或電流斷續時，為確保電路的正常工作，需保證同時導通的兩個晶閘管均有脈沖。為此，可采用兩種方法：一種是使脈沖寬度大于60°(一般取80°— 100°)，稱為寬脈沖觸發；另一種方法是，在觸發某個晶閘管的同時，給前一個晶閘管補發脈沖，即用兩個窄脈沖代替寬脈沖，兩個窄脈沖的前沿相差60°，脈寬一般為20°—30°，稱為雙脈沖觸發。雙脈沖電路較復雜，但要求的觸發電路輸出功率小。寬脈沖觸發電路雖可少輸出一半脈沖，但為了不使脈沖變壓器飽和，需將鐵心體積做得較大，繞組匝數較多，導致漏感增大，脈沖前沿不夠陡，對于晶閘管串聯使用不利。雖可用去磁繞組改善這種情況，但又使觸發電路復雜化。因此，常用的是雙脈沖觸發。

5) a=0°時晶閘管承受的電壓波形示于圖5的VM1。圖中僅給出VT的電壓波形。將此波形與三相半波時圖5中的VT,電壓波形比較可見，兩者是相同的，晶閘管承受最大正、反向電壓的關系也與三相半波時一樣。

圖5還給出了晶閘管VT,流過電流Ivt1的波形，由此波形可以看出，晶閘管一周期中有120處于通態，240°處于斷態，由于負載為電阻，故晶閘管處于通態時的電流波形與相應時段的Ua波形相同。

修改觸發角a=30°，運行得到計算對VT1-VT6給定脈沖的時刻，VT1 =0.0033；VT2 =0.0067；VT3 = 0.0100；VT4 =0.0133；VT5 =0.0167；VT6 =0.0200。運行后得到a=30°時的三相橋式全控整流帶電阻電路仿真圖像，如圖5所示。

圖5 a=30°時三相橋式全控整流帶電阻電路仿真圖像

同理，根據上述原則修改觸發角，分別得到a=60°、a=90°、a=120°的圖像，分別如圖6、圖7、圖8所示。

圖6 a=60°時三相橋式全控整流帶電阻電路仿真圖像

圖7 a=90°時三相橋式全控整流帶電阻電路仿真圖像

圖8 a=120°時三相橋式全控整流帶電阻電路仿真圖像

當觸發角a改變時，電路的工作情況將發生變化。圖5 給出了a=30°時的波形。從wt角開始把一個周期等分為六段，每段為60°。與a =0°時的情況相比，一周期中Ud波形仍由六段線電壓構成，每一段導通晶閘管的編號等仍符合晶閘管的導通及輸出整流電壓情況的規律。區別在于，晶閘管起始導通時刻推遲了30°，組成的每一段線電壓因此推遲30°，Ud平均值降低，晶閘管電壓波形也相應發生了變化。圖中同時給出了變壓器二次側a相電流i，的波形，該波形的特點1是，在VT，處于通態的120°期間，ia為正，ia波形的形狀與同時段的us波形相同，在VT4處于通態的120°期間，ia波形的形狀也與同時段的Ud波形相同，但為負值。

圖6給出了a= 60°時的波形，電路工作情況仍可對照導通及輸出整流電壓情況的規律分析。Ua 波形中每段線Ud電壓的波形繼續向后移，Ud平均值繼續降低。a=60°時Ud出現了為零的點。

由以上分析可見，當a≤60°時，Ud波形均連續，對于電阻負載，ig 波形與ua波形的形

狀是一樣的，也連續。當a>60°時，如a=90°時電阻負載情況下的工作波形如圖7所示，此時Ud波形每60°中有30°為零，這是因為電阻負載時id波形與Ud波形一致，一旦Ud降至零id也降至零，流過晶閘管的電流即降至零，晶閘管關斷，輸出整流電壓Ud為零，因此Ud波形不能出現負值。圖7還給出了晶閘管電流Ivt1和變壓器二次電流ia的波形。

如果a角繼續增大至120°，整流輸出電壓Ud波形將全為零，其平均值也為零，可見帶電阻負載時三相橋式全控整流電路a角的移相范圍是0°—120°。

四、帶阻感負載時的工作狀態

4.1狀態分析

三相橋式整流電路帶阻感負載是僅在電阻負載的情況下，添加了一個電感，原理與帶電阻負載基本相同，在此不再贅述。

4.2 MATLAB/ SIMULINK仿真與分析

經分析三相橋式全控整流電路帶阻感負載原理圖后，在SIMULINK中做出三相橋式全控整流電路仿真電路圖，如圖9所示。

另外，在仿真時，觸發脈沖的給定時間以及三相電源的相位差和最大值均與電阻負載情況下相同。但值得注意的是，在設定電感時，可將其設定為0.5,而不是無窮大。

圖9 三相橋式全控整流電路帶阻感負載SIMULINK仿真電路圖

下面分別是a分別為0°、30°、60°、90°、120°的示波器得到的仿真圖像。

圖10 a=0°時三相橋式全控整流帶阻感負載電路仿真圖像

圖11 a=30°時三相橋式全控整流帶阻感負載電路仿真圖像

圖12 a=60°時三相橋式全控整流帶阻感負載電路仿真圖像

圖13 a=90°時三相橋式全控整流帶阻感負載電路仿真圖像

圖14 a=120°時三相橋式全控整流帶阻感負載電路仿真圖像

當a≤60°時，Ud波形連續，電路的工作情況與帶電阻負載時十分相似，各晶閘管的通斷情況、輸出整流電壓Ud波形、晶閘管承受的電壓波形等都一樣。區別在于由于負載不同，同樣的整流輸出電壓加到負載上，得到的負載電流id波形不同，電阻負載時id波形與Ud波形形狀一樣。而阻感負載時，由于電感的作用，使得負載電流波形變得平直，當電感足夠大的時候，負載電流的波形可近似為一條水平線。圖11和圖12分別給出了三相橋式全控整流電路帶阻感負載a=0°和a= 30°時的波形。

當a >60°時，阻感負載時的工作情況與電阻負載時不同，電阻負載時Ud波形不會出現負的部分，而阻感負載時，由于電感L的作用，Ud波形會出現負的部分。圖14 給出了a=90°時的波形。若電感L值足夠大，Ud中正負面積將基本相等，Ud平均值近似為零。這表明，帶阻感負載時，三相橋式全控整流電路的a角移相范圍為0°—90°。

五、定量分析

帶電阻負載時三相橋式全控整流電路a角的移相范圍是0°—120°；帶阻感負載時，三相橋式全控整流電路的a角移相范圍為0°—90°。

5.1 整流輸出電壓平均值

帶阻感負載時，或帶電阻負載a≤60°時，

帶電阻負載且a>60°時，

5.2 整流輸出電流平均值

5.3 帶反電勢阻感負載時的整流輸出電流平均值