基于Matlab的三相橋式全控整流電路的仿真研究

摘 要:三相橋式全控整流電路在現代電力電子技術中具有非常重要的作用。這里在研究全控整流電路理論基礎上，采用Matlab的可視化仿真工具Simulink建立三相橋式全控整流電路的仿真模型，對輸出電壓、控制角、故障現象以及負載特性進行了動態仿真與研究。仿真結果表明建模的正確性，并證明了該模型具有快捷、靈活、方便、直觀等一系列特點，從而為電力電子教學及實驗提供了一種較好的輔助工具。

關鍵詞:Matlab; 整流電路; 動態仿真; 建模

中圖分類號:TN710文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)08-0202-03

Research and Simulation of Three-phase Full-bridge Control Rectifier Circuit Based on Matlab

HUANG Jiang-bo1， 2

(1. Yangtze Normal University， Chongqing408100， China;

2. Electrical Engineering College， Chongqing University，Chongqing400044， China)

Abstract:Three-phase full-bridge control rectifier circuit plays animportant role in the modern power electronic technology. The simulation model of three-phase bridge controlled rectifier circuit is established with the visualization simulation tool Simulink of Matlab and by full-bridge control rectifier circuit theory. The dynamic simulation and analysis ofoutput voltage， controlling angle， fault phenomenon and load characteristics were performed. The results show that the simulating model is correct， andhas a series of merits such as high speed， agility， convenience， intuition and so on. Therefore， an efficient auxiliary implement is offered for the design of power electronic circuit.

Keywords:Matlab; rectifier circuit; dynamic simulation; modeling

隨著社會生產和科學技術的發展，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，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[1-3]。本文利用Simulink對三相橋式全控整流電路進行建模，對不同控制角、橋故障情況下進行了仿真分析，既進一步加深了三相橋式全控整流電路的理論，同時也為現代電力電子實驗教學奠定良好的實驗基礎。

1 電路的構成及工作特點

三相橋式全控整流電路原理圖如圖1所示。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(VT1，VT3，VT5)和三相半波共陽極接法(VT4，VT6，VT2)的串聯組合。

圖1 三相橋式全控整流電路原理圖

其工作特點是任何時刻都有不同組別的兩只晶閘管同時導通，構成電流通路，因此為保證電路啟動或電流斷續后能正常導通，必須對不同組別應到導通的一對晶閘管同時加觸發脈沖，所以觸發脈沖的寬度應大于π/3的寬脈沖。寬脈沖觸發要求觸發功率大，易使脈沖變壓器飽和，所以可以采用脈沖列代替雙窄脈沖;每隔π/3換相一次，換相過程在共陰極組和共陽極組輪流進行，但只在同一組別中換相。接線圖中晶閘管的編號方法使每個周期內6個管子的組合導通順序是VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6;共陰極組T1，T3，T5的脈沖依次相差2π/3;同一相的上下兩個橋臂，即VT1和VT4，VT3和VT6，VT5和VT2的脈沖相差π，給分析帶來了方便;當α=0時，輸出電壓Ud一周期內的波形是6個線電壓的包絡線，所以輸出脈動直流電壓頻率是電源頻率的6倍，比三相半波電路高1倍，脈動減小，而且每次脈動的波形都一樣，故該電路又可稱為6脈動整流電路。同理，三相半波整流電路稱為3脈動整流電路。α>0時，Ud的波形出現缺口，隨著α角的增大，缺口增大，輸出電壓平均值降低。當α=2π/3時，輸出電壓為零，所以電阻性負載時，α的移相范圍是0～2π/3;當0≤α≤π/3時，電流連續，每個晶閘管導通2π/3;當π/3≤α≤2π/3時，電流斷續，每個晶閘管導通小于2π/3。23α=π/3是電阻性負載電流連續和斷續的分界點。

2 建模及仿真

2.1 建模

根據三相橋式全控整流電路的原理可以利用Simulink內的模塊建立仿真模型如圖2所示，設置三個交流電壓源Va，Vb，Vc相位角依次相差120°，得到整流橋的三相電源。用6個Thyristor構成整流橋，實現交流電壓到直流電壓的轉換。6個 pulse generator產生整流橋的觸發脈沖，且從上到下分別給1~6號晶閘管觸發脈沖。

圖2 三相橋式全控整流電路仿真模型

2.2 參數設置及仿真

三相電源的相位互差120°，交流峰值電壓為100 V，頻率為60 Hz。晶閘管的參數為:Rn=0.001 Ω，Lon=0.000 1 H，Vf=0 V，Rs=50 Ω，Cs=250×10-9。負載電阻性設R=45 Ω，電感性負載設L=1 H。脈沖發生器脈沖寬度設置為脈寬的50%，脈沖高度為5 V，脈沖周期為0.016 7 s，脈沖移相角隨著控制角的變化對“相位角延遲”進行設置。

(1) 根據三相橋式全控整流電路的原理圖，對不同的觸發角α會影響輸出電壓進行仿真，負載為阻感特性。

當觸發角α=0°時的輸出電壓波形如圖3所示。

圖3 觸發角α=0°時的輸出電壓波形圖

當觸發角α=60°時的輸出電壓波形如圖4所示。

圖4 觸發角α=60°時的輸出電壓波形圖

當觸發角α=90°時的輸出電壓波形如圖5所示。

圖5 觸發角α=90°時的輸出電壓波形圖

從以上仿真波形圖可知改變不同的控制角，輸出電壓在發生不同的變化。

(2) 由于高壓強電流的情況，整流電路晶閘管很容易出現故障。假設以下情況對故障現象進行仿真分析，當α=30°，負載為阻感性時，仿真分析故障產生的波形情況。

只有一個晶閘管故障波形如圖6所示。

圖6 一個晶閘管故障波形圖

同一相的兩個晶閘管故障波形如圖7所示。

圖7 同一相的兩個晶閘管故障波形圖

不同橋且不同相的兩個晶閘管發生故障時的仿真波形如圖8所示。

圖8 不同橋但不同相的兩個晶閘管故障波形圖

從以上故障仿真波形圖來看，不同的晶閘管出現故障時，產生的波形圖是不一樣的，所以，通過動態仿真能有效知道整流電路出現故意時候的工作情況，同時也加深對三相全控整流電路的理解和運用。

3 結 語

通過仿真和分析，可知三相橋式全控整流電路的輸出電壓受控制角α和負載特性的影響，文中應用Matlab的可視化仿真工具Simulink對三相橋式全控整流電路的仿真結果進行了詳細分析，并與相關文獻中采用常規電路分析方法所得到的輸出電壓波形進行比較，進一步驗證了仿真結果的正確性。

采用Matlab/Simulink對三相橋式全控整流電路進行仿真分析，避免了常規分析方法中繁瑣的繪圖和計算過程，得到了一種直觀、快捷分析整流電路的新方法。應用Matlab/Simulink進行仿真，在仿真過程中可以靈活改變仿真參數，并且能直觀地觀察到仿真結果隨參數的變化情況。

應用Matlab對整流電路故障仿真研究時，可以判斷出不同橋臂晶閘管發生故障時產生的波形現象，為分析三相橋式整流電路打下較好的基礎，是一種值得進一步應用推廣的功能強大的仿真軟件，同進也是電力電子技術實驗較好輔助工具。

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