三相橋式全控整流及逆變電路matlab仿真

1、電力電子技術(shù)課 程 設(shè) 計(jì)系 別：自動(dòng)化系 專 業(yè)：自動(dòng)化 班 級：1120393 小組成員：費(fèi)學(xué)智（25）薛陽（43） 指導(dǎo)老師：周敏 日 期：2013年12月13日 目錄1. 簡要背景概述32.工作原理介紹33.主電路設(shè)計(jì)44. simulink仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)55. 仿真結(jié)果分析76.總結(jié)（收獲與體會(huì)）177參考文獻(xiàn)17一簡要背景概述隨著社會(huì)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，整流電路在自動(dòng)控制系統(tǒng)、測量系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)等領(lǐng)域的應(yīng)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(fù)載容量較大,輸出直流電壓脈動(dòng)較小,是目前應(yīng)用最為廣

2、泛的整流電路。它是由半波整流電路發(fā)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(lián)而成。六個(gè)晶閘管分別由按一定規(guī)律的脈沖觸發(fā)導(dǎo)通，來實(shí)現(xiàn)對三相交流電的整流，當(dāng)改變晶閘管的觸發(fā)角時(shí)，相應(yīng)的輸出電壓平均值也會(huì)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(fā)信號，同時(shí)包含晶閘管、電容、電感、電阻等多種元件，采用常規(guī)電路分析方法顯得相當(dāng)繁瑣，高壓情況下實(shí)驗(yàn)也難順利進(jìn)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(shù)，并且立即可得到任意的仿真結(jié)果，直觀性強(qiáng)，進(jìn)一步省去了編程的步驟。本文利用Simulink對三相橋式全

3、控整流電路進(jìn)行建模，對不同控制角、橋故障情況下進(jìn)行了仿真分析，既進(jìn)一步加深了三相橋式全控整流電路的理論，同時(shí)也為現(xiàn)代電力電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)奠定良好的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。三相橋式全控整流電路以及三相橋式全控逆變電路在現(xiàn)代電力電子技術(shù)中具有很重要的作用和很廣泛的應(yīng)用。這里結(jié)合全控整流電路以及全控逆變電路理論基礎(chǔ)，采用Matlab的仿真工具Simulink對三相橋式全控整流電路和三相橋式全控逆變電路進(jìn)行仿真，對輸出參數(shù)進(jìn)行仿真及驗(yàn)證，進(jìn)一步了解三相橋式全控整流電路和三相橋式全控逆變電路的工作原理。二 工作原理介紹一般變壓器一次側(cè)接成三角型，二次側(cè)接成星型，晶閘管分共陰極和共陽極。一般1、3、5為共陰極，2、4、6為

4、共陽極。（1）2管同時(shí)通形成供電回路，其中共陰極組和共陽極組各1，且不能為同1相器件。（2）對觸發(fā)脈沖的要求：1)按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的順序，相位依次差60°。2)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°。3)同一相的上下兩個(gè)橋臂，即VT1與VT4，VT3與VT6，VT5與VT2，脈沖相差180°。（3）Ud一周期脈動(dòng)6次，每次脈動(dòng)的波形都一樣，故該電路為6脈波整流電路。（4）需保證同時(shí)導(dǎo)通的2個(gè)晶閘管均有脈沖，可采用兩種方法：一種是寬脈沖觸發(fā)一種是雙脈沖觸發(fā)（常用）

5、（5）晶閘管承受的電壓波形與三相半波時(shí)相同，晶閘管承受最大正、反向電壓的關(guān)系也相同。三相橋式全控整流電路實(shí)質(zhì)上是三相半波共陰極組與共陽極組整流電路的串聯(lián)。在任何時(shí)刻都必須有兩個(gè)晶閘管導(dǎo)通才能形成導(dǎo)電回路，其中一個(gè)晶閘管是共陰極組的，另一個(gè)晶閘管是共陽組的。 6 個(gè)晶閘管導(dǎo)通的順序是按 VT6 VT1 VT1 VT2 VT2 VT3 VT3 VT4 VT4 VT5 VT5 VT6 依此循環(huán)，每隔 60 °有一個(gè)晶閘管換相。為了保證在任何時(shí)刻都必須有兩個(gè)晶閘管導(dǎo)通，采用了雙脈沖觸發(fā)電路，在一個(gè)周期內(nèi)對每個(gè)晶閘管連續(xù)觸發(fā)兩次，兩次脈沖前沿的間隔為 60 °。三相橋式全控整流電路用

6、作有源逆變時(shí)，就成為三相橋式逆變電路。由整流狀態(tài)轉(zhuǎn)換到逆變狀態(tài)必須同時(shí)具備兩個(gè)條件：一定要有直流電動(dòng)勢源，其極性須和晶閘管的導(dǎo)通方向一致，其值應(yīng)稍大于變流器直流側(cè)的平均電壓；其次要求晶閘管的 a 90 °，使 U d 為負(fù)值。所謂逆變，就是要求把負(fù)載（電機(jī)）吸收的直流電能轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟娔芊答伝仉娋W(wǎng)。三相橋式有源逆變電路實(shí)質(zhì)上是三相橋式可控整流電路工作的一個(gè)特定狀態(tài)，三相橋式逆變。要使整流電路工作于逆變狀態(tài)，必須有兩個(gè)條件：(1)變流器的輸出Ud能夠改變極性。因?yàn)榫чl管的單向?qū)щ娦裕娏鱅d不能改變方向，為了實(shí)現(xiàn)有源逆變，必須去改變Ud 的電極性。只要使變流器的控制角>90

7、6;即可。(2)必須要有外接的直流電源E，并且直流電源E也要可以改變極性，并且|E|>|Ud|。上述條件必須同時(shí)滿足，才能實(shí)現(xiàn)有源逆變。三相橋式全控整流電路用作有源逆變時(shí)，就成為三相橋式逆變電路。由整流狀態(tài)轉(zhuǎn)換到逆變狀態(tài)必須同時(shí)具備兩個(gè)條件：一定要有直流電動(dòng)勢源，其極性須和晶閘管的導(dǎo)通方向一致，其值應(yīng)稍大于變流器直流側(cè)的平均電壓；其次要求晶閘管的 a 90 °，使 U d 為負(fù)值三、主電路設(shè)計(jì)（1）主電路原理圖設(shè)計(jì)。圖1三相全控橋整流電路原理圖圖2 三相全控橋有源逆變電路圖（2）主電路計(jì)算及元器件參數(shù)選型在整流電路中，分別觀察觸發(fā)角為0度、30度、60度的波形圖。在逆變電路中，

8、分別觀察觸發(fā)角為90度、120度的波形圖。四、Simulink仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)（1）電路模型的建立圖3 三相全控橋整流電路系統(tǒng)模型 圖4 三相全控橋式逆變電路系統(tǒng)模型（2）各元器件的介紹圖三整流電路中的元器件和圖四逆變電路中的元器件基本相同，不同在于整流電路中使用的是電阻負(fù)載或阻感負(fù)載，而逆變電路中在交流側(cè)接入了外接電源。其余基本相同。（3）模型參數(shù)的設(shè)置整流電路中模塊參數(shù)設(shè)置：三個(gè)交流電壓源的峰值設(shè)置、頻率設(shè)置、相位設(shè)置、阻感設(shè)置、脈沖設(shè)置等如圖。 圖5 圖 圖7 圖8（4）仿真參數(shù)設(shè)置：將開始時(shí)間設(shè)置為“0”，終止時(shí)間設(shè)置為“0.05”，算法設(shè)置為“ode23tb”。 圖9 （5）完成以上步驟

9、后開始仿真，分別設(shè)置觸發(fā)角為0度、30度、60度，觀察并記錄波形圖。 圖10逆變電路中模塊參數(shù)設(shè)置：三個(gè)交流電壓源的峰值設(shè)置為”220*sqrt(2)V”、頻率設(shè)置為50HZ，A相B相C相 相位分別設(shè)置為0度、-120度、-240度，阻感設(shè)置1歐、0.01赫茲。在觸發(fā)角為90度、120度時(shí)進(jìn)行仿真。其余參數(shù)基本與整流電路時(shí)相同，如圖： 圖11（5）仿真結(jié)果 1）整流電路觸發(fā)角在0度、30度、60度時(shí)的仿真結(jié)果： 圖12 圖13 圖14 圖152）逆變電路觸發(fā)角在90度、120度時(shí)的仿真結(jié)果： 圖17 圖18 圖19五 仿真結(jié)果分析通過以上Matlab仿真研究我們可以得出以下結(jié)論：1）三相全控橋

10、式整流電路中：對于純電阻性負(fù)載，當(dāng)觸發(fā)角小于等于90°時(shí)，Ud波形均為正值，直流電流Id與Ud成正比，并且電阻為1歐姆，所以直流電流波形和直流電壓一樣。隨著觸發(fā)角增大，在電壓反向后管子即關(guān)斷，所以晶閘管的正向?qū)〞r(shí)間減少，對應(yīng)著輸出平均電壓逐漸減小，并且當(dāng)觸發(fā)角大于60°后Ud波形出現(xiàn)斷續(xù)。而隨著觸發(fā)角的持續(xù)增大，輸出電壓急劇減小，最后在120°時(shí)幾乎趨近于0。對于晶閘管來說，在整流工作狀態(tài)下其所承受的為反向阻斷電壓。移相范圍為0120。對于阻感性的負(fù)載，當(dāng)觸發(fā)角小于60°時(shí)，整流輸出電壓波形與純阻性負(fù)載時(shí)基本相同，所不同的是，阻感性負(fù)載直流側(cè)電流由于有

11、電感的濾波作用而不會(huì)發(fā)生急劇的變化，輸出波形較為平穩(wěn)。而當(dāng)觸發(fā)角大于等于60°小于90°時(shí)，由于電感的作用，延長了管子的導(dǎo)通時(shí)間，使Ud波形出現(xiàn)負(fù)值，而不會(huì)出現(xiàn)斷續(xù)，所以直流側(cè)輸出電壓會(huì)減小，但是由于正面積仍然大于負(fù)面積，這時(shí)直流平均電壓仍為正值。當(dāng)觸發(fā)角大于90°時(shí)，由于id太小，晶閘管無法再導(dǎo)通，輸出幾乎為0。工作在整流狀態(tài)，晶閘管所承受的電壓主要為反向阻斷電壓。移相范圍為090。電感能夠使電流輸出平穩(wěn)；在沒有續(xù)流二極管的情況下，晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間得到延長，而當(dāng)加入續(xù)流二極管后，電流通過二極管續(xù)流，二極管續(xù)流功率損耗較小，這時(shí)輸出電流相對來說就較不加續(xù)流二極管時(shí)

12、要小，而輸出電壓相對來說卻要大些。 2)三相全控橋式有源逆變電路中：（1）有源逆變是將直流電變成和電網(wǎng)同頻率的交流電并送回到電網(wǎng)中去。逆變的必備條件：a. 變流器的輸出Ud能夠改變極性，且控制角90<<180。b. 有能夠改變極性的直流電源E，且E的絕對值大于Ud的絕對值。（2）利用Matlab中simulink對三相橋式有源逆變電路的仿真結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析，并且只需改變負(fù)載參數(shù)及移相控制角范圍就可實(shí)現(xiàn)電路的仿真，驗(yàn)證仿真結(jié)果的正確性。（3）最小逆變角的確定：為保證逆變能正常工作，使晶閘管的換相能在電壓負(fù)半波換相區(qū)之內(nèi)完成換相，觸發(fā)脈沖必須超前一定的角度，也就是說，逆變角必須要有嚴(yán)格

13、的限制。 a. 換相重疊角。由于整流變壓器存在漏抗，使晶閘管在換相時(shí)存在換相重疊角。值隨電路形式、工作電流大小不同而不同，一般選取15°25°電角度。 b. .晶閘管關(guān)斷時(shí)間Tg所對應(yīng)的電角度。晶閘管從導(dǎo)通到完全關(guān)斷需要一定的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間Tg一般由管子的參數(shù)決定，通常為200300s，折合到電角度約為4°5.4°。c. 安全余量角。由于觸發(fā)電路各元件的工作狀態(tài)會(huì)發(fā)生變化，使觸發(fā)脈沖的間隔出現(xiàn)不均勻既不對稱現(xiàn)象，再加上電源電壓的波動(dòng)，波形畸變等因素，因此必須留有一定的安全余量角，一般為10°左右。 綜合以上因素，最

14、小逆變角+=30°35°。六 總結(jié)（收獲與體會(huì)）通過仿真和分析，可知三相橋式全控整流電路及逆變電路的輸出電壓受控制角和負(fù)載特性的影響，通過應(yīng)用Matlab的可視化仿真工具Simulink對三相橋式全控整流電路及逆變電路的仿真結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)分析，并與常規(guī)電路理論分析方法所得到的輸出電壓波形進(jìn)行比較，進(jìn)一步驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性。采用MatlabSimulink對三相橋式全控整流電路及逆變電路進(jìn)行仿真分析，避免了常規(guī)分析方法中繁瑣的繪圖和計(jì)算過程，得到了一種直觀、快捷分析整流電路的新方法。應(yīng)用MatlabSimulink進(jìn)行仿真，在仿真過程中可以靈活改變仿真參數(shù)，并且能直觀地觀察到仿真結(jié)果隨參數(shù)的變化情況。通過這次課程設(shè)計(jì)，我了解到了整個(gè)電力電子裝置的研制流程。在設(shè)計(jì)主電路、觸發(fā)電路、保護(hù)電路等各個(gè)環(huán)節(jié)中，我不僅對