三相橋式全控整流電路的設(shè)計(jì)與仿真

1、第一章 緒 言1.1 設(shè)計(jì)背景目前，各類電力電子變換器的輸入整流電路輸入功率級一般采用不可控整流或相控整流電路。 這類整流電路結(jié)構(gòu)簡單， 控制技術(shù)成熟， 但交流側(cè)輸入功率因數(shù)低， 并向電網(wǎng)注入大量的諧波電流。 據(jù)估計(jì)， 在發(fā)達(dá)國家有60%的電能經(jīng)過變換后才使用，而這個(gè)數(shù)字在本世紀(jì)初達(dá)到 95%。電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中有著非常廣泛的應(yīng)用。據(jù)估計(jì)，發(fā)達(dá)國家在用戶最終使用的電能中， 有 60%以上的電能至少經(jīng)過一次以上電力電子變流裝置的處理。 電力系統(tǒng)在通向現(xiàn)代化的進(jìn)程中， 電力電子技術(shù)是關(guān)鍵技術(shù)之一。 可以毫不夸張地說，如果離開電力電子技術(shù)，電力系統(tǒng)的現(xiàn)代化就是不可想象的。而電能的傳輸中，直流輸

2、電在長距離、大容量輸電時(shí)有很大的優(yōu)勢，其送電端的整流閥和受電端的逆變閥都采用晶閘管變各種電子裝置一般都需要不同電壓等級的直流電源供電。 通信設(shè)備中的程控交換機(jī)所用的直流電源以前用晶閘管整流電源， 現(xiàn)在已改為采用全控型器件的高頻開關(guān)電源。 大型計(jì)算機(jī)所需的工作電源、微型計(jì)算機(jī)內(nèi)部的電源現(xiàn)在也都采用高頻開關(guān)電源。在各種電子裝置中，以前大量采用線性穩(wěn)壓電源供電，由于高頻開關(guān)電源體積小、重量輕、效率高，現(xiàn)在已逐漸取代了線性電源。 因?yàn)楦鞣N信息技術(shù)裝置都需要電力電子裝置提供電源， 所以可以說信息電子技術(shù)離不開電力電子技術(shù)。 近年發(fā)展起來的柔性交流輸電（facts）也是依靠電力電子裝置才得以實(shí)現(xiàn)的。隨著社

3、會生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，整流電路在自動控制系統(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， 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

4、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)。此次課程設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)晶閘管三相橋式可控整流電路，與三相半波整流電路相比，三相橋式整流電路的電源利用率更高，應(yīng)用更為廣泛。1.2 設(shè)計(jì)任務(wù) 晶閘管三相橋式可控整流電路設(shè)計(jì)與仿真一 、設(shè)計(jì)內(nèi)容及技術(shù)要求：計(jì)算機(jī)仿真具有效率高、精度高、可靠性高和成本低等特點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電力電子電路 （或系統(tǒng)） 的分析和設(shè)計(jì)中。 計(jì)算機(jī)仿真不僅可以取代系統(tǒng)的許多繁瑣的人工分析， 減輕勞動強(qiáng)度， 提高分析和設(shè)計(jì)能力， 避免因?yàn)榻馕龇ㄔ诮铺幚碇袔淼妮^大誤差， 還可以與實(shí)物試制和調(diào)試相互補(bǔ)充， 最大限度地降低設(shè)計(jì)

5、成本， 縮短系統(tǒng)研制周期。 可以說， 電路的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)大大加速了電路的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)過程。 通過本次仿真， 學(xué)生可以初步認(rèn)識電力電子計(jì)算機(jī)仿真的優(yōu)勢，并掌握電力電子計(jì)算機(jī)仿真的基本方法。晶閘管三相橋式可控整流電路的電路，參數(shù)要求：電網(wǎng)頻率 f=50hz電網(wǎng)額定電壓u=380v電網(wǎng)電壓波動正負(fù)10%阻感負(fù)載電壓0250v 連續(xù)可調(diào)。2、設(shè)計(jì)內(nèi)容（ 1）制定設(shè)計(jì)方案；（2）主電路設(shè)計(jì)及主電路元件選擇；（3）驅(qū)動電路和保護(hù)電路設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算；器件選擇；（4）繪制電路原理圖；（ 5）總體電路原理圖及其說明。3、仿真任務(wù)要求（ 1）熟悉 matlab/simulink/power system 中的仿真

6、模塊用法及功能；（ 2）根據(jù)設(shè)計(jì)電路搭建仿真模型；（ 3）設(shè)置參數(shù)并進(jìn)行仿真（ 4）給出不同觸發(fā)角時(shí)對應(yīng)電壓電流的波形；4、設(shè)計(jì)的總體要求（ 1）熟悉整流和觸發(fā)電路的基本原理，能夠運(yùn)用所學(xué)的理論知識分析設(shè)計(jì)任務(wù)；（ 2）掌握基本電路的數(shù)據(jù)分析、處理；描繪波形并加以判斷；（ 3）能正確設(shè)計(jì)電路，畫出線路圖，分析電路原理；（ 4）廣泛收集相關(guān)技術(shù)資料；第二章 方案選擇論證2.1 方案分析單相可控電路與三相可控電路相比，有結(jié)構(gòu)簡單，輸出脈動大，脈動頻率低的特點(diǎn)，其不適于容量要求高的情況，而三相可控整流電路有與之基本相反的特點(diǎn)，對于相當(dāng)于反電動勢負(fù)載的電動機(jī)來說，它能滿足其電流容量較大，電流脈動小且連

7、續(xù)不斷的要求。2.2 方案選擇課設(shè)題目中給出的正是要求為 220v 、 20a 的直流電動機(jī)供電，它的容量為 s= kw ，屬于高容量，所以應(yīng)選用三相可控整流電路整流。另外三相橋式整流電壓的脈動頻率比三相半波高一倍，因而所需平波電抗器的電感量也減小約一半。三相半波雖具有接線簡單的特點(diǎn)，但由于其只采用三個(gè)晶閘管，所以晶閘管承受的反向峰值電壓較高，并且電流是單方向的，存在直流磁化問題。基于以上原因，最終我選擇三相橋式全控電路為電機(jī)整流。三相可控整流電路的控制量可以很大， 輸出電壓脈動較小， 易濾波， 控制滯后時(shí)間短， 因此在工業(yè)中幾乎都是采用三相可控整流電路。 在電子設(shè)備中有時(shí)也會遇到功率較大的電

8、源，例如幾百瓦甚至超過1 2kw 的電源，這時(shí)為了提高變壓器的利用率， 減小波紋系數(shù)， 也常采用三相整流電路。 另外由于三相半波可控整流電路的主要缺點(diǎn)在于其變壓器二次側(cè)電流中含有直流分量， 為此在應(yīng)用中較少。而采用三相橋式全控整流電路， 可以有效的避免直流磁化作用。 雖然三相橋 式全控整流電路的晶閘管的數(shù)目比三相半波可控整流電路的少，但是三相橋式全控整流電路的輸出電流波形使得平直， 當(dāng)電感足夠大時(shí)，負(fù)載電流波形可以近似 為一條水平線。在實(shí)際應(yīng)用中，特別是小功率場合，較多采用單相可控整流電路。 當(dāng)功率超過4kw時(shí)，考慮到三相負(fù)載的平衡，因而采用三相橋式全控整流電路。第三章電路設(shè)計(jì)3.1主電路原理

9、分析晶閘管按從1至6的順序?qū)?，為此將晶閘管按圖示的j順序編號，即共陰極組中與a、b、c三相電源相接的3個(gè)晶閘管分別為 vt1、vt3、vt5,共陽極組中與a、b、c 三相電源相接的3個(gè)晶閘管分別為 vt4、vt6、vt2。編號如圖示，晶閘管的導(dǎo)通順序 為 vt1vt2 vt3vt4 vt5 vt6。芯2 xvt4 vt. &vaa圖3-1主電路原理圖其工作特點(diǎn)是任何時(shí)刻都有不同組別的兩只晶閘管同時(shí)導(dǎo)通，構(gòu)成電流通路，因此為保證電路啟動或電流斷續(xù)后能正常導(dǎo)通，必須對不同組別應(yīng)到導(dǎo)通的一對晶閘管同時(shí)加觸發(fā)脈沖，所以觸發(fā)脈沖的寬度應(yīng)大于n/3的寬脈沖。寬脈沖觸發(fā)要求觸發(fā)功率大，易使脈沖變壓

10、器飽和，所以可以采用脈沖列代替雙窄脈 沖；每隔 /3換相一次，換相過程在共陰極組和共陽極組輪流進(jìn)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(gè)周期內(nèi) 6個(gè)管子的組合導(dǎo)通順 序是vt1-vt2-vt3-vt4-vt5-vt6 ;共陰極組t1, t3, t5的脈沖依次相差2九 /3;同一相的上下兩個(gè)橋臂，即 vt1和vt4, vt3和vt6, vt5和vt2的脈 沖相差為給分析帶來了方便；當(dāng)a=om,輸出電壓ud一周期內(nèi)的波形是6個(gè) 線電壓的包絡(luò)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l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。

11、同理，三相半波整流電路稱為 3脈動整流電路。a>0寸,ud的波形出 現(xiàn)缺口，隨著a角的增大，缺口增大，輸出電壓平均值降低。當(dāng)a =2/3時(shí)，輸出電壓為零，所以電阻性負(fù)載時(shí)，a的移相范圍是。2冗/ 3;當(dāng)oca043時(shí)，電流連續(xù)，每個(gè)晶閘管導(dǎo)通 2n/3;當(dāng)n/3& a &幺3時(shí)，電流斷續(xù)，個(gè)晶 閘管導(dǎo)通小于2冗/3。23a =/3是電阻性負(fù)載電流連續(xù)和斷續(xù)的分界點(diǎn)。第四章仿真分析4. 1建立仿真模型(1)首先建立一個(gè)仿真的新文件，命名為 eq(2)提取電路與器件模塊，組成上述電路的主要元件有三相交流電源，品閘管、rlc負(fù)載等。表4-1三相整流電路模型主要元器件元器件名稱提

12、取元器件路徑交流電源electrical source/ac voltage source三相電壓-電流測量單元measurements/three-phasev-i measurement三相晶閘管整流器extra library/three-phase library/6-pulse thyristor bridgerlc負(fù)載elements/series rlc bridge6脈沖發(fā)生器extralibrary/controlblocks/synchronized6-pulsegenerator觸發(fā)角設(shè)定simulink/sources/constans(3)將器件建立系統(tǒng)模型圖如下根據(jù)

13、三相橋式全控整流電路的原理可以利用 simulink內(nèi)的模塊建立仿真模型 如圖2所示，設(shè)置三個(gè)交流電壓源 va, vb, vc相位角依次相差120°,得到整流 橋的三相電源。用6個(gè)thyristor構(gòu)成整流橋，實(shí)現(xiàn)交流電壓到直流電壓的轉(zhuǎn)換。6個(gè)pulse generator產(chǎn)生整流橋的觸發(fā)脈沖，且從上到下分別給16號晶閘管 觸發(fā)脈沖。ccnbrlcue工iigfle-uh-加1 一 m圖4-1三相橋式全控整流電路仿真模型4. 2仿真參數(shù)的設(shè)置1)電源參數(shù)設(shè)置：三相電源的電壓峰值為220vx %巧，可表示為“220*sqrt (2)”,頻率為50hz,相位分別為0、-120°

14、、-240°。2)三相晶閘管整流器參數(shù)設(shè)置：使用默認(rèn)值。3) 6脈沖發(fā)生器設(shè)置：頻率為50hz,脈沖寬度取1° ,取雙脈沖觸發(fā)方式。4)觸發(fā)角設(shè)置：可以根據(jù)需要將 alph設(shè)置為30°、60°、90°。5)采用變步長算法 ode23tb(stiff /tr. bdf2>6)負(fù)載可以根據(jù)需要設(shè)成純電阻、純電感、阻感等，本次仿真中為電阻負(fù)載 r=10q,阻感負(fù)載 r=10q , l=1h。4.3仿真結(jié)果及波形分析設(shè)置仿真時(shí)間0.06s,數(shù)值算法采用ode23tb(stiff /tr bdf2)。啟動仿真,8根據(jù)三相橋式全控整流電路的原理圖，對

15、不同的觸發(fā)角a會影響輸出電壓進(jìn)行仿真。從以下仿真波形圖可知改變不同的控制角，輸出電壓在發(fā)生不同的變化1、阻性負(fù)載時(shí)，仿真結(jié)果對波形的變化分析如下：(1) a =30° 時(shí)30f xj 11 i11l i'j j 4r 'jm1id（a=30空席）2520151050-5ud （a=3ckw00.0050.010.0150.020.0250.030.0350.040.0450.05圖4-2輸出電壓、電流波形3002001000-10(-20(-300-400uab,ubc,uca40000.0050.010.0150.020.0250.030.0350.040.0450

16、.05圖4-3整流器輸入的三相相電壓波形將圖4-3所示三相電壓波形與圖4-2所示的整流電壓相比較，整流后的電壓 是直流，一個(gè)周期內(nèi)有六個(gè)波頭且波形與三相輸入電壓波形相對應(yīng)。 證明仿真波 形是準(zhǔn)確的。因?yàn)槭请娮柝?fù)載，整流后的電壓和電流波形相同，但幅值不同。煙圖4-4三相電流波形圖4-4中各相電流波反映了晶閘管中流過電流的波形，由此波形可以看出， 品閘管一周期中有120。處于通態(tài)，240。處于斷態(tài)，由于負(fù)載為電阻，故品閘 管處于通態(tài)時(shí)的電流波形與相應(yīng)時(shí)段的ud波形相同。以變壓器二次側(cè) a相電流的波形為例，該波形的特點(diǎn)是，在 vt1處于通態(tài)的120°期間，i a為正，若ia 波形的形狀與同

17、時(shí)段的ud波形相同，在vt4處于通態(tài)的120°期間，i a波形的形 狀也與同時(shí)段的ud波形相同，但為負(fù)值。變壓器二次側(cè) b相和c相電流的波形 與變壓器二次側(cè)a相電流的波形相同，只是相位不同，依次相差120。a角的移相范圍是120。，如果繼續(xù)增大至120。，整流/出電壓ud波形將 全為零，其平均值也為零50ma=3帽性負(fù)載）刖除p圖4-5 晶閘管vt1的電流（vti）和電壓（vtu）圖4-5反映了通過晶閘管的電流及其電壓，vt導(dǎo)通時(shí)，相當(dāng)于短路其兩端電壓為零，有電流通過，vt關(guān)斷時(shí)，電流為零，所受電壓最大值為電源電壓峰 值。vt的a移相范圍為180(2) a =60° 時(shí)id

18、(a=60w圖4-6輸出電壓、電流波形r紀(jì)hie時(shí)圖4-7三相電流波形10rte ：i-wr圖4-9 輸出電壓、電流波形11圖4-8晶閘管vt1的電流（vti）和電壓（vtu）a =60°時(shí)相比a =30°時(shí)輸出電壓、電流，三相電流及晶閘管 vt1的電壓電流的幅值明顯減小，這是因?yàn)樗鼈兊姆荡笮∨ccos a的大小成正比。所以所得波形與理論相符合25(3) a =90° 時(shí)/ 1 j1 ( jil(20151050id（a=90阻性負(fù)載）-5ud （ a=90°阻性負(fù)載）f 口hela (a=9ffi性負(fù)耨remist圖4-10三相電流波形',p:

19、'.廣圖4-11 晶閘管vt1的電流（vti）和電壓（vtu）14a =90°時(shí)相比a=30°、60°時(shí)輸出電壓、電流，三相電流及晶閘管vt1 的電壓電流的幅值明顯減小，基本趨向于零。所得波形與理論相符合。2、阻感性負(fù)載時(shí)，仿真結(jié)果對波形的變化分析如下：(1)當(dāng)a分別等于0°、30°、60°、90°時(shí)，輸出電壓及電流的波形的仿 真結(jié)果如下圖所示：4產(chǎn)產(chǎn)一萬c 210353025204 ru da=01感性負(fù)載) nn0nl11j0 111 1 1 1 0i1111 i11i 1151050-50i ii 1i 11

20、i1 1011i1jii1 1i 111；11ij111 10d(a=ffi感性渙載600.0050.010.0150.020.0250.030.0350.040.0450.05征d留圖4-12 輸出電壓、電流波形(a=0° )16id（a=301感生負(fù)載）14_ 121086420-2ud （a=30阻感性負(fù)載16圖4-13 輸出電壓、電流波形（a =30° ）10id（a=60fi感性負(fù)載）,9876543210圖4-14 輸出電壓、電流波形（ a =60° ）id（a=90阻感性負(fù)載）圖4-16三相電流波形（a=0°阻感性負(fù)載）18圖4-15 輸出

21、電壓、電流波形（a =90° ）從以上仿真波形圖可知改變不同的控制角， 輸出電壓、電流隨之減小，直至 a =900時(shí)基本為零。由于電感的存在，電流的波形基本趨于平直化。從仿真波形上看稍微有所波動，不過最終會趨向于零或是在零附近很小的范圍內(nèi)波動。 所 以，仿真結(jié)果基本正確。2）當(dāng)a分別等于0°、30°、60°、90°時(shí)，電源三相電流波形的仿真結(jié)果 對比分析如下：151050-5-10151050-5-10-151050-5-10-151- -h11ri1ia（a=0。阻感性負(fù)載）ib（a=0。阻感性負(fù)載）6-工r fiic（a=0 °阻

22、感性負(fù)載）1il - 0.0050.010.0150.020.0250.030.0350.040.04500.05圖4-17 三相電流波形（a =30°阻感性負(fù)載）圖4-18三相電流波形（a =60°阻感性負(fù)載）23la （a=90阻感性負(fù)載）圖4-19三相電流波形（a =90°阻感性負(fù)載）從以上仿真波形圖可知改變不同的控制角， 三相電流隨之減小，直至a =90° 時(shí)基本為零。由于電感的存在，電流的波形基本趨于平直化。從仿真波形上看稍 微有所波動，不過最終會趨向于零或是在零附近很小的范圍內(nèi)波動。所以，仿真結(jié)果基本正確。3）當(dāng)a分別等于0°、30

23、°、60°、90°時(shí)，晶閘管vt1的電流及電壓波形的 仿真結(jié)果對比分析如下：-1ivtl （a=0°阻感性負(fù)載）65432103002001000-100-200-300uvtl （a=0°阻感性負(fù)載）0.0450.05-400圖4-20晶閘管vt1的電流vti和電壓vtu （ a =0°阻感性負(fù)載）7ivt1 （ a=30阻感性負(fù)載）65432l /10-1300uvt1 （a=30阻感性負(fù)載）2001000-100-200-300-400 00.0050.010.0150.020.0250.030.0350.040.0450.05

24、圖4-21晶閘管vt1的電流vti和電壓vtu （ a =30°阻感性負(fù)載）1086卜 1ivt1 (a=60 阻感性負(fù)載）42k-10-2300uvt1 （a=60祖感性負(fù)載）2001000-100-200-300jt-40000.0050.010.0150020.0250.030.0350.040.0450.05圖4-22晶閘管vt1的電流vti和電壓vtu （ a =60°阻感性負(fù)載）3 |2.52 ,_,1.510.5i 1,0_ -0.5uvt1（a=90阻感性負(fù)載）600i500 ,400300._,_.,x, .,/j"n/'200 1/ /

25、 / /1000 ,_ |-，,xjjt- 100 .- 200 - 300- 400i00.0050.010.0150.020.0250.030.0350.040.0450.05圖4-23晶閘管vt1的電流vti和電壓vtu （ a =90°阻感性負(fù)載）從以上仿真波形圖可知改變不同的控制角，晶閘管vt1的電流vti和電壓vtu隨之減小，直至a =90°時(shí)基本為零。由于電感的存在，電流的波形基本趨于平 直化。從仿真波形上看稍微有所波動，不過最終會趨向于零或是在零附近很小的 范圍內(nèi)波動。所以，仿真結(jié)果基本正確。綜上所述，三項(xiàng)全橋整流電路的仿真結(jié)果基本上與理論知識相一致，所以仿

26、真試驗(yàn)的任務(wù)基本完成。第五章設(shè)計(jì)總結(jié)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a和負(fù)載特性的影響，文中應(yīng)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(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)分析，并與相關(guān)文獻(xiàn)中采用常規(guī)電路分析方法所得 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 matlab / simulink對三相橋式全控整流電路進(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matlab /simulink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。應(yīng)用 matlab 對整流電路故障仿真研究時(shí)，可以判斷出不同橋臂晶閘管發(fā)生故障時(shí)