三相橋式全控整流電路的設(shè)計與仿真

.第一章

言1.1設(shè)計背景目前，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類整流電路結(jié)構(gòu)簡單制技術(shù)成熟交流側(cè)輸入功率因數(shù)低向電網(wǎng)注入大量的諧波電流估計發(fā)達國家有60%的電能經(jīng)過變換后才使用，而這個數(shù)字在本世紀初達到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，發(fā)達國家在用戶最終使用的電能中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力系統(tǒng)在通向現(xiàn)代化的進程中力電子技術(shù)是關(guān)鍵技術(shù)之一以毫不夸張地說，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，直流輸電在長距離、大容量輸電時有很大的優(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備中的程控交換機所用的直流電源以前用晶閘管整流電源在已改為采用全控型器件的高頻開關(guān)電源型計算機所需的工作電源、微型計算機內(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種信息技術(shù)裝置都需要電力電子裝置提供電源以可以說信息電子技術(shù)離不開電力電子技術(shù)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現(xiàn)的。隨著社會生產(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)電機勵磁系統(tǒng)等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛三相整流電路有三相橋式不可控整流電路相橋式半控整流電路和三相橋式全控整流電路于整流電路涉及到精品

.交流信號、直流信號以及觸發(fā)信號，同時包含晶閘管、精品

.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，高壓情況下實驗也難順利進行提供的可視化仿真工具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，進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行建模不同控制角故障情況下進行了仿真分析進一步加深了三相橋式全控整流電路的理論，同時也為現(xiàn)代電力電子實驗教學(xué)奠定良好的實驗基礎(chǔ)。此次課程設(shè)計要求設(shè)計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計任務(wù)《閘三橋可整電設(shè)與真一、設(shè)計內(nèi)容及技術(shù)要求：計算機仿真具有效率高、精度高、可靠性高和成本低等特點，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電力電子電或系統(tǒng)分析和設(shè)計中算機仿真不僅可以取代系統(tǒng)的許多繁瑣的人工分析輕勞動強度高分析和設(shè)計能力免因為解析法在近似處理中帶來的較大誤差可以與實物試制和調(diào)試相互補充大限度地降低設(shè)計成本短系統(tǒng)研制周期以說路的計算機仿真技術(shù)大大加速了電路的設(shè)計和試驗過程過本次仿真生可以初步認識電力電子計算機仿真的優(yōu)勢，并掌握電力電子計算機仿真的基本方法。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精品

.電網(wǎng)電壓波動正負10%阻感負載電壓0—連續(xù)可調(diào)。2、設(shè)計內(nèi)容（1）制定設(shè)計方案；(2)電路設(shè)計及主電路元件選擇；(3)動電路和保護電路設(shè)計及參數(shù)計算；器件選擇；(4)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/powersystem中的仿真模塊用法及功能；（2）根據(jù)設(shè)計電路搭建仿真模型；（3）設(shè)置參數(shù)并進行仿真（4）給出不同觸發(fā)角時對應(yīng)電壓電流的波形；4、設(shè)計的總體要求（1）熟悉整流和觸發(fā)電路的基本原理，能夠運用所學(xué)的理論知識分析設(shè)計任務(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；第二章方案選論證2.1方分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，脈動頻精品

.率低的特點，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，對于相當(dāng)于反電動勢負載的電動機來說，它能滿足其電流容量較大，電流脈動小且連續(xù)不斷的要求精品

.。2.2方選課設(shè)題目中給出的正是要求為的直流電動機供電，它的容量為S=，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，但由于其只采用三個晶閘管，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整流。三相可控整流電路的控制量可以很大出電壓脈動較小濾波制滯后時間短此在工業(yè)中幾乎都是采用三相可控整流電路電子設(shè)備中有時也會遇到功率較大的電源，例如幾百瓦甚至超過1—2kw的電源，這時為了提高變壓器的利用率小波紋系數(shù)常采用三相整流電路外由于三相半波可控整流電路的主要缺點在于其變壓器二次側(cè)電流中含有直流分量應(yīng)用中較少采用三相橋式全控整流電路以有效的避免直流磁化作用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相橋式全控整流電路的輸出電流波形便得平直電感足夠大時載電流波形可以近似為一條水平線際應(yīng)用中是小功率場合采用單相可控整流電路。當(dāng)功率超過4KW時到三相負載的平衡采用三相橋式全控整流電路。第三章

電路設(shè)精品

3.1

.主路理析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(dǎo)通，構(gòu)成電流通路此為保證電路啟動或電流斷續(xù)后能正常導(dǎo)通須對不同組別應(yīng)到導(dǎo)通的一對晶閘管同時加觸發(fā)脈沖，所以觸發(fā)脈沖的寬度應(yīng)大于π的寬脈沖。寬脈沖觸發(fā)要求觸發(fā)功率大使脈沖變壓器飽和以可以采用脈沖列代替雙窄脈沖；每隔π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中晶閘管的編號方法使每個周期內(nèi)6個管子的組合導(dǎo)通順序是VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6極組T1的脈沖依次相差2；同一相的上下兩個橋臂，即VT1和VT4，VT3和VT6，VT5VT2脈沖相差π，給分析帶來了方便；當(dāng)α=O時，輸出電壓Ud一周期內(nèi)的波形是6個線電壓的包絡(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倍減小每次脈動的波形都一樣電路又可稱為6脈動整流電路。精品

.同理，三相半波整流電路稱為3脈動整流電路。α>0時，Ud的波形出現(xiàn)缺口，隨著α的增大，缺口增大，輸出電壓平均值降低。α=2π時，輸出電壓為零，所以電阻性負載時，α移相范圍是O～2π；當(dāng)≤α≤π／3時，電流連續(xù)，每個晶閘管導(dǎo)通2π；當(dāng)π／3≤α≤2π／3時，電流斷續(xù)，個晶閘管導(dǎo)通小于2π。23α=π是電阻性負載電流連續(xù)和斷續(xù)的分界點。精品

.第四章

仿真分4．1

建立仿真模（1）首先建立一個仿真的新文件，命名為EQ（2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，晶閘管、RLC負載等。

Electricalsource/ACvoltagesourceMeasurements/Three-phaseV-ImeasurementExtralibrary/three-phaselibrary/6-pulsethyristorbridgeElements/seriesRLCbridgeExtralibrary/controlblocks/synchronized6-pulsegeneratorSimulink/sources/constans（3）將器件建立系統(tǒng)模型圖如下根據(jù)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)置三個交流電壓源Va，Vb，Vc相位角依次相差，得到整流橋的三相電源個Thyristor構(gòu)成整流橋電壓到直流電壓的轉(zhuǎn)換。6個PULSEgenerator產(chǎn)生整流橋的觸發(fā)脈沖，且從上到下分別給號晶閘管觸發(fā)脈沖。精品

.4-14仿1)電源參數(shù)設(shè)置：三相電源的電壓峰值為，可表示為“220*sqrt（2)50Hz相位分別為0、-120°。2）三相晶閘管整流器參數(shù)設(shè)置：使用默認值。3脈沖發(fā)生器設(shè)置：頻率為，脈沖寬度取1°，取雙脈沖觸發(fā)方式。精品

.4)觸發(fā)角設(shè)置：可以根據(jù)需要將alph設(shè)置為30°。5）采用變步長算法ode23tb(stiff／TR。6）負載可以根據(jù)需要設(shè)成純電阻、純電感、阻感等，本次仿真中為電阻負載R=10，阻感負載R=10Ω，L=1H。仿真設(shè)置仿真時間0.06s，數(shù)值算法采用ode23tb(stiff／TR．BDF2)。啟動仿真，根據(jù)三相橋式全控整流電路的原理圖觸發(fā)角α影響輸出電壓進行仿真。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、阻性載時，仿真果對波的變化分析下：（1）時精品

40200-20-4040200-20-4040200-20-400

.Uab,Ubc,Uca4003002001000-100-200-300-40000.0050.010.0150.020.0250.030.0350.040.0450.05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周期內(nèi)有六個波頭且波形與三相輸入電壓波形相對應(yīng)仿真波形是準(zhǔn)確的。因為是電阻負載，整流后的電壓和電流波形相同，但幅值不同。Ia)Ib)Ic)0.0050.0350.0450.05精品

.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，晶閘管一周期中有處于通態(tài)處于斷態(tài)，由于負載為電阻，故晶閘管處于通態(tài)時的電流波形與相應(yīng)時段的u波形相同。以變壓器二次側(cè)a相電流d的波形為例，該波形的特點是，在VT1處于通態(tài)的期間i為正，若i波aa形的形狀與同時段的u波形相同，在VT4處于通態(tài)的期間i波形的形狀da也與同時段的u波形相同，但為負值。變壓器二次側(cè)b相和c相電流的波形與d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角的移相范圍是如果繼續(xù)增大至120°，整流輸出電壓u波形將d全為零，其平均值也為零[5]。負載302520151050150100500-50

Uvt1-100-150-200-250-300-35000.0050.010.0150.020.0250.030.0350.040.0450.05圖4-5反映了通過晶閘管的電流及其電壓VT導(dǎo)通時，相當(dāng)于短路其兩端電壓為零，有電流通過VT關(guān)斷時，電流為零，所受電壓最大值為電源電壓峰精品

.值。精品

.VT的a移相范圍為180°。（2）時-50.0050.010.0150.020.0250.030.0350.040.0450.05精品

.3020100-10-20-303020100-10-20-303020100-10-20-3000.0050.010.0150.02

0.0250.030.0350.040.0450.05

負載α=60°時相比α=30°時輸出電壓、電流，三相電流及晶閘VT1的電壓電流的幅值明顯減小，這是因為它們的幅值大小與cosα的大小成正比。所以所得波形與理論相符合。精品

.（3）時2520151050-5300250200150100500-5000.0050.010.015Ia151050-5-10-15Ib20100-10-20-30Ic3020100-10-2000.0050.010.0150.020.0250.030.0350.040.0450.05精品

.-1

負載-100-200-300-4000.0050.010.0150.030.0350.05α=90°時相比α=30°時輸出電壓、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、阻感負載時仿真結(jié)果對形的變分析如下：（1）當(dāng)別等于0°時，輸出電壓及電流的波形的仿真結(jié)果如下圖所示：精品

.6543210350300250200150100500-5000.0050.010.0150.020.0250.030.0350.040.0450.05α=0°精品

.-2a=30°)109876543210a=60°350300250200150100500-5000.0050.010.0150.020.0250.030.0350.040.0450.05精品

.)

從以上仿真波形圖可知改變不同的控制角出電壓流隨之減小至α=90°時基本為零于電感的存在流的波形基本趨于平直化仿真波形上看稍微有所波動會趨向于零或是在零附近很小的范圍內(nèi)波動仿真結(jié)果基本正確。精品

.2）當(dāng)別等于0°時，電源三相電流波形的仿真結(jié)果對比分析如下：Ia(a=0°阻性載)-5-10Ib(a=0°阻性載)-5-10-15Ic(a=0°阻感性負載)-5-10-150.0050.010.0150.020.0250.030.0350.040.0450.05感性負載

)50-5)50-550-500.010.020.030.04阻性負載）精品

.864206420642000.0050.010.0150.02

)))0.0250.030.0350.040.0450.05感性負載）a=90°阻感性負載）210-1-2a=90°阻感性負載）210-1-2a=90°阻感性載）210-1-200.0050.010.0150.020.0250.030.0350.040.0450.05α=90°感性負載）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α=90精品

.°時基本為零于電感的存在流的波形基本趨于平直化仿真波形上看稍微有所波動過最終會趨向于零或是在零附近很小的范圍內(nèi)波動以真結(jié)果基本正確。3）當(dāng)α分別等于0°、60°時，晶閘管的電流及電壓波形的仿真結(jié)果對比分析如下：

阻感性負載）精品

.76543210/p>

-100-200-300-40000.0150.020.030.0350.045感性負載）感性負載）精品

.感性負載）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電壓VTu隨之減小，直至?xí)r基本為零。由于電感的存在，電流的波形基本趨于平直化真波形上看稍微有所波動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。綜上所述全橋整流電路的仿真結(jié)果基本上與理論知識相一致仿真試驗的任務(wù)基本完成。第五章設(shè)計總通過仿真和分析相橋式全控整流電路的輸出電壓受控制角α負載特性的影響用Matlab的可視化仿真工具simulink對三相橋式全控整流電精品

.路的仿真結(jié)果進行了詳細分析關(guān)文獻中采用常規(guī)電路分析方法所得到的輸出電壓波形進行比較驗證了仿真結(jié)果的正確性Matlab／Simulink對三相橋式全控整流電路進行仿真分析常規(guī)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(yīng)用Matlab進行仿真仿真過程中可以靈活改變仿真參數(shù)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，可以判斷出不同橋臂晶閘管發(fā)生故障時產(chǎn)生的波形現(xiàn)象三相橋式整流電路打下較好的基礎(chǔ)一種值得進一步應(yīng)用推廣的功能強大的仿真軟件進也是電力電子技術(shù)實驗較好輔助工具精品

.。從本文上述系統(tǒng)仿真結(jié)果波形可以看出，利用SIMULINK