摘 要:三相橋式全控整流電路在現(xiàn)代電力電子技術(shù)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(chǔ)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(duì)輸出電壓、控制角、故障現(xiàn)象以及負(fù)載特性進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真與研究。仿真結(jié)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(diǎn)，從而為電力電子教學(xué)及實(shí)驗(yàn)提供了一種較好的輔助工具。

關(guān)鍵詞:Matlab; 整流電路; 動(dòng)態(tài)仿真; 建模

中圖分類(lèi)號(hào):TN710文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):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(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(cè)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(hào)、直流信號(hào)以及觸發(fā)信號(hào)，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[1-3]。本文利用Simulink對(duì)三相橋式全控整流電路進(jìn)行建模，對(duì)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)。

1 電路的構(gòu)成及工作特點(diǎn)

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(lái)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(yáng)極接法(VT4，VT6，VT2)的串聯(lián)組合。

圖1 三相橋式全控整流電路原理圖

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(dòng)或電流斷續(xù)后能正常導(dǎo)通，必須對(duì)不同組別應(yīng)到導(dǎo)通的一對(duì)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π/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(guò)程在共陰極組和共陽(yáng)極組輪流進(jìn)行，但只在同一組別中換相。接線(xiàn)圖中晶閘管的編號(hào)方法使每個(gè)周期內(nèi)6個(gè)管子的組合導(dǎo)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(gè)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(lái)了方便;當(dāng)α=0時(shí)，輸出電壓Ud一周期內(nèi)的波形是6個(gè)線(xiàn)電壓的包絡(luò)線(xiàn)，所以輸出脈動(dòng)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(dòng)減小，而且每次脈動(dòng)的波形都一樣，故該電路又可稱(chēng)為6脈動(dòng)整流電路。同理，三相半波整流電路稱(chēng)為3脈動(dòng)整流電路。α>0時(shí)，Ud的波形出現(xiàn)缺口，隨著α角的增大，缺口增大，輸出電壓平均值降低。當(dāng)α=2π/3時(shí)，輸出電壓為零，所以電阻性負(fù)載時(shí)，α的移相范圍是0～2π/3;當(dāng)0≤α≤π/3時(shí)，電流連續(xù)，每個(gè)晶閘管導(dǎo)通2π/3;當(dāng)π/3≤α≤2π/3時(shí)，電流斷續(xù)，每個(gè)晶閘管導(dǎo)通小于2π/3。23α=π/3是電阻性負(fù)載電流連續(xù)和斷續(xù)的分界點(diǎn)。

2 建模及仿真

2.1 建模

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(gè)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(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1~6號(hào)晶閘管觸發(fā)脈沖。

圖2 三相橋式全控整流電路仿真模型

2.2 參數(shù)設(shè)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(shù)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(fù)載電阻性設(shè)R=45 Ω，電感性負(fù)載設(shè)L=1 H。脈沖發(fā)生器脈沖寬度設(shè)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(duì)“相位角延遲”進(jìn)行設(shè)置。

(1) 根據(jù)三相橋式全控整流電路的原理圖，對(duì)不同的觸發(fā)角α?xí)绊戄敵鲭妷哼M(jìn)行仿真，負(fù)載為阻感特性。

當(dāng)觸發(fā)角α=0°時(shí)的輸出電壓波形如圖3所示。

圖3 觸發(fā)角α=0°時(shí)的輸出電壓波形圖

當(dāng)觸發(fā)角α=60°時(shí)的輸出電壓波形如圖4所示。

圖4 觸發(fā)角α=60°時(shí)的輸出電壓波形圖

當(dāng)觸發(fā)角α=90°時(shí)的輸出電壓波形如圖5所示。

圖5 觸發(fā)角α=90°時(shí)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(fā)生不同的變化。

(2) 由于高壓強(qiáng)電流的情況，整流電路晶閘管很容易出現(xiàn)故障。假設(shè)以下情況對(duì)故障現(xiàn)象進(jìn)行仿真分析，當(dāng)α=30°，負(fù)載為阻感性時(shí)，仿真分析故障產(chǎn)生的波形情況。

只有一個(gè)晶閘管故障波形如圖6所示。

圖6 一個(gè)晶閘管故障波形圖

同一相的兩個(gè)晶閘管故障波形如圖7所示。

圖7 同一相的兩個(gè)晶閘管故障波形圖

不同橋且不同相的兩個(gè)晶閘管發(fā)生故障時(shí)的仿真波形如圖8所示。

圖8 不同橋但不同相的兩個(gè)晶閘管故障波形圖

從以上故障仿真波形圖來(lái)看，不同的晶閘管出現(xiàn)故障時(shí)，產(chǎn)生的波形圖是不一樣的，所以，通過(guò)動(dòng)態(tài)仿真能有效知道整流電路出現(xiàn)故意時(shí)候的工作情況，同時(shí)也加深對(duì)三相全控整流電路的理解和運(yùn)用。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)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(fù)載特性的影響，文中應(yīng)用Matlab的可視化仿真工具Simulink對(duì)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(duì)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(guò)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(guò)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(duì)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)產(chǎn)生的波形現(xiàn)象，為分析三相橋式整流電路打下較好的基礎(chǔ)，是一種值得進(jìn)一步應(yīng)用推廣的功能強(qiáng)大的仿真軟件，同進(jìn)也是電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)較好輔助工具。

參考文獻(xiàn)

[1]嚴(yán)小軍， 趙妮， 秦泓江， 等. 基于 Matlab的 IIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)與仿真[J]. 計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化， 2007(6): 110-112.

[2]潘文霞， 范永威， 陸小花， 等. Matlab在電路教學(xué)中的三種應(yīng)用方法[J]. 電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)， 2006， 18(1): 108-112.

[3]WANG Jiu-he， YIN Hong-ren， ZHANG Jin-long， et al. Study on power decoupling control of three phase voltage source PWM rectifiers[C]. \\: Power Electronics and Motion Control Conference， 2006.

[4]郭淑霞， 高穎， 劉志斌， 等. 基于Matlab的數(shù)字通訊系統(tǒng)仿真研究[J]. 探測(cè)與控制學(xué)報(bào)， 2006， 28(1): 52-55.

[5]洪乃剛. 電力電子和電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)的Matlab仿真[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社， 2006.

[6]張疊群， 曾岳南， 羅彬. 單相PWM整流器能量雙向傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)技術(shù)[J]. 電子設(shè)計(jì)與應(yīng)用， 2008(6): 118-120.

[7]徐德鴻. 電力電子系統(tǒng)建模及控制[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社， 2005.

[8]李傳琦. 電力電子技術(shù)計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)[M]. 北京:電子工業(yè)出版社， 2006.

[9]SOMKUN Sakda， SETHAKUL Panarit， CHUNKAG Viboon. Novel control technique of single-phase PWM rectifier by compensating oUtput ripple voltage[C]//Industrial Technology: IC IT 2005 IEEE Intemrnational Conference\\: \\， 2005: 969-974.

[10]胡學(xué)芝. 基于Matlab的三相電壓型 PWM整流器建模與仿真[J]. 自動(dòng)化與儀器儀表， 2005(6): 73-75.

[11]楊藝瑾， 尹華杰. 電壓型PWM整流器控制器的設(shè)計(jì)[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)， 2007， 30(10): 169-172.

[12]黃凱征， 王旭. PWM整流器空間矢量控制改進(jìn)算法研究[J]. 電氣應(yīng)用， 2009， 28(3): 52-54.