三相桥式全控整流电路仿真..

三相桥式全控整流电路仿真专业 ：班级 ：姓名 ：学号 ：指导教师：摘要 ：三相桥式全控整流电路在现代电力电子技术中具有非常重要的作用。本文在研究全控整流电路理论基础上,采用 Matlab 的可视化仿真工具Simulink 建立三相桥式全控整流电路的仿真模型,对三相电源电压、电流以及负载特性进行了动态仿真与研究，并且对三相电源电流以及负载电流、电压进行FFT分析。仿真结果表明建模的正确性,并证明了该模型具有快捷、灵活、方便、直观等一系列特点 ,从而为电力电子技术课程实验提供了一种较好的辅助工具。关键词 :Matlab ；整流电路；动态仿真；建模三相桥式全控整流电路分析（电阻负载）1 主电路结构及工作原理原理图VT1VT3VT5d1iaidTanbRudcVT4VT6VT2d2图 1 三相桥式全控整流电路原理图（电阻负载）工作原理三相桥式全控整流电路原理图如图1 所示。三相桥式全控整流电路是由三相半波可控整流电路演变而来的,它由三相半波共阴极接法(VT1,VT3,VT5)和三相半波共阳极接法 (VT4,VT6,VT2)的串联组合。其工作特点是任何时刻都有不同组别的两只晶闸管同时导通,构成电流通路 ,因此为保证电路启动或电流断续后能正常导通,必须对不同组别应到导通的一对晶闸管同时加触发脉冲,所以触发脉冲的宽度应大于/3的宽脉冲。宽脉冲触发要求触发功率大,易使脉冲变压器饱和,所以可以采用脉冲列代替双窄脉冲;每隔 /3换相一次,换相过程在共阴极组和共阳极组轮流进行,但只在同一组别中换相。接线图中晶闸管的编号方法使每个周期内6 个管子的组合导通顺序是VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6;共阴极组 VT1,VT3,VT5的脉冲依次相差2/3;同一相的上下两个桥臂 ,即 VT1 和 VT4,VT3和 VT6,VT5和 VT2 的脉冲相差 ,给分析带来了方便 ;当 =0时 ,输出电压 Ud 一周期内的波形是6 个线电压的包络线 ,所以输出脉动直流电压频率是电源频率的6 倍,比三相半波电路高1 倍 ,脉动减小 ,而且每次脉动的波形都一样 ,故该电路又可称为6 脉动整流电路。 0时 ,Ud 的波形出现缺口 ,随着角的增大 ,缺口增大 ,输出电压平均值降低。 当 =2/3 时 ,输出电压为零 ,所以电阻性负载时 , 的移相范围是 02/3;当 0 /3 时,电流连续 ,每个晶闸管导通 2/3;当 /3 2/3 时,电流断续 ,每个晶闸管导通小于 2/3。 = /3 是电阻性负载电流连续和断续的分界点。2 三相桥式全控整流电路建模仿真建模根据三相桥式全控整流电路的原理可以利用Simulink 内的模块建立仿真模型如下图所示 ,设置三个交流电压源 Va,Vb,Vc相位角依次相差 120 ,得到整流桥的三相电源。用 6 个 GTO 构成整流桥 ,实现交流电压到直流电压的转换。 pulse generator 产生整流桥的触发脉冲 ,且从上到下分别给 16 号晶闸管触发脉冲。图 2 三相桥式全控整流电路仿真电路模型参数设置（1）三相电源 UA、UB 和 UC 仿真参数设置：电压峰值为 380V，频率为 50Hz，相位分别为 0、 120、 120。（2）三相晶闸管整流器参数使用默认值。（3）RLC负载仿真参数设置： R=10。（4）脉冲发生器仿真参数设置：频率50Hz，脉冲宽度取 10，选择双脉冲触发方式。（5）控制角仿真参数设置：设置为0、 30、 60、 75、 90。另外，仿真时间可以按需要设置，是任意的，时间长观察到的波形多，计算花费的时间也多。 一般电阻负载 2 个电源周期后电路已进入稳态，电感负载因为电流有上升时间，仿真时间也需要长一些，本例设为。仿真算法采用ode23tb。3 仿真结果及其分析a. 触发角 =0， MATLAB仿真波形如下三 相 电 压10000-1000三相电流1000-100脉冲信号10.50负载电压10005000负载电流10050000.010.020.030.040.050.06图 3 =0三相桥式全控整流电路仿真结果（电阻性负载）b.触发角 =30， MATLAB仿真波形如下三相电压10000-1000三相电流1000-100脉冲信号10.50负载电压8006004002000负载电流10050000.010.020.030.040.050.06图 4 =30三相桥式全控整流电路仿真结果（电阻性负载）c.触发角 =60， MATLAB仿真波形如下三相电压10000-1000三相电流1000-100脉冲信号10.50负载电压8006004002000负载电流10050000.010.020.030.040.050.06图 5 =60三相桥式全控整流电路仿真结果（电阻性负载）d.触发角 =75， MATLAB仿真波形如下三相电压10000-1000三相电流1000-100脉冲信号10.50负载电压8006004002000负载电流10050000.010.020.030.040.050.06图 6 =75三相桥式全控整流电路仿真结果（电阻性负载）e.触发角 =90， MATLAB仿真波形如下三相电压10000-1000三相电流1000-100脉冲信号10.50负载电压10005000-500负载电流100500-5000.010.020.030.040.050.06图 7 =90三相桥式全控整流电路仿真结果（电阻性负载）4 小结本文在对三相桥式全控整流电路理论分析的基础上，利用 MATLAB面向对象的设计思想和电气元件的仿真系统，建立了基于 Simulink 的三相桥式全控整流电路的仿真模型， 并对其进行了仿真研究。 在对三相桥式全控整流电路带电阻负载时的工作情况进行仿真分析的基础上，验证了当触发角0 60 ，负载电流是连续的； 当 60时，负载电流不连续； 同时也验证了三相桥式全控整流电路触发角的移相范围是0 120。通过仿真分析也验证了本文所建模型的正确性。5 FFT分析当触发角 =0时，三相电源电流Ia、Ib、Ic 及负载电流Id 和负载电压 Vd 的 FFT分析a触发角 =0， a 相电流 FFT分析如下Selected signal: 3 cycles. FFT window (in red): 1 cycles500-5000.010.020.030.040.050.06Time (s)Fundamental (50Hz) = 69.45 , THD= 30.74%100)l80atnema 60dnuFfo%(gaM402000510152025303540Harmonic order图 8 =0三相电源电流Ia FFT分析结果（电阻性负载）b触发角 =0， b 相电流 FFT分析如下Selected signal: 3 cycles. FFT window (in red): 1 cycles500-5000.010.020.030.040.050.06Time (s)Fundamental (50Hz) = 69.34 , THD= 30.96%100)80latnema 60dnuFfo40%(gaM2000510152025303540Harmonic order图 9 =0三相电源电流Ib FFT分析结果（电阻性负载）c.触发角 =0， c 相电流 FFT分析如下Selected signal: 3 cycles. FFT window (in red): 1 cycles500-5000.010.020.030.040.050.06Time (s)Fundamental (50Hz) = 69.39 , THD= 30.89%100)80latnema60dnuFfo40%(gaM2000510152025303540Harmonic order图 10 =0三相电源电流Ic FFT分析结果（电阻性负载）d.触发角 =0，负载电流 Id FFT分析如下Selected signal: 3 cycles. FFT window (in red): 1 cycles604020000.010.020.030.040.050.06Time (s)Fundamental (50Hz) = 0.06328 , THD= 6657.26%10000)8000latnema6000dnuFfo4000%(gaM200000510152025303540Harmonic order图 11 =0负载电流Id FFT分析结果（电阻性负载）e.触发角 =0，负载电压Vd FFT分析如下Selected signal: 3 cycles. FFT window (in red): 1 cycles600400200000.010.020.030.040.050.06Time (s)Fundamental (50Hz) = 0.6328 , THD= 6657.26%10000)8000latnema6000dnuFfo4000%(gaM200000510152025303540Harmonic order图 12 =0负载电压Vd FFT分析结果（电阻性负载）当触发角 =75时，三相电源电流Ia、Ib、Ic 及负载电流 Id 和负载电压 Vd 的 FFT分析a触发角 =75， a 相电流 FFT分析如下Selected signal: 3 cycles. FFT window (in red): 1 cycles40200-20-4000.010.020.030.040.050.06Time (s)Fundamental (50Hz) = 18.75 , THD= 101.58%100)80latnema60dnuFfo40%(gaM2000510152025303540Harmonic order图 13 =75三相电源电流Ia FFT分析结果（电阻性负载）b触发角 =75， b 相电流 FFT分析如下Selected signal: 3 cycles. FFT window (in red): 1 cycles40200-20-40-6000.010.020.030.040.050.06Time (s)Fundamental (50Hz) = 29.28 , THD= 90.35%100)80latnema60dnuFfo40%(gaM2000510152025303540Harmonic order图 14 =75三相电源电流Ib FFT分析结果（电阻性负载）c触发角 =75， c 相电流 FFT分析如下Selected signal: 3 cycles. FFT window (in red): 1 cycles6040200-20-4000.010.020.030.040.050.06Time (s)Fundamental (50Hz) = 32.48 , THD= 67.27%100)80latnema60dnuFfo40%(gaM2000510152025303540Harmonic order图 15 =75三相电源电流Ic FFT分析结果（电阻性负载）d触发角 =75，负载电流 Id FFT分析如下Selected signal: 3 cycles. FFT window (in red): 1 cycles604020000.010.020.030.040.050.06Time (s)Fundamental (50Hz) = 11.7 , THD= 221.67%200)lat150nemadnuF 100f o%(ga50M00510152025303540Harmonic order图 16 =75负载电流Id FFT分析结果（电阻性负载）e触发角 =75，负载电压 Vd FFT分析如下Selected signal: 3 cycles. FFT window (in red): 1 cycles600400200000.010.020.030.040.050.06Time (s)Fundamental (50Hz) = 117 , THD= 221.67%200)lat150nemadnuF 100f o%(ga50M00510152025303540Harmonic order图 17 =75负载电压Vd FFT分析结果（电阻性负载）三相桥式全控整流电路分析（阻感负载）1 主电路结构及工作原理原理图VT1VT3VT5d1idiaTLanbudcRVT4VT6VT2d2图 18 三相桥式全控整流电路原理图（阻感负载）工作原理三相桥式全控整流电路原理图如图1 所示。三相桥式全控整流电路是由三相半波可控整流电路演变而来的,它由三相半波共阴极接法(VT1,VT3,VT5)和三相半波共阳极接法 (VT4,VT6,VT2)的串联组合。2 三相桥式全控整流电路建模仿真建模根据三相桥式全控整流电路的原理可以利用Simulink 内的模块建立仿真模型如下图所示 ,设置三个交流电压源Va,Vb,Vc相位角依次相差120 ,得到整流桥的三相电源。用6 个 GTO 构成整流桥 ,实现交流电压到直流电压的转换。pulsegenerator 产生整流桥的触发脉冲 ,且从上到下分别给16 号晶闸管触发脉冲。图 19 三相桥式全控整流电路仿真电路模型参数设置（1）三相电源 UA、UB 和 UC 仿真参数设置：电压峰值为 380V，频率为 50Hz，相位分别为 0、 120、 120（2）三相晶闸管整流器参数使用默认值。（3）RLC负载仿真参数设置： R=10、 L=。（4）脉冲发生器仿真参数设置：频率50Hz，脉冲宽度取 10，选择双脉冲触发方式。（5）控制角仿真参数设置：设置为0、 30、 45、 60、 75、 90。另外，仿真时间可以按需要设置，是任意的，时间长观察到的波形多，计算花费的时间也多。 一般电阻负载 2 个电源周期后电路已进入稳态，电感负载因为电流有上升时间，仿真时间也需要长一些，本例设为。仿真算法采用ode23tb。3 仿真结果及其分析a. 触发角 =0， MATLAB仿真波形如下三相电压10000-1000三相电流1000-100脉冲信号10.50负载电压10005000负载电流10050000.010.020.030.040.050.06图 20 =0三相桥式全控整流电路仿真结果（阻感性负载）b. 触发角 =30， MATLAB仿真波形如下三相电压10000-1000三相电流1000-100脉冲信号10.50负载电压10005000负载电流10050000.010.020.030.040.050.06图 21 =30三相桥式全控整流电路仿真结果（阻感性负载）c. 触发角 =45， MATLAB仿真波形如下三相电压10000-1000三相电流1000-100脉冲信号10.50负载电压10005000负载电流10050000.010.020.030.040.050.06图 22 =45三相桥式全控整流电路仿真结果（阻感性负载）d. 触发角 =60， MATLAB仿真波形如下三相电压10000-1000三相电流1000-100脉冲信号10.50负载电压10005000-500负载电流10050000.010.020.030.040.050.06图 23 =60三相桥式全控整流电路仿真结果（阻感性负载）e. 触发角 =75， MATLAB仿真波形如下三相电压10000-1000三相电流1000-100脉冲信号10.50负载电压10005000-500负载电流10050000.010.020.030.040.050.06图 24 =75三相桥式全控整流电路仿真结果（阻感性负载）f. 触发角 =90， MATLAB仿真波形如下三相电压10000-1000三相电流1000-100脉冲信号10.50负载电压10005000-500负载电流10050000.010.020.030.040.050.06图 25 =90三相桥式全控整流电路仿真结果（阻感性负载）4 小结本文对三相桥式全控整流电路进行了理论分析，利用 MATLAB面向对象的设计思想和自带的电力系统工具箱，建立了基于MATLAB-simulink的三相桥式全控整流电路仿真模型，并对其进行比较研究。 对于电路带阻感性负载时的工作情况，验证了当触发角为0 60时，负载电流连续；当60时，负载电流不连续且出现负的部分；同时验证了触发角的移相范围是0 90。通过仿真分析也验证了本文所建模型的正确性。5 FFT分析当触发角 =0时，三相电源电流Ia、 Ib、 Ic 及负载电流Id 和负载电压 Vd 的 FFT分析a触发角 =0， a 相电流 FFT分析如下Selected signal: 3 cycles. FFT window (in red): 1 cycles500-5000.010.020.030.040.050.06Time (s)Fundamental (50Hz) = 68.72 , THD= 31.73%100)80latnema60dnuFfo40%(gaM2000510152025303540Harmonic order图 26 =0三相电源电流Ia FFT分析结果（阻感性负载）b触发角 =0， b 相电流 FFT分析如下Selected signal: 3 cycles. FFT window (in red): 1 cycles500-5000.010.020.030.040.050.06Time (s)Fundamental (50Hz) = 65.31 , THD= 37.05%100)l80atnema60dnuFfo40%(gaM2000510152025303540Harmonic order图 27 =0三相电源电流Ib FFT 分析结果（阻感性负载）c触发角 =0， c 相电流 FFT分析如下Selected signal: 3 cycles. FFT window (in red): 1 cycles500-5000.010.020.030.040.050.06Time (s)Fundamental (50Hz) = 65.94 , THD= 34.14%100)l80atnema 60dnuFfo%(gaM402000510152025303540Harmonic order图 28 =0三相电源电流Ic FFT分析结果（阻感性负载）d触发角 =0，负载电流 Id FFT分析如下Selected signal: 3 cycles. FFT window (in red): 1 cycles604020000.010.020.030.040.050.06Time (s)Fundamental (50Hz) = 3.78 , THD= 289.32%500)l400atnema300dnuFfo200%(gaM10000510152025303540Harmonic order图 29 =0负载电流Id FFT分析结果（阻感性负载）e触发角 =0，负载电压 Vd FFT分析如下Selected signal: 3 cycles. FFT window (in red): 1 cycles600400200000.010.020.030.040.050.06Time (s)Fundamental (50Hz) = 0.6202 , THD= 6787.86%12000)10000latne8000madnu6000Ffo%(4000gaM200000510152025303540Harmonic order图 30 =0负载电压Vd FFT分析结果（阻感性负载）当触发角 =75时，三相电源电流Ia、Ib、 Ic 及负载电流Id 和负载电压 Vd 的 FFT分析a.触发角 =75， a 相电流 FFT分析如下Selected signal: 3 cycles. FFT window (in red): 1 cycles40200-20-4000.010.020.030.040.050.06Time (s)Fundamental (50Hz) = 28.72 , THD= 59.48%100)80latnema60dnuFfo40%(gaM2000510152025303540Harmonic order图 31 =75三相电源电流Ia FFT分析结果（阻感性负载）b.触发角 =75， b 相电流 FFT分析如下Selected signal: 3 cycles. FFT window (in red): 1 cycles40200-20-40-6000.010.020.030.040.050.06Time (s)Fundamental (50Hz) = 39.9 , THD= 61.99%100)80latnema60dnuFfo40%(gaM2000510152025303540Harmonic order图 32 =75三相电源电流Ib FFT分析结果（阻感性负载）c.触发角 =75， c 相电流 FFT分析如下Selected signal: 3 cycles. FFT window (in red): 1 cycles6040200-20-4000.010.020.030.040.050.06Time (s)Fundamental (50Hz) = 40.75 , THD= 42.28%100)80latnema60dnuFfo40%(gaM2000510152025303540Harmonic order图 33 =75三相电源电流Ic FFT分析结果（阻感性负载）d.触发角 =75，负载电流 Id FFT分析如下Selected signal: 3 cycles. FFT window (in red): 1 cycles604020000.010.020.030.040.050.06Time (s)Fundamental (50Hz) = 5.45 , THD= 353.72%500)400latnema300dnuFfo200%(gaM10000510152025303540Harmonic order图 34 =0负载电流Id FFT分析结果（阻感性负载）e.触发角 =75，负载电压 Vd FFT分析如下Selected signal: 3 cycles. FFT window (in red): 1 cycles600400200000.010.020.030.040.050.06Time (s)Fundamental (50Hz) = 123.8 , THD= 237.77%180160)l140atne120mad100nuFf 80o%(60gaM 402000510152025303540Harmonic order图 35 =0负载电压Vd FFT分析结果（阻感性负载）6 谐波分析当忽略三相桥式可控硅整流电路换相过程和电流脉动，假定交流侧电抗为零，直流电感为无穷大，延迟触发角a 为零，则交流侧电流傅里叶级数展开为：由以上公式可得以下结论：电流中含 6K1（k 为正整数）次谐波，即 5、7、11、13.等各次谐波，各次谐波的有效值与谐波次数成反比，且与基波有效值的比值为谐波次数的倒数。7 参考文献1 洪乃刚 .电力电子和电力拖动控制系统的 Matlab 仿真 M. 北京：机械工业出版社， 2006.3 王兆安 ,刘进军 .电力电子技术 M. 北京 :机械工业出版社， 2009.