基于Matlab_Simulink的三相桥式全控整流电路的建模与仿真

电力电子技术

题   目：  基于Matlab/Simulink的三相桥式

全控整流电路的建模与仿真     

          系   部：      南湖学院机电系          

专   业：  机械设计制造及其自动化      

班   级：      N机自四班07-4F         

姓   名：                        

学   号：                   

          序   号：             29               

2010年6月 25日

基于Matlab/Simulink的三相桥式

全控整流电路的建模与仿真

摘要 本文在对三相桥式全控整流电路理论分析的基础上，建立了基于Simulink的三相桥式全控整流电路的仿真模型，并对其带电阻负载时的工作情况进行了仿真分析与研究。通过仿真分析也验证了本文所建模型的正确性。

关键词 Simulink建模 仿真 三相桥式全控整流 

对于三相对称电源系统而言，单相可控整流电路为不对称负载，可影响电源三相负载的平衡性和系统的对称性。故在负载容量较大的场合，通常采用三相或多相整流电路。三相或多相电源可控整流电路是三相电源系统的对称负载，输出整流电压的脉动小、控制响应快，因此被广泛应用于众多工业场合。

本文在Simulink仿真环境下，运用PowerSystemBlockset的各种元件模型建立三相桥式全控整流电路的仿真模型，并对其进行仿真研究。

1.三相桥式全控整流电路的工作原理

三相桥式全控整流原理电路结构如图1所示。三相桥式全控整流电路是应用最广泛的整流电路，完整的三相桥式整流电路由整流变压器、6个桥式连接的晶闸管、负载、触发器和同步环节组成（见图1-1）。6个晶闸管以次相隔60度触发，将电源交流电整流为直流电。三相桥式整流电路必须采用双脉冲触发或宽脉冲触发方式，以保证在每一瞬时都有两个晶闸管同时导通（上桥臂和下桥臂各一个）。整流变压器采用三角形/星形联结是为了减少3的整倍次谐波电流对电源的影响。

元件的有序控制，即共阴极组中与a、b、c三相电源相接的三个晶闸管分别为VT1、VT3、VT5，共阳极组中与a、b、c三相电源相接的三个晶闸管分别为 VT、VT。它们可构成电源系统对负载供电的6条整流回路，各整流回路的交流电源电压为两元件所在的相间的线电压。

 图1三相桥式全控整流原理电路

2. 基于Simulink三相桥式全控整流电路的建模

 三相桥式全控整流电路在Simulink环境下，运用PowerSystemBlockset的各种元件模型建立了三相桥式全控整流电路的仿真模型，仿真结构如图2-1所示：

 图2-1 三相桥式全控整流电路的仿真模型

 在模型的整流变压器和整流桥之间接入一个三相电压-电流测量单元V-I是为了观测方便。整流器的输出电压和电流是通过多路测量器测量负载的电压和电流来实现的，当然也可以用电压和电流测量单元直接检测整流器输出单位和电流。在整流器工作中保证触发脉冲与主电路同步很重要，仿真使用的6脉冲发生器是在同步电压过零时作为控制角a=0的位置，因此在整流变压器采用△/Y-11联结时，同步变压器也可以采用△/Y-11联结，同步信号的连接如图2-1所示。在同步信号关系难以确定时，可以发挥仿真的特点，将三相同步信号以不同的顺序连接到6脉冲发生器的AB、BC、CA3个同步输入端，然后运行该模型，观察整流器输出电压波形，如果电压波形在一周期中6个波头连续规则，则该整流器的同步是正确的。负载和控制角可以按需要设定。

3.设置模型参数

三相桥式全控整流电路，电源相电压为220V，整流器输出电压为100V（相电压），观察整流器在不同负载，不同触发角时整流器输出电压、电流波形，测量其平均值。

1、电阻负载（R的值为5欧姆、a=30）

（1）设置模型参数如下：

1）电源参数设置：三相电源的电压峰值380V，频率为50HZ，相位分别为0、-120、-240.

2）整流器变压器参数设置：一次绕组联结（wingding  1  connection）选择Delta(D11),线电压为380V；二次绕组联结（wingding  2  connection）选择Y，线电压为173v，在要求不高时变压器容量、互感等其他参数可以保持默认值不变。

3）同步变压器参数设置：一次绕组联结（wingding  1  connection）选择Delta(D11),线电压为380V；二次绕组联结（wingding  2  connection）选择Y，线电压为15v，其他参数可以保持默认值不变。

4）三相晶闸管整流器参数设置：使用默认值。

5）RLC负载参数设置：R的值为5欧姆，C的值为inf。

6）6脉冲发生器设置：频率为50HZ，脉冲宽度取1，选择双脉冲触发方式。

7）触发角设置：给定alph设置为30.

4. 仿真并观察结果

 设置的仿真参数如下：仿真时间为0.06S，数值算法采用ode15。仿真参数设置完成后即可启动仿真，得到的仿真的如图4-1~4-6图所示。

 图4-1  整流器输入的三相线电压波形

 图4-2  整流器输出的电压波形以及电阻负载时整流器输出的电流波形

 图4-3整流器输出电压平均值

分析观察到的结果：将图4-1所示的三相电压波形与4-2所示的整流电压（图上部）和电流波形（图下部）相比较，整流后的电压是直流，而且波形与三相输入电压波形相对应。整流电压平均值（见图4-3）与计算值Ud=2.34*100cos30V=202.6V相符。因为是电阻负载，整流后的电压和电流波形相同，但Y轴坐标不同。图4-4到图4-6所示分别为整流器交流侧的电流波形。改变控制角可以观察在不同控制角下整流器的工作情况。

1.电阻电感负载（R的值为5欧姆、L的值为0.01h、a=60）

在图2-1中修改负载RLC参数，R的值为5欧姆，L的值为0.01H，C的值为inf，同时将触发角设置为60.为了观察整流器输入电流和输出电压的谐波，在仿真模型中增加了傅立叶（Fourier）分析模块，修改后的仿真模型如图4-7所示。

 图4-7  三相桥式整流电路电阻电感负载（a=60）

 在仿真参数中设置仿真时间为0.16S，重新启动仿真，即可得到阻感负载时整流器输出电压和电流，如图4-8a、4-8b、4-8c所示：

 图4-8a  a=60时整流器输出电压

 图4整流器输出平均电压

 图4-8c  整流器输出电流

 分析观察到的结果：由于电感是储能元件，电感中电流（见图4-8c）有以上升的过程，在启动仿真0.01s以后电流进入稳定状态，电流的脉动很少。

5.结论

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，验证了当触发角为30度时 ，负载电流是连续的；当触发角为60度时时，负载电流不连续。这与当触发角0通过仿真和分析，可知三相桥式全控整流电路的输出电压受控制角α和负载特性的影响，文中应用Matlab的可视化仿真工具simulink对三相桥式全控整流电路的仿真结果进行了详细分析，并与相关文献中采用常规电路分析方法所得到的输出电压波形进行比较，进一步验证了仿真结果的正确性。采用Matlab／Simulink对三相桥式全控整流电路进行仿真分析，避免了常规分析方法中繁琐的绘图和计算过程，得到了一种直观、快捷分析整流电路的新方法。应用Matlab／Simulink进行仿真，在仿真过程中可以灵活改变仿真参数，并且能直观地观察到仿真结果随参数的变化情况。应用Matlab对整流电路故障仿真研究时，可以判断出不同桥臂晶闸管发生故障时产生的波形现象，为分析三相桥式整流电路打下较好的基础，是一种值得进一步应用推广的功能强大的仿真软件，同进也是电力电子技术实验较好辅助工具。

随着社会生产和科学技术的发展，整流电路在自动控制系统、测量系统和发电机励磁系统等领域的应用日益广泛。常用的三相整流电路有三相桥式不可控整流电路、三相桥式半控整流电路和三相桥式全控整流电路，由于整流电路涉及到交流信号、直流信号以及触发信号，同时包含晶闸管、电容、电感、电阻等多种元件，采用常规电路分析方法显得相当繁琐，高压情况下实验也难顺利进行。Matlab提供的可视化仿真工具Simtlink可直接建立电路仿真模型，随意改变仿真参数，并且立即可得到任意的仿真结果，直观性强，进一步省去了编程的步骤。本文利用Simulink对三相桥式全控整流电路进行建模，对不同控制角、桥故障情况下进行了仿真分析，既进一步加深了三相桥式全控整流电路的理论，同时也为现代电力电子实验教学奠定良好的实验基础。

参考文献

1.王沫然 Simulink 4建模及动态仿真 2002

2.黄忠霖 控制系统MATLAB计算及仿真 2001

3.王兆安.黄俊 电力电子技术 2000

4钟麟 王峰.MATLAB仿真技术与应用教程.国防工业出版社.2003

5刘敏 魏玲.《MATLAB通信仿真与技术应用》.国防工业出版社.2001

6孙屹 吴磊.《Simulink通信仿真开发手册》.国防工业出版社，2004