三相可控整流电路的MATLAB仿真

目录

绪论 .................................................................................................................................................. 1 第一章 三项半波可控整流电路 ..................................................................................................... 3

1.1 电路结构 ........................................................................................................................... 3 2.2 工作原理 ........................................................................................................................... 3 1.3 基本数量关系 ................................................................................................................... 4 第二章 三项桥式全控整流电路 ..................................................................................................... 5

2.1 电路结构 ........................................................................................................................... 5 2.2 工作原理 ........................................................................................................................... 5 2.3 基本数量关系 ................................................................................................................... 6 第三章 三项半波可控整流电路仿真 ............................................................................................. 8

3.1建立仿真模型 .................................................................................................................... 8 3.2 参数设置 ........................................................................................................................... 8 3.3 仿真结果 ........................................................................................................................... 9 3.4 小结 ................................................................................................................................. 11 第四章 三项桥式全控整流电路仿真 ........................................................................................... 12

4.1建立仿真模型 .................................................................................................................. 12 4.2 参数设置 ......................................................................................................................... 13 4.3 仿真结果 ......................................................................................................................... 14 4.4 小结 ................................................................................................................................. 17 结语 ................................................................................................................................................ 18 参考文献......................................................................................................................................... 19

绪论

整流电路是出现最早的电力电子电路，将交流电变为直流电，电路形式多种多样。大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成。当整流负载容量较大，或要求直流电压脉动较小时，应采用三相整流电路。其交流侧由三相电源供电。三相可控整流电路中，最基本的是三相半波可控整流电路，应用最为广泛的是三相桥式全控整流电路、以及双反星形可控整流电路、十二脉波可控整流电路等。

随着时代的进步和科技的发展，拖动控制的电机调速系统在工农业生产、交通运输以及日常生活中起着越来越重要的作用，因此，对电机调速的研究有着积极的意义.长期以来，直流电机被广泛应用于调速系统中，而且一直在调速领域占居主导地位，这主要是因为直流电机不仅调速方便，而且在磁场一定的条件下，转速和电枢电压成正比，转矩容易被控制；同时具有良好的起动性能，能较平滑和经济地调节速度。因此采用直流电机调速可以得到良好的动态特性。由于直流电动机具有优良的起、制动性能，宜与在广泛范围内平滑调速。在轧钢机、矿井卷机、挖掘机、金属切削机床、造纸机、高层电梯等需要高性能可控硅电力拖动的领域中得到广泛应用。近年来交流调速系统发展很快，然而直流拖动控制系统毕竟在理论上和在时间上都比较成熟，而且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流拖动系统的基础，长期以来，由于直流调速拖动系统的性能指标优于交流调速系统。因此，直流调速系统一直在调速系统领域内占重要位置。

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。它是由半波整流电路发展而来的。由一组共阴极的三相半波可控整流电路和一组共阳极接法的晶闸管串联而成。六个晶闸管分别由按一定规律的脉冲触发导通，来实现对三相交流电的整流，当改变晶闸管的触发角时，相应的输出电压平均值也会改变，从而得到不同的输出。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是一种广泛应用于工程计算及数值分析领域的新型高级语言，自1984年推向市场以来，历经二十多年的发展与竞争，现已成为国际公认的最优

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秀的工程应用开发环境，在欧美各高等院校，Matlab 已经成为线性代数、数值分析、数理统计、自动控制理论、数字信号处理、时间序列分析、动态系统仿真、图像处理等课程的基本教学工具，已成为大学生必须掌握的基本技能之一。Matlab 功能强大、简单易学、编程效率高，深受广大科技工作者的欢迎。

Matlab提供的可视化仿真工具Simulink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。

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第一章 三项半波可控整流电路

1.1 电路结构

为了得到零线变压器二次侧接成星形得到零线，为了给三次谐波电流提供通路，减少高次谐波的影响，变压器一次绕组接成三角形，为△/Y接法。三个晶闸管分别接入a、b、c三相电源，其阴极连接在一起为共阴极接法，这种接法触发电路有公共端，连线方便。如图1-1

TrVT1VT2VT3idRud图1-1 三相半波可控整流电路原理图

2.2 工作原理

假设将电路中的晶闸管换作二极管，并用VD表示，该电路就成为三相半波可控整流电路。此时，三个二极管对应的相电压中哪一个的值最大，则该相对应的二极管导通，并使另两相的二极管承受反压关断，输出整流电压即为该相的相电压，波在相电压的交点处，均出现了二极管换相，即电流由一个二极管向另一个二极管转移，称这些交点为自然换相点。自然换相点是各相晶闸管能触发导通的最早时刻，将其作为计算各晶闸管触发角的起点，即0。要改变触发角只能是在此基础上增大它，即沿时间坐标轴向右移。

稳定工作时，三个晶闸管的触发脉冲互差120，规定t/6为控制角的起点，称为自然换相点。三相半波共阴极可控整流电路自然换相点是三相电源相电压正半周波形的交叉点，在各相相电压的/6处，即t1、t2、t3，自然换相点之间互差2/3，三相脉冲也互差120。

在t1-t2区间，有UuUv，UuUw，U相电压最高，VT1承受正向电压，在t1时刻触发VT1导通，导通角120，输出电压UdUu。其他两个晶闸管承受反向电压而不能导通。VT1通过的电流It1与变压器二次侧u相电流波形相同，大小相等，可在负载电阻R两端测试。

在t2-t3区间，有UuUv，V相电压最高，VT2承受正向电压，在t2时刻触发VT2导通，UdUv。VT1两端电压Ut1UuUvUuv0，晶闸管VT1承受反向电压关断。

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在t3-t4区间，有UwUv，W相电压最高，VT3承受正向电压，在t3时刻触发VT3导通，UdUw。VT2两端电压Ut2UuUwUvw0，晶闸管VT2承受反向电压关断。在VT3导通期间VT1两端电压Ut1UuUwUuw0。

这样在一个周期内，VT1只导通120，在其余240时间承受反向电压而处于关断状态。只有承受高电压的晶闸管元件才能被触发导通，输出电压ud波形是相电压的一部分，每周期脉动三次，是三相电源相电压正半波完整包络线，输出电流id与输出电压ud波形相同 (id=ud/R)。

电阻性负载0时，VT1在VT2、VT3导通时仅承受反压，随着的增加，晶闸管承受正向电压增加；其他两个晶闸管承受的电压波形相同，仅相位依次相差120。增大，则整流电压相应减小。30是输出电压、电流连续和断续的临界点。当30时，后一相的晶闸管导通使前一相的晶闸管关断。当30时，导通的晶闸管由于交流电压过零变负而关断后，后一相的晶闸管未到触发时刻，此时三个晶闸管都不导通，直到后一相的晶闸管被触发导通。

若角继续增大，整流电压降越来越小，150时，整流输出电压为零。 晶闸管承受最大正向电压是变压器二次相电压的峰值，UfmU2，晶闸管承受最大反向电压是变压器二次线电压的峰值。150时输出电压为零，所以三相半波整流电路电阻性负载移相范围是0～150。 1.3 基本数量关系

整流电压的平均值分两种情况： （1）30时，负载电流连续，有：

1Ud2U2sintd (t)1.17U2cos2/36

56

当0时，Ud为最大，Ud=Ud0=1.17U2。

（2）30时，负载电流断续，晶闸管导通角减小，此时有：

1Ud2U2sintd(t)0.675U2[1cos(/6)] 2/36

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第二章 三项桥式全控整流电路

2.1 电路结构

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(VT1，VT6，VT2)的串联组合。如图2-1所示：

图 2-1 三相桥式全控整流电路的电路原理图

2.2工作原理

1.三相桥式全控整流电路特性分析

在三相桥式全控整流电路中，对共阴极组和共阳极组是同时进行控制的，控制角都是。由于三相桥式整流电路是两组三相半波电路的串联，因此整流电压为三相半波时的两倍。很显然在输出电压相同的情况下，三相桥式晶闸管要求的最大反向电压，可比三相半波线路中的晶闸管低一半。

为了分析方便，使三相全控桥的六个晶闸管触发的顺序是1-2-3-4-5-6，晶闸管是这样编号的：晶闸管VT1和VT4接a相，晶闸管VT3和VT6接b相，晶管VT5和VT2接c相（见图3-1）。

晶闸管VT1、VT3、VT5组成共阴极组，而晶闸管VT2、VT4、VT6组成共阳极组。

为了搞清楚变化时各晶闸管的导通规律，分析输出波形的变化规则，下面研究几个特殊控制角，先分析0的情况，也就是在自然换相点触发换相时的情况。

为了分析方便起见，把一个周期等分6段。

在第（1）段期间，a相电压最高，而共阴极组的晶闸管VT1被触发导通，b相电位最低，所以供阳极组的晶闸管VT6被触发导通。这时电流由a相经VT1流向负载，再经VT6流入b相。变压器a、b两相工作，共阴极组的a相电流为正，

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共阳极组的b相电流为负。加在负载上的整流电压为：

UdUaUbUab

经过60后进入第(2)段时期。这时a相电位仍然最高，晶闸管VT1继续导通，但是c相电位却变成最低，当经过自然换相点时触发c相晶闸管VT2，电流即从b相换到c相，这时电流由a相流出经VT1、负载、VT2VT6承受反向电压而关断。流回电源c相。变压器a、c两相工作。这时a相电流为正，c相电流为负。在负载上的电压为：

UdUaUcUac

再经过60，进入第(3)段时期。这时b相电位最高，共阴极组在经过自然换相点时，触发导通晶闸管VT3，电流即从a相换到b相，c相晶闸管VT2因电位仍然最低而继续导通。此时变压器b、c两相工作，在负载上的电压为：

UdUbUcUbc 余相依此类推。 2.带电阻负载时的工作情况：

(1)当60时，Ud波形均连续，对于电阻负载，Id波形与Ud波形形状一样，也连续

(2)当60时，Ud波形每60中有一段为零，Ud波形不能出现负值 (3)带电阻负载时三相桥式全控整流电路角的移相范围是120。 3.晶闸管及输出整流电压的情况如表1所示 ：

表 1

时段 共阴级组中导通的晶闸管 共阴级组中导通的晶闸管 整流输出电压 I II III IV V VI VT1 VT1 VT2 VT3 VT2 VT3 VT4 VT5 VT4 VT5 VT6 VT6 ub-ua=ubc ua-uc=uac ub-uc=ubc ub-ua=ubc uc-ua=uca uc-ub=ucb 2.3 基本数量关系

(1)当整流输出电压连续时（即带阻感负载时，或带电阻负载60时）的平均值为：

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(2)带电阻负载且60时，整流电压平均值为：

输出电流平均值为：IdUd/R。

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第三章 三项半波可控整流电路仿真

3.1建立仿真模型

（1）首先建立一个仿真的新Model，命名为FZ。

（2）在Simulink中提取电路与器件模块，组成上述电路的主要元件有三相交流电源，晶闸管、RLC负载、脉冲发生器等。

表2 三相半波可控整流电路模型主要元器件

元器件名称 交流电源 提取元器件路径 SimPowerSystems/Electrical Source/AC Voltage Source 晶闸管 SimPowerSystems/Extra Library/Power Electronics/Detailed Thyristor RLC负载 脉冲发生器

SimPowerSystems/Elements/Series RLC Branch Simulink/Sources/Pulse Generator （3）将器件建立系统模型图如下

图 3-1 三相半波可控整流电路模型

3.2 参数设置

参数设置：三相电源电压设置为单相100V，频率设为50Hz，相位角分别为

30、-90、-210。三个晶闸管，只要有适当的触发信号，便可以使相应晶闸

管在对应的时刻导通，其参数采用默认设置。设置同步电压的频率跟脉冲宽度分别为50Hz和10%，

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对应0的三个相相应触发延迟时间为（0ms、6.67ms、13.33ms），对应60的三个相相应触发延迟时间为（5ms、11.67ms、18.33ms），对应90的三个相相应触发延迟时间为(5ms、11.67ms、18.33ms)。 选择算法为ode23tb，stop time 设为0.06。 1.电阻负载仿真

设置电路负载为纯电阻性，R1。

以下是分别在0（图3-2）、60（图3-3）、90（图3-4）时的仿真结果。

2.阻感负载仿真

设置电路负载为阻感性，R1，L0.02H。

以下是分别在0（图3-5）、60（图3-6）、90（图3-7）时的仿真结果。 3.3 仿真结果

图 3-2 阻性负载 

0

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图 3-3 阻性负载 60

图 3-4 阻性负载 90

图 3-5 阻感性负载 0

图 3-6 阻感性负载 60

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图 3-7 阻感性负载 90

3.4 小结

1.对于纯电阻性负载，0时的工作原理分析：晶闸管的电压波形，由3段组成：

第1段，VT1导通期间，为一管压降，可近似为Ut10

第2段，在VT1关断后，VT2导通期间，Ut1UuUvUuv，为一段线电压。 第3段，在VT3导通期间，Ut1UuUwUuw，为另一段线电压。

30时的波形负载电流处于连续和断续之间的临界状态，各相仍导电120。

30的情况，负载电流断续，晶闸管导通角小于120。

2.对于阻感性负载，30时，整流电压波形与电阻负载时相同。

30时，u2过零时，VT2不关断，直到VT2 的脉冲到来才换流，由VT2导通向负载供电，同时向VT2施加反压使其关断，因此ud波形中会出现负的部分。id波形有一定的脉动，但为简化分析及定量计算，可将id近似为一条水平线。阻感负载时的移相范围为90。

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第四章 三项桥式全控整流电路仿真

4.1建立仿真模型

（1）首先建立一个仿真的新Model，命名为FZ。

（2）在Simulink中提取电路与器件模块，组成上述电路的主要元件有三相交流电源，晶闸管、RLC负载、脉冲发生器等。

表3 三相全桥整流电路模型主要元器件

元器件名称 交流电源 提取元器件路径 SimPowerSystems/Electrical Source/AC Voltage Source 通用整流桥 SimPowerSystems/Extra Library/Power 第 12 页

Electronics/Universal Bridge RLC负载 6脉冲发生器 SimPowerSystems/Elements/Series RLC Branch SimPowerSystems/Extralibrary/Control Blocks/Synchronized6-Pulse Generator 触发角设定 （3）将器件建立系统模型图如下

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图4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个晶闸管构成整流桥，实现交流电压到直流电压的转换。6个Pulse Generator产生整流桥的触发脉冲，且从上到下分别给1～6号晶闸管触发脉冲。

Simulink/Sources/Constans

图 4-1 三相桥式全控整流电路的仿真模型

4.2 参数设置

参数设置：三相电源电压设置为单相100V，频率设为50Hz，相位角分别为

0、-120、-240。三相晶闸管整流桥相当于六个晶闸管，只要有适当的触发

信号，便可以使相应晶闸管在对应的时刻导通，其参数采用默认设置。设置同步电压的频率跟脉冲宽度分别为50Hz和10%，“alpha_deg”是移相控制角信号输入端，通过设置输入信号给它的常数模块参数便可以得到不同的触发角α，从而产生给出间隔60的双脉冲。选择算法为ode23tb，stop time 设为0.06。 1.电阻负载仿真

设置电路负载为纯电阻性，R10。

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以下是分别在0（图4-2）、30（图4-3）、60（图4-4）、90（图4-5）、120（图4-6）时的仿真结果。 2.阻感负载仿真

设置电路负载为阻感性，R10，L0.1H。

以下是分别在0（图4-7）、30（图4-8）、60（图4-9）、90（图4-10）时的仿真结果。 4.3 仿真结果

图 4-2 阻性负载 

0

图 4-3 阻性负载30

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图 4-4 阻性负载60

图 4-5 阻性负载90

图 4-6 阻性负载

120

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图 4-7 阻感性负载0

图 4-8 阻感性负载30

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图 4-9 阻感性负载60

图 4-10 阻感性负载90

4.4 小结

通过以上的波型图，我们可以得出以下结论：

1.对于纯电阻性负载，当触发角小于等于90时，Ud波形均为正值，直流电流Id与Ud成正比，并且电阻为10欧姆，所以直流电流波形和直流电压一样。随着触发角增大，在电压反向后管子即关断，所以晶闸管的正向导通时间减少，对应着输出平均电压逐渐减小，并且当触发角大于60后Ud波形出现断续。而随着触发角的持续增大，输出电压急剧减小，最后在120时几乎趋近于0。对于晶闸管来说，在整流工作状态下其所承受的为反向阻断电压。移相范围为0～120。 2.对于阻感性的负载，当触发角小于60时，整流输出电压波形与纯阻性负载时基本相同，所不同的是，阻感性负载直流侧电流由于有电感的滤波作用而不会发生急剧的变化，输出波形较为平稳。而当触发角大于等于60小于90时，由于电感的作用，延长了管子的导通时间，使Ud波形出现负值，而不会出现断续，所以直流侧输出电压会减小，但是由于正面积仍然大于负面积，这时直流平均电压仍为正值。当触发角大于90时，由于id太小，晶闸管无法再导通，输出几乎为0。工作在整流状态，晶闸管所承受的电压主要为反向阻断电压。移相范围为

0～90。电感能够使电流输出平稳；在没有续流二极管的情况下，晶闸管的导

通时间得到延长，而当加入续流二极管后，电流通过二极管续流，二极管续流功率损耗较小，这时输出电流相对来说就较不加续流二极管时要小，而输出电压相对来说却要大些。

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结语

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和负载特性的影响，通过应用Matlab的可视化仿真工具Simulink对三相可控整流电路的仿真结果进行了详细分析，并与常规电路理论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对三相可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。

从本文上述系统仿真结果波形可以看出，利用Simulink对系统建模及仿真的结

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果(波形)具有真实性和极高的可信度。利用该方法还能对非常复杂的电路、电力电子变流系统、电力拖动自动控制系统进行建模仿真。系统的建模和实际系统的设计过程非常的相似，用户不用进行编程，也无需推导电路、系统的数学模型，就可以很快得到系统的仿真结果。通过对仿真结果分析就可以将系统结构进行改进或将 有关参数进行修改使系统达到要求的结果和性能，这样就大大加快了系统的分析或设计过程。

本文还反映出利用Matlab提供的电力系统工具箱，可以方便、快捷地对所研究的电力电子电路进行各种暂态和稳态仿真。这对于电路工作状态分析和电路设计指导都有很大帮助,尤其是Simulink在复杂的具有各种控制策略的电力电子系统方面有很大潜力。仿真结果的可靠性主要取决于系统Matlab模型的正确程度 ,但Simulink不能直接解决具有不同电路初始状态的仿真问题。随着仿真技术在电力科学研究中的普及和发展,使用基于图形界面仿真建模方式的仿真软件Matlab适用范围极广,几乎可用于所有工程领域的仿真。

参考文献

[1] 王兆安，电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2009.

[2] 邢岩，王莉娜。电力电子技术基础[M].北京：机械工业出版社，2008.10. [3] 周渊深，电力电子技术与MATLAB仿真[M].北京：中国电力出版设，2005.12. [4] 李传琦，电力电子技术计算机仿真实验[M].北京：机械工业出版社，2006.

[5] 薛定宇，陈阳泉.基于MATLAB／Simulink的系统仿真技术与应用[M].北京：清华大学出版社，2002. [6] 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，2007. [7] 贺益康，潘再平.电力电子技术基础[M].浙江：浙江大学出版社，2003. [8]李维波，MATLAB在电气工程中的应用[M].北京：中国电力出版社，2007.

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