电力电子Matlab仿真

辽宁科技大学课程名称：三项桥式全控整流的性能研究院系：电子与信息工程学院班级：学号：姓名：时间：2015年12月15日摘要：对于广泛使用的三相桥式整流电容滤波电路，在直流侧接入电抗器是提高电路输入功率因数降低谐波电流的有效方法。通过分析得出了电路各项输入指标与参数间的理论关系式，为电路分析设计提供了有效的工具。仿真与实验证明了结论的正确性。利用MATLAB7.0的Simulink的电力系统仿真模型进行可控整流电路的仿真研究，给出三相桥式全控整流电路的理论分析波形图，用MATLAB命令语言验证了理论分析，并提供该电路的MATLAB的仿真模型图，得到仿真波形图。关键词：三相桥式全控整流；触发角；电阻负载；仿真模型图1、概述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。三相全控整流电路的整流负载容量较大,输出直流电压脉动较小,是目前应用最为广泛的整流电路。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。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。整流电路是电力电子中出现最早的一种形式，它将交流电转变为直流电，电路形式十分广泛。三相桥式全控整流电路以及三相桥式全控逆变电路在现代电力电子技术中具有很重要的作用和很广泛的应用。这里结合全控整流电路以及全控逆变电路理论基础，采用Matlab的仿真工具Simulink对三相桥式全控整流电路和三相桥式全控逆变电路进行仿真，对输出参数进行仿真及验证，进一步了解三相桥式全控整流电路和三相桥式全控逆变电路的工作原理。2、原理一般变压器一次侧接成三角型，二次侧接成星型，晶闸管分共阴极和共阳极。一般1、3、5为共阴极，2、4、6为共阳极。（1）2管同时通形成供电回路，其中共阴极组和共阳极组各1，且不能为同1相器件。（2）对触发脉冲的要求：1)按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，相位依次差60。2)共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差120，共阳极组VT4、VT6、VT2也依次差120。3)同一相的上下两个桥臂，即VT1与VT4，VT3与VT6，VT5与VT2，脉冲相差180。（3）Ud一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样，故该电路为6脉波整流电路。（4）需保证同时导通的2个晶闸管均有脉冲，可采用两种方法：一种是宽脉冲触发一种是双脉冲触发（常用）（5）晶闸管承受的电压波形与三相半波时相同，晶闸管承受最大正、反向电压的关系也相同。三相桥式全控整流电路实质上是三相半波共阴极组与共阳极组整流电路的串联。在任何时刻都必须有两个晶闸管导通才能形成导电回路，其中一个晶闸管是共阴极组的，另一个晶闸管是共阳组的。6个晶闸管导通的顺序是按VT6–VT1→VT1–VT2→VT2–VT3→VT3–VT4→VT4–VT5→VT5–VT6依此循环，每隔60°有一个晶闸管换相。为了保证在任何时刻都必须有两个晶闸管导通，采用了双脉冲触发电路，在一个周期内对每个晶闸管连续触发两次，两次脉冲前沿的间隔为60°。三相桥式全控整流电路用作有源逆变时，就成为三相桥式逆变电路。由整流状态转换到逆变状态必须同时具备两个条件：一定要有直流电动势源，其极性须和晶闸管的导通方向一致，其值应稍大于变流器直流侧的平均电压；其次要求晶闸管的a＞90°，使Ud为负值。所谓逆变，就是要求把负载（电机）吸收的直流电能转变为交流电能反馈回电网。三相桥式有源逆变电路实质上是三相桥式可控整流电路工作的一个特定状态，三相桥式逆变。要使整流电路工作于逆变状态，必须有两个条件：(1)变流器的输出Ud能够改变极性。因为晶闸管的单向导电性，电流Id不能改变方向，为了实现有源逆变，必须去改变Ud的电极性。只要使变流器的控制角α90°即可。(2)必须要有外接的直流电源E，并且直流电源E也要可以改变极性，并且|E||Ud|。上述条件必须同时满足，才能实现有源逆变。三相桥式全控整流电路用作有源逆变时，就成为三相桥式逆变电路。由整流状态转换到逆变状态必须同时具备两个条件：一定要有直流电动势源，其极性须和晶闸管的导通方向一致，其值应稍大于变流器直流侧的平均电压；其次要求晶闸管的a＞90°，使Ud为负值BKP1KP3KP5KP4KP6KP2Rabcu2图1三相桥式全控整流电路ωtωtωtωtωtabcab12345624113551133224466ugugugug00000u2ud(1)(2)(3)(4)(5)(6)图2三相桥式整流电路的触发脉冲在第（1）段期间，a相电压最高，而共阴极组的晶闸管KP1被触发导通，b相电位最低，所以供阳极组的晶闸管KP6被触发导通。这时电流由a相经KP1流向负载，再经KP6流入b相。变压器a、b两相工作，共阴极组的a相电流为正，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KPl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KP2，电流即从b相换到c相，KP6承受反向电压而关断。这时电流由a相流出经KPl、负载、KP2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KP3，电流即从a相换到b相，c相晶闸管KP2因电位仍然最低而继续导通。此时变压器bc两相工作，在负载上的电压为Ud=Ub-Uc=Ubc3、实验线路和参数设置实验仿真模型如下：对于晶闸管两端的电压、电流波形，我们观察VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6中的一个即可，在该模型中我观察的是VT1的电压、电流波形。设置模型参数：（1）交流电压源U2，电压为141V，频率为50Hz，初始相位角0°。参数设置框如下：Continuouspowerguiv+-VoltageMeasurement3v+-VoltageMeasurement2v+-VoltageMeasurement1v+-VoltageMeasurementgakThyristorV6gakThyristorV5gakThyristorV4gakThyristorV3gakThyristorV2gmakThyristorV1+SeriesRLCBranchScopePulseGeneratorV6PulseGeneratorV5PulseGeneratorV4PulseGeneratorV3PulseGeneratorV2PulseGeneratorV1i+-CurrentMeasurementACVoltageSourceCACVoltageSourceBACVoltageSourceA这是A相的电压，B、C相分别在Phaes设置240°和120°。（2）这是A相的电压，B、C相分别在Phaes设置：VT1~VT6的参数设置是一样的。（3）负载的参数设置：我们的负载是RL型的，所以在Branchtype这栏选择的是RL，且RL的值设定如上图：（4）本电路中晶闸管的触发采用简单的脉冲触发器（PulseGenerator）来产生，脉冲发生器的脉冲周期Τ必须和交流电源u2同步。晶闸管的控制角α以脉冲的延迟时间t来表示，t=αΤ/360°，其中，α为控制角，Τ=1/f，f为交流电源频率。本仿真电路在α=0°、30°、60°、90°、120°时的脉冲发生器参数α0°30°60°90°120°触发时间(S)晶闸管名VT10.00166670.0033330.0050.0066660.008333VT20.00499970.0066660.0083330.0099990.011666VT30.00833270.0099990.0116660.0133320.014999VT40.01166570.0133320.0149990.0166650.018332VT50.01499870.0166650.0183320.0199980.021665VT60.01833170.0199980.0216650.0233310.024998（5）示波器参数设置将示波器的记录时间为1秒，页面应该是设置为白色或者浅色背景色（底色），黑色或者深色前景色（画笔颜色）。并将示波器的数据记录点改成53069，如下图：4.过程及波形实验步骤：在实验模型在SIMULINK内搭建完成后，并且把每个模块的实验参数设置完成后。在本仿真电路中，将仿真时间设为0.2s，在参数设置完毕后即可开始仿真。在菜单Simulation下选择Start，或者直接点击工具栏上的运行仿真立即开始，在屏幕下方的状态栏上可以看到仿真的进程。若要中途停止仿真可以选择Stop，在仿真计算完成后即可以通过示波器来观察仿真的结果。实验结果：（1）当触发角a为0°时，三相电源电压、晶闸管两端电压、负载电流、负载电压波形如下图所示（2）当触发角a为30°时，三相电源电压、晶闸管两端电压、负载电流、负载电压波形如下图所示（3）当触发角a为60°时，三相电源电压、晶闸管两端电压、负载电流、负载电压波形如图下图所示（4）当触发角a为90°时，三相电源电压、晶闸管两端电压、负载电流、负载电压波形如下图所示（5）当触发角a为120°时，三相电源电压、晶闸管两端电压、负载电流、负载电压波形如图下图所示5、分析和讨论5.1、波形分析1.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。2.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。3.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。5.2、讨论问题：1、不同的晶闸管参数设置，对应的的波形一样吗？答：不同的晶闸管参数设置，U2和Uvt的波形没有什么变化，主要变化的是Id和Ud的波形，幅值改变了。如下图是α为120°时，每个晶闸管参数为Rs是3.1e1，Cs为7.0e-6的时候波形图:2、不同的RL值，对应的波形一样吗？答：对应的波形不一样，下图是改变了RL参数的波形图，R改为了100e-1，L改为了100e-3，其对应的波形除了U2的波形外都有明显的不同，无论是波形的幅值还是波形的形状。6、结论与收获通过仿真和分析，可知三相桥式全控整流电路及逆变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对三相桥式全控整流电路及逆变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