三相桥式整流电路的MATLAB仿真

五邑大学电力电子技术课程设计报告题目：三相桥式整流电路的MATLAB仿真院系信息工程学院专业轨道交通自动化学号11071339学生姓名唐伟轩指导教师张建民一、题目的要求和意义利用MATLAB软件中的SIMULINK对三相桥式整流电路进行建模、仿真，设置参数，采集波形。具体要求如下：输入三相电压源，线电压取380V，50Hz，内阻0.002欧姆。利用六个晶闸管搭建三相桥式整流电路的模型。当负载为纯电阻负载与阻感负载时，利用示波器查看仿真波形，并将Ud、Id、UVT1波形记录下来。并画出电路的移相特性曲线Ud=f(α)。故障波形的采集：当触发角为30度时，将其中某一个晶闸管断开，查看电阻或阻感负载下的输出电压Ud、UVT1的波形，记录下来，并分析故障现象。整流电路是电力电子技术中最为重要，也是应用得最为广泛的电路，不仅应用于一般工业领域，也广泛应用于交通运输、电力系统、通信系统、能源系统及其他领域。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。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。利用matlab对三相桥式全控整流电路仿真，可以让我们进一步深入了解三相整流电路工作的每一个步骤，充分掌握三相整流电路，而对故障波形的采集与分析，锻炼我们解决电路出现问题时的能力，以使我们在实际工作中也能足够的理论知识去排除及解决各种电路故障，具有十分重要的意义。二、方案的论证与设计三相桥式全控整流电路由一组共阴极的和一组共阳极接法的晶闸管串联而成。其中阴极连在一起的三个晶闸管（VT1、VT3、VT5）称为共阴极组，阳极连在一起的三个晶闸管（VT4、VT6、VT2）称为共阳极组，如图1所示。图1中a相电源的初相角是0，c相电源初相角是120度，b相电源的初相角是-120度。三相半波整流时，在一个周期内，相电压最高值会交换三次，而三相全桥时，负载相当于接在两相的线电压上，而线电压的最高值每个周期会交换六次，线电压波峰的交点叫自然交换点，这就意味，当触发角α=0时，就能整流出一个周期内有六个波峰的直流电，它们的电压波形如图2α=0UaUbUcUabUacUbcUbaUcaUcbUabUac三相电压和线电压关系（图2）这样只要六个晶闸管按照VT1—VT2—VT3—VT4—VT5—VT6的导通顺序，每个晶闸管导通60度，即可把三相交流电源整流为直流电。每个晶闸管的导通顺序如下表1所示时段ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ共阴极组中导通的晶闸管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共阳极组中导通的晶闸管VT6VT2VT2VT4VT4VT6整流输出电压udua-ub=uabua-uc=uacub-uc=ubcub-ua=ubauc-ua=ucauc-ub=ucb晶闸管导通顺序（表1）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。以线电压的过零点为时间坐标的零点，当负载为纯电阻负载是，只要触发角少于60°，负载电流就能连续。当为阻感负载时，此时负载电压连续，而负载电流的波动幅度的大小取决于电感的大小，当电感值比较大时，负载电流波动将会很小，当α60°，即使线电压过零为负值时，相应的晶闸管仍会导通，即电流仍然是连续的。当α=90°时，线电压为正的导通部分与为负时的面积相等，则在一个周期内，负载电压为零，故阻感负载时，触发角不能大于90°。可得当整流输出电压连续时的平均值为（阻感负载α≤90°或电阻负载≤60°时）：cos34.2sin63123232UttdUUd式2.1带电阻负载且＞60°时，此时的负载电压和电流都不连续，整流电压平均值为：3cos134.2sin63232UttdUUd式2.2三、纯阻性负载仿真仿真电路图如下图3所示：纯电阻负载电路（图3）三相电源的相电压有效值为220V，频率为50HZ，电源内阻设为0.002Ω，负载为纯电阻负载，电阻取1Ω，由于仿真时，matlab内每个晶闸管的触发角是按坐标Y轴处算起的，而我们定义的触发角是按线电压的自然交换点算的，它们之间差了30°，所以即使在α=0°时，每个晶闸管都要的导通延时都要加上30°。仿真时，我设定触发角为30°，根据表1的各个晶闸管的导通关系，可以得到每个晶闸管的导通延时为：VT1延时：0.02*(30+0)/360VT2延时：0.02*(30+60)/360VT3延时：0.02*(30+120)/360VT4延时：0.02*(30+180)/360VT5延时：0.02*(30+240)/360VT6延时：0.02*(30+300)/360设置好每个参数，得到VT1的电压波形为下图4所示：纯电阻负载VT1电压（图4）由图可以看出，在自然换相点后的30°内，VT1仍然要承受一正向电压，这是因为此时a相的电压最高，b相电压最低，但是VT1的触发脉冲还没有来，即VT1还没有导通，故会有一正电压加在VT1上。在VT1导通后，电压立即变为0，而后来b、c、相电压高于a相时，VT1就要承受反向电压。通过观察示波器，可以看到负载电压和电流的的波形图，如图5所示，为电压波形图，图6为电流波形图：纯电阻负载Id（图5）纯电阻负载Ud（图6）由图可知，纯电阻负载时，负载的电压跟电流是完全一样的，都是连续的，而且每个波峰都只有一半，这是因为触发角α=30°，而每个波峰本来也就是60°，刚好缺了一半，这跟纯电阻负载时电压、电流的理论关系一样。晶闸管触发角与整流后平均电压的关系，即Ud=f（α）。通过不断更改每个晶闸管的触发角，且通过均值计算器模块，即可得到不同触发角时，负载的平均电压，如表2所示触发角α（度）输出直流电压（伏）0510.91050320480.130441.84039150328.660253.570181.480119.19067.87纯电阻负载触发角与负载电压关系（表2）调用matlab的plot函数，即可把触发角与负载的平均电压关系图画出来，如图7所示：纯电阻负载触发角与负载电压关系（图7）四、阻感性负载仿真电路图如图8所示：阻感负载仿真电路（图8）负载为阻感负载，电感10mH，电阻取1Ω三相电源的相电压有效值为220V，频率为50HZ，电源内阻设为0.002Ω。其它晶闸管的触发角设置跟纯电阻负载时一样，仍是α=30°。运行仿真，得到VT1的电压波形图如图9所示：阻感负载VT1电压（图9）由图9可知，此时VT1的电压波形跟纯电阻时的是一样的，分析方法也相同，同样通过示波器，可以得到阻感负载的电流和电压波形图，图10为电流波形图，图11为电压波形图：阻感负载Id（图10）,阻感负载Ud（图11）很明显，阻感负载触发角α=30°时，电压和电流波形是不一样的，电压波形可以突变，且跟纯电阻时一样，没有负值的情况，这是因为此时α60°，线电压还没有过零另外的晶闸管又被导通了，故不会有负值。而电流则是很明显的平缓了很多，这是因为负载上有电感的存在，而电感的电流是不能突变的，故电流会缓慢上升到一定值，随后会在这个值上，随着电压的波动而有相对平缓很多的波动，纹波峰值相对纯电阻时减少了很多。晶闸管触发角与整流后平均电压的关系，即Ud=f（α），通过不断更改每个晶闸管的触发角，且通过均值计算器模块，即可得到不同触发角时，负载的平均电压，如表3所示触发角α（度）输出直流电压（伏）0510.91050320480.130441.84039150328.560253.470173.28087.6190-1.908阻感负载触发角与负载电压关系（表3）调用matlab的plot函数，即可把触发角与负载的平均电压关系图画出来，如图12所示：阻感负载触发角与负载电压关系（图12）五、故障分析设晶闸管的触发角α=30°，并断开第四个晶闸管VT4，作为故障波形的采集。且采用带纯阻负载的三相桥式整流电路作为分析，设置好所有参数，仿真得到VT1的电压波形和Ud的波形，如图13所示VT1电压波形，图14为Ud波形：故障VT1电压（图13）故障Ud（图14）由负载电压Ud的波形可以清晰看到，导通的波峰只有一半，说明触发角是30°，但是一个周期只有四个波峰，缺少了两个，而且都是每个周期的第四和第五个波峰。虽然不能判断出是阻感负载还是纯电阻负载，但是对比一下上面三相桥式整流电路的晶闸管导通关系。可以很轻易地判断出是VT4的触发脉冲出现了故障，只有这样才会导致负载电压到了第四和第五个波峰时，但是由于VT4没有导通，即电压仍然保持上一个波峰的电压一直降到零，经过120°后，又再次导通，故每个周期，负载电压都会缺了第四个和第五个波峰。六、心得体会这一次的三相全桥整流电路的Matlab仿真实验，不仅仅学习到电力电子的知识，而且还学习到了电脑知识，由于一开始装了这个软件很多次都不能正常打开，后来在网上查询才得知，原来Matlab的默认计算模块是基于英特尔的，而我的电恰恰是AMD的CPU,故一直都打不开这个软件，改了相关设置，软件就能打开了。紧接着的问题又来了，尽管对三相桥式全控整流电路很熟悉，但由于对Simlink的各个模块不熟悉，只好翻开书本，一边对着各个模块的介绍，一边把仿真电路图画出来，通过这次的仿真实验，让我再一次深深地感受这个软件的强大，在接下来的时间里，一定要认真学好。在设置好相关参数后，发现即使在纯电阻负载，触发角为零时，在出发延时都设置对时，负载电压在一个周期内只有两个波峰，与理论实际不符合。通过查阅资料和翻看书本才明白到对应图1的结构，三相电源的a相的初相角必须是0°，b相的初相角必须是-120°，C相的初相角必须是120°，这样才能得到负载电压一个周期六个波峰的仿真图，在这里完全正确的前提下，接下来的各个仿真都能轻易做出来。通过这次仿真实验，使我深刻地理解了三相全控桥式整流各个晶闸管的导管顺序和关系，也掌握了故障分析的相关理论知识，受益匪浅。七、参考文献[1]王兆安.刘进军.电力电子技术[M].北京.机械工业出版社，2009.5[2]薛定宇，陈阳泉.基于MATLAB／Simulink的系统仿真技术与应用.北京：清华大学出版社，2002.[3]洪乃刚.电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真.北京：机械工业出版社，2007.[4]贺益康，潘再平.电力电子技术基础.浙江：浙江大学出版社，2003.