基于Multisim的三相桥式全控整流电路仿真

基于Multisim的三相桥式全控整流电路仿真李玲1，周鑫2，熊正平3，张钧4（1.上海电力学院电力与自动化工程学院，上海200090；2.华北电力大学电气与电子工程学院，河北保定071003；3.连云港供电公司，江苏连云港222000；4.江苏新海发电有限公司，江苏连云港222023）摘要：目前在各种整流电路中，三相桥式全控整流电路的应用最为广泛。因此，研究三相桥式全控整流电路的工作特性，在正常状态和故障状态下对电路进行仿真，对于保证电路的正常运行，以及在发生故障时，及时采取相应措施，都具有重要意义。以Multisim软件为仿真平台，设计了三相桥式全控整流仿真电路，主要包括同步移相触发电路和可控硅整流主电路。利用Multisim提供的“ComponentWizard”功能，将同步移相触发电路创建为单个元件，以简化仿真电路。并对仿真电路在正常状态及各种故障状态下的整流输出电压波形，分别进行了仿真分析。仿真结果表明，当整流桥出现断臂故障时，整流电压波形会发生严重畸变，直流分量大幅降低，交流谐波分量大量增加。关键词：三相桥式全控整流电路；同步移相触发电路；仿真；Multisim0引言目前在各种整流电路中，三相桥式全控整流电路应用最为广泛。因此，研究三相桥式全控整流电路的工作特性，在正常状态和故障状态下对电路进行仿真，对于保证电路的正常运行，以及在发生故障时，及时采取相应措施，都具有重要意义。在三相桥式全控整流电路运行中，由于各种原因，可能出现桥臂断开、可控硅触发脉冲丢失等故障。本文以著名的电子电路仿真软件Multisim为仿真平台，对三相桥式整流电路的正常状态和故障状态下的整流输出电压波形分别进行了仿真分析。1Multisim简介Multisim是美国国家仪器公司（NI）下属的ElectronicsWorkbenchGroup发布的电子电路仿真软件。它具有以下特点：（1）直观的图形操作界面；（2）丰富的元器件库，用户可以根据需要修改元件参数或创建新元件，并且可以对元件设置故障，进行故障仿真；（3）种类丰富的虚拟仪器；（4）完备的分析手段，它提供了直流工作点分析、瞬态分析、傅立叶分析等多种分析方法；基金项目：上海高校选拔培养优秀青年教师科研专项基金(Z2006-76)；上海市重点学科建设项目（P1301）（5）强大的仿真功能，既可对模拟电路或数字电路单独仿真，也可以对模拟、数字电路混合仿真。2三相全控桥式整流电路仿真电路的设计三相全控桥式整流电路主要是由整流主电路和同步移相触发电路两部分构成。其中主电路可以在Multisim中直接搭建。由于Multisim仿真元件库中无集成移相触发芯片，因此需要单独设计移相触发电路。利用Multisim的“ComponentWizard”功能，可将设计的移相触发电路集成为一个元件，以简化仿真电路，另外也可以加快仿真速度。本设计采用锯齿波移相触发电路，主要由锯齿波产生电路、电压比较电路、脉冲产生电路三部分构成。如图1所示，左边电路为锯齿波产生电路，当正弦同步输入信号Utb处在正半周时，三极管Q4饱和导通，Q1截止，而Q2基极电位被电阻R4、R5固定在一定值，因此电容C1获得恒定的充电电流，节点5电位线性上升。当同步信号Utb到达负半周时，三极管Q4截止，Q1导通，电容C1通过Q1迅速放电，节点5电位快速降为零值。当同步信号到达新的周期时，上述过程重复出现，从而在节点5形成锯齿波。图1锯齿波移相触发电路（1路）比较电路使用了Multisim提供的ABM（AnalogBehavioralModel）源，如图1中的V3。它可以使用数学和条件表达式来设定其输出电压。在本电路中使用“if(v(12)v(5),5,0)”的条件表达式，其表示：若节点12电位高于节点5电位则输出5V电压，否则输出0V电压。节点12开路,其电位即为移相控制电压UK。脉冲产生电路使用了“ControlledOne-Shot”元件，如图1中的V21。在一定触发电压下，它输出可调整宽度的脉冲Ug。本电路使用宽触发脉冲，宽度为5ms。在同步信号作用下，输入2V的移相控制电压，此电路的仿真电压输出曲线如图2所示。图2移相触发电路（1路）电压输出曲线在三相全控桥式整流电路中，同步移相触发电路包含6路如图1所示的电路。利用Multisim中的“ComponentWizard”功能，将移相触发电路创建为一个元件。由此建立的三相全控桥式整流仿真电路如图3所示，元件U1为新建的移相触发器，元件X1为同步输入信号子电路，是由6个相位彼此相差60度的50HZ单相交流电源构成。V7为控制电压。电路接R1=0.1Ω,H1=2H的阻感负载。图3三相全控桥式整流仿真电路3仿真分析3.1正常状态仿真在正常运行状态下，控制电压UK初始值设置为0.02V,在0.02s时变为2V,0.04s时为4V,0.08s时为8V，整流电压输出曲线如图4所示。图4正常状态下电压输出曲线3.2故障状态仿真在Multisim中,可以设置元件的故障类型，便于进行各种状态下的故障仿真，如图5所示为可控硅的故障状态设置，故障点可选为阳极A,阴极K,触发极G，故障类型可设为“开路”、“短路”。图5可控硅的故障状态设置在三相桥式全控整流电路运行中，某一个或两个桥臂的可控硅元件损坏或者作为过流保护的快速熔断器熔断,可使其桥臂呈现断开状态；或者由于触发控制回路的故障，出现触发脉冲的丢失，致使应当开通的某一个或两个桥臂可控硅元件不能开通，使可控硅整流电路处于异常工作状态。下面分五种情况来仿真分析全控整流桥的电压输出波形。在以下的仿真中，移相控制电压UK均为4V:（1）正常运行状态；（2）一臂断开或其触发脉冲丢失:仿真中将可控硅D1设置为断开；（3）不同相的上下两臂断开或其脉冲丢失:将A相的可控硅D1和C相的可控硅D2设置为断开；（4）同相的两臂断开或其脉冲丢失:将A相的可控硅D1和D4设置为断开；（5）同一组的两臂断开或其脉冲丢失:将共阴极组的可控硅D1和D3设置为断开。图6五种状态下的整流电压输出曲线仿真时，可将可控硅的A和K极或A和G极设置为“开路”来仿真整流桥臂断开故障。在五种状态下的整流电压输出曲线如图6所示。利用Multisim提供的傅立叶分析功能，可将上述情况下的整流输出电压分解为直流和各次谐波分量。六脉动全控桥的特征频率为6次谐波，表1给出了整流输出电压中的直流到6次谐波电压分量分布。表1整流输出电压的谐波分布整流输出电压各次谐波分量有效值（V）运行状态直流50HZ100HZ150HZ200HZ250HZ300HZ正常56.051.190.670.580.691.2324.82故障（1）27.8235.1424.0810.454.706.4920.52故障（2）-0.9862.2725.482.383.1711.0017.30故障（3）-0.160.6149.641.3313.820.5318.28故障（4）28.2149.390.6827.500.670.6912.39由表1可见，正常状态时，整流输出电压主要为直流和6次特征谐波。当三相全控桥式整流电路出现断臂故障时，输出电压出现严重的波形畸变，非特征谐波的含量大量增加，直流分量大幅度降低，甚至接近于零。同时，不同的故障类型其谐波成分存在一定的差别。对于故障类型（1），其谐波成分最为丰富，包含1～5次非特征谐波；在故障（2）和（4）中，50HZ谐波分量占据了主要成份；而在故障（3）中，100HZ谐波分量最为突出，并且在各次谐波中，偶次谐波的含量较大，奇次谐波的含量极低，近似等于零值。4结语本文以Multisim为仿真平台，建立了三相桥式全控整流电路仿真模型，利用该仿真模型可以灵活方便的进行各种运行状态下的仿真。通过仿真实验，可以为电路的运行状态分析提供灵活有效的手段。仿真结果表明，当整流桥出现断臂故障时，整流电压波形会发生严重畸变，直流分量大幅降低，交流谐波分量大量增加。因此，在三相桥式全控整流电路实际运行中，应对桥臂断开或脉冲丢失进行检测，以便及时发现，尽快处理。致谢作者感谢“上海高校选拔培养优秀青年教师科研专项基金(Z2006-76)”资助。参考文献[1]王兆安，黄俊.电力电子技术（第4版）[M].北京：机械工业出版社，2000.[2]莫正康.半导体变流技术（第2版）[M].北京：机械工业出版社，1993.[3]王冠华，王伊娜.Multisim8电路设计及应用[M].北京：国防工业出版社，2006.[4]刘微.励磁系统中全控整流电路异常波形分析[J].南京工程学院学报，2002，2（4）：19-22.[5]吴笃贵.静止励磁系统故障的数字仿真[J].电网技术，2005，29（12）：66-71.作者简介：李玲（1977-），女，江苏射阳人，汉族，助教，主要研究方向为电厂自动化技术。Email：[e-mail]。周鑫（1977-），男，江苏邳州人，汉族，硕士研究生，主要研究方向为电力系统自动化技术。Email：[e-mail]。基于Multisim的三相桥式全控整流电路仿真作者：李玲，周鑫，熊正平，张钧作者单位：李玲(上海电力学院电力与自动化工程学院,上海,200090)，周鑫(华北电力大学电气与电子工程学院,河北保定,071003)，熊正平(连云港供电公司,江苏连云港,222000)，张钧(江苏新海发电有限公司,江苏连云港222023)本文链接：