基于Simulink的三相橋式全控整流電路仿真研究*

任宏濤，朱 旋，李 崢

(淮北師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，235000，安徽省淮北市)

0 引 言

整流電路作為電力電子領(lǐng)域中電路使用的先驅(qū)，其所具有的功能是完成電能交流到直流的轉(zhuǎn)換之后，將直流電供給直流電氣設(shè)備使用.整流電路參照不同的方法可分為多種類型，例如：單相、多相電路；橋式、零式電路；全控、半控、不可控電路[1].其中結(jié)構(gòu)簡單，只包含最基本元件的電路是單相整流電路.單相整流電路最明顯的缺點是輸出端有較大的脈動，即使是對于單相橋式整流，也會存在同樣缺點，即電壓出現(xiàn)零值到峰值的脈動.而在三相整流電路工作中，電壓不會下降到零值，其產(chǎn)生的電壓脈動區(qū)間相對于單相整流電路而言要小很多，滿足研究所需條件.所以三相橋式全控整流電路成為現(xiàn)代最熱門的整流電路.

因此，主要研究對象就是三相橋式全控整流電路.整流電路涉及多種復(fù)雜的電器元件，通過硬件設(shè)計分析電路的過程十分復(fù)雜，特別是當(dāng)遇到需要高壓電的情況更加無法完成.所以此處利用MATLAB中的可視化Simulink工具箱進行仿真研究.通過軟件設(shè)計電路的仿真模型，對輸入電路各元件的參數(shù)可進行任意的改變，即可獲得不同的仿真結(jié)果.不但能節(jié)省硬件電路設(shè)計的成本，而且能夠深化對電路理論的研究效果.

1 三相橋式全控整流電路的工作原理

分析下頁圖1中三相橋式全控整流電路原理圖.電路由變壓器、陰極相連接的晶閘管(VT1，VT3，VT5)、陽極相連接的晶閘管(VT4，VT6，VT2)以及接入的負載構(gòu)成[8].電路工作通過6只晶閘管進行，由于晶閘管屬于半控型，所以設(shè)計晶閘管觸發(fā)電路是一個重要的工作.通常三次諧波會對電網(wǎng)產(chǎn)生比較大的危害，為了消除影響需用三角形連接變壓器一次側(cè)且星形連接變壓器二次側(cè).當(dāng)電路開始工作時，共陰極、共陽極組應(yīng)各有一只處于導(dǎo)通狀態(tài)的晶閘管.按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6依次導(dǎo)通，導(dǎo)通相位差為60°.VT1，VT3，VT5和VT4，VT6，VT2脈沖相位差為120°.處在同一橋且上下不同橋臂的VT1，VT4；VT3，VT6；VT5，VT2脈沖相位差為180°[9].當(dāng)晶閘管達到導(dǎo)通所需條件時，共陰極連接的晶閘管，導(dǎo)通的是陽極電位最高的.共陽極連接的晶閘管，導(dǎo)通的是陰極電位最低的.兩只晶閘管相電壓相減即得到整流電路輸出電壓ud.根據(jù)晶閘管導(dǎo)通過程可得，輸出波形一個周期可分為相等的六段，每段為60°.晶閘管觸發(fā)角α的移相范圍是0°～120°.

圖1 三相橋式全控整流電路原理圖

2 Simulink環(huán)境下三相橋式全控整流電路的仿真及波形分析

想要在Simulink運行環(huán)境下完成三相橋式全控整流電路的設(shè)計，所需工作就是根據(jù)原理圖中電路的連接情況構(gòu)造出仿真電路的結(jié)構(gòu).仿真電路的搭建需要從Simulink庫中調(diào)用交流電源、晶閘管、RLC負載、脈沖觸發(fā)器以及電壓電流測量器和示波器.首先調(diào)出Powergui，3個交流電源及負載，然后從Power Electronics中調(diào)出6個晶閘管，從source中調(diào)出6個脈沖觸發(fā)，最后調(diào)出測量設(shè)備以及總線后按原理圖完成連接.

2.1 帶電阻負載的工作情況仿真

2.1.1 仿真參數(shù)的設(shè)置

搭建完成如圖2所示仿真電路，然后設(shè)置各元件參數(shù)：交流電壓有效值為220 V，則其峰值設(shè)為310 V；輸入相位差為120°的三相電壓，以電壓ua相位為0°開始依次推遲120°得到-120°，-240°分別為電壓ub，uc的相位；頻率設(shè)為50 Hz；周期設(shè)為0.02 s；脈沖寬度設(shè)為5%；仿真時間設(shè)為0.08 s；電阻負載電阻設(shè)為12 Ω；最后設(shè)置仿真過程所需算法為ode23tb.如需觀察不同數(shù)量的波形，對電路仿真時間進行調(diào)整即可得到.

圖2 電阻負載時Simulink仿真電路

2.1.2 仿真結(jié)果波形分析

(1)圖3表示輸入電壓各相之間線電壓，電阻負載時觸發(fā)角α=0°的輸出電壓、負載電流以及脈沖波形對比，圖4表示VT1電流電壓對比波形.

圖3 觸發(fā)角為0°波形

圖4 VT1的電流電壓波形

波形分析：輸出電壓是由共陰極組最高陽極相電壓與共陽極組最低陰極相電壓相減得到的線電壓，即可表示為線電壓正半周包絡(luò)線，電壓波形每個周期有6段相同脈動，與理論分析一致.由于僅有電阻負載連接到電路中，因此輸出端呈現(xiàn)出負載電流、電壓波形相同的情況.因為每只晶閘管導(dǎo)通120°，所以VT1的電流波形為兩段脈動電流，形狀與輸出電壓相似.

(2)圖5～圖6是觸發(fā)角α=30°時出現(xiàn)失真的不理想波形.

圖5 觸發(fā)角為30°波形

圖6 VT1的電流電壓波形

波形分析：從仿真結(jié)果圖可以看出波形出現(xiàn)失真，沒有達到理想效果，經(jīng)分析是因脈沖寬度過窄，導(dǎo)致在脈沖觸發(fā)時刻晶閘管無法成功導(dǎo)通，所以導(dǎo)致波形失真.將脈沖寬度調(diào)整為20%，再次進行仿真得到如圖7和圖8的仿真波形圖.可以看到參數(shù)調(diào)整后的波形接近理想波形，因為此時的觸發(fā)角α=30°，晶閘管推遲30°才開始導(dǎo)通，所以從波形圖中可看出，輸出電壓的平均值降低.但是一個周期仍然由六段相同的脈動線電壓組成，與理論分析一致.因為VT1的導(dǎo)通時間保持為三分之一周期不變，所以電流波形分析與α=0°時類似，仍然是兩段脈動，且波形與輸出電壓波形十分相似.

圖7 觸發(fā)角為60°波形

圖8 VT1的電流電壓波形

(3)圖9～圖12是晶閘管的觸發(fā)角為60°和90°時的波形.

圖9 觸發(fā)角為60°波形

圖10 VT1的電流電壓波形

圖11 觸發(fā)角為90°波形

圖12 VT1的電流電壓波形

波形分析總結(jié)：以上分別是觸發(fā)角α為0°，30°，60°，90°時輸出直流的電壓電流波形圖，以及晶閘管VT1兩端電流電壓波形.當(dāng)觸發(fā)角α=0°時，出現(xiàn)最理想的波形，輸出電壓的平均值最大，整流效果最好.但是當(dāng)對α的值進行改變時，輸出電壓平均值也會隨之產(chǎn)生變化.當(dāng)α=60°時，輸出電壓會產(chǎn)生峰值下降到零值的變化，出現(xiàn)零值點.當(dāng)α=90°時，輸出電壓會出現(xiàn)若干段零值波形.繼續(xù)增大α至120°時，波形圖為一條恒為零的直線，輸出電壓的平均值也為零，所以此處未對α=120°時的波形進行研究.通過分析，驗證了在電阻負載工作時α的移相范圍是0°～120°.

2.2 阻感負載的工作情況仿真

2.2.1 仿真參數(shù)的設(shè)置

阻感負載工作情況與電阻負載類似，首先是按照原理圖搭建如圖13所示仿真電路.電路的參數(shù)設(shè)置在電阻負載參數(shù)的基礎(chǔ)上將增加一個與電阻串聯(lián)的電感，電感參數(shù)設(shè)為0.1 H，其他參數(shù)保持不變.

圖13 阻感負載時Simulink仿真電路

2.2.2 仿真結(jié)果波形分析

圖14 觸發(fā)角為0°波形

(1)當(dāng)電路中接入阻感負載工作，觸發(fā)角α≤60°時，將輸出端波形與僅接入電阻負載情況下作比較，結(jié)果幾乎無異.2種工作情況的不同點在于負載電流的波形，阻感負載下電路串聯(lián)一個電感元件，電感元件對電流變化起阻礙作用，在電感元件的作用下使得負載電流的波形變得平坦波動小，當(dāng)接入電路的電感元件的值足夠大時，負載電流的波形可以近似看成一條水平直線.圖14-圖16是α≤60°時波形，輸出電壓相較于電阻負載情況下波形十分接近，負載電流波形隨觸發(fā)角α的增大，出現(xiàn)輕微脈動，但波形仍可近似看成一條水平直線，與理論分析一致.

圖15 觸發(fā)角為30°波形

圖16 觸發(fā)角為60°波形

(2)分析得α≤60°時仿真結(jié)果與電阻負載情況下無異.繼續(xù)分析α=90°時仿真結(jié)果，與電阻負載相比阻感負載工作時輸出波形出現(xiàn)明顯的變化.只接入電阻負載情況下，輸出電壓波形始終為正值及零值波形.但阻感負載工作時，接入電路的電感L的發(fā)揮作用，電流變化受到阻礙，晶閘管不會關(guān)斷，所以輸出電壓就會有負值波形.當(dāng)改變電感的參數(shù)到足夠大時，輸出電壓波形會出現(xiàn)幾乎相等的正負面積，面積相抵，得到平均值為0的輸出電壓.與電阻負載α=120°時的理論分析類似.至此對阻感負載下α的移相范圍為0°～90°的理論加以驗證.圖17是α=90°波形.

圖17 觸發(fā)角為90°波形

3 結(jié) 論

上述一系列仿真實驗通過三相橋式全控整流電路的原理圖在MATLAB/Simulink環(huán)境下搭建三相橋式全控整流電路的仿真電路，進行參數(shù)設(shè)置，分別研究了電阻負載和阻感負載工作情況下不同觸發(fā)角α的仿真波形，分析波形出現(xiàn)失真不理想的原因并在進行參數(shù)更改后得到比較理想的波形.電路接入電阻負載和阻感負載時α的理論移相范圍得以驗證.Simulink工具箱的使用，省略了硬件實驗的復(fù)雜步驟，只需按照電路原理圖搭建仿真電路，任意設(shè)置各元件參數(shù)數(shù)據(jù)，很容易觀察到仿真波形圖在不同參數(shù)下的變化情況，使得在仿真過程中可快速、直觀地分析仿真結(jié)果，總結(jié)出與理論分析最接近的結(jié)論.