摘要：三相橋式全控整流電路在現(xiàn)代電力電子技術(shù)中具有很重要的作用和很廣泛的應(yīng)用。本文通過對(duì)三相橋式全控整流電路理論分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合全控整流電路理論基礎(chǔ)，采用Matlab的仿真工具Simulink建立了基于Simulink的三相橋式全控整流電路的仿真模型，并對(duì)其帶電阻負(fù)載時(shí)的工作情況進(jìn)行了仿真分析與研究。通過仿真分析也驗(yàn)證了本文所設(shè)計(jì)建模型的正確性。

關(guān)鍵詞：全控整流電路；Simulink仿真；建模；電力電子

中途分類號(hào)：TP 9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

0 前言

電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中有著非常廣泛的應(yīng)用。據(jù)估計(jì)，發(fā)達(dá)國(guó)家在用戶最終使用的電能中，有60%以上的電能至少經(jīng)過一次以上電力電子變流裝置的處理。電力系統(tǒng)在通向現(xiàn)代化的進(jìn)程中，電力電子技術(shù)是關(guān)鍵技術(shù)之一?？梢院敛豢鋸埖卣f，如果離開電力電子技術(shù)，電力系統(tǒng)的現(xiàn)代化就是不可想象的。目前，各類電力電子變換器的輸入整流電路輸入功率級(jí)一般采用不可控整流或相控整流電路。這類整流電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制技術(shù)成熟，但交流側(cè)輸入功率因數(shù)低，并向電網(wǎng)注入大量的諧波電流。據(jù)估計(jì)，在發(fā)達(dá)國(guó)家有60%的電能經(jīng)過變換后才使用，而這個(gè)數(shù)字在本世紀(jì)初達(dá)到95%。

電能的傳輸中，直流輸電在長(zhǎng)距離、大容量輸電時(shí)有很大的優(yōu)勢(shì)，其送電端的整流閥和受電端的逆變閥都采用晶閘管變各種電子裝置一般都需要不同電壓等級(jí)的直流電源供電。通信設(shè)備中的程控交換機(jī)所用的直流電源以前用晶閘管整流電源，現(xiàn)在已改為采用全控型器件的高頻開關(guān)電源。大型計(jì)算機(jī)所需的工作電源、微型計(jì)算機(jī)內(nèi)部的電源現(xiàn)在也都采用高頻開關(guān)電源。在各種電子裝置中，以前大量采用線性穩(wěn)壓電源供電，由于高頻開關(guān)電源體積小、重量輕、效率高，現(xiàn)在已逐漸取代了線性電源。因?yàn)楦鞣N信息技術(shù)裝置都需要電力電子裝置提供電源，所以可以說信息電子技術(shù)離不開電力電子技術(shù)。近年發(fā)展起來的柔性交流輸電（FACTS）也是依靠電力電子裝置才得以實(shí)現(xiàn)的。

隨著社會(huì)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，整流電路在自動(dòng)控制系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。常用的三相整流電路有三相橋式不可控整流電路、三相橋式半控整流電路和三相橋式全控整流電路，由于整流電路涉及到交流信號(hào)、直流信號(hào)以及觸發(fā)信號(hào)，同時(shí)包含晶閘管、電容、電感、電阻等多種元件，采用常規(guī)電路分析方法顯得相當(dāng)繁瑣，高壓情況下實(shí)驗(yàn)也難順利進(jìn)行。Matlab提供的可視化仿真工具Simulink可直接建立電路仿真模型，隨意改變仿真參數(shù)，并且立即可得到任意的仿真結(jié)果，直觀性強(qiáng)，進(jìn)一步省去了編程的步驟。本文利用Simulink對(duì)三相橋式全控整流電路進(jìn)行建模，對(duì)不同控制角、橋故障情況下進(jìn)行了仿真分析，既進(jìn)一步加深了三相橋式全控整流電路的理論，同時(shí)也為現(xiàn)代電力電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)奠定良好的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

1電路原理分析

晶閘管按從1至6的順序?qū)ǎ瑸榇藢⒕чl管按圖1所示的順序編號(hào)，即共陰極組中與a、b、c三相電源相接的3個(gè)晶閘管分別為VT1、VT3、VT5，共陽(yáng)極組中與a、b、c三相電源相接的3個(gè)晶閘管分別為VT4、VT6、VT2。編號(hào)如圖1所示，晶閘管的導(dǎo)通順序?yàn)?VT1－VT2－VT3－VT4－VT5－VT6。

圖1 主電路原理圖

其工作特點(diǎn)是任何時(shí)刻都有不同組別的兩只晶閘管同時(shí)導(dǎo)通，構(gòu)成電流通路，因此為保證電路啟動(dòng)或電流斷續(xù)后能正常導(dǎo)通，必須對(duì)不同組別應(yīng)到導(dǎo)通的一對(duì)晶閘管同時(shí)加觸發(fā)脈沖，所以觸發(fā)脈沖的寬度應(yīng)大于π／3的寬脈沖。寬脈沖觸發(fā)要求觸發(fā)功率大，易使脈沖變壓器飽和，所以可以采用脈沖列代替雙窄脈沖；每隔π／3換相一次，換相過程在共陰極組和共陽(yáng)極組輪流進(jìn)行，但只在同一組別中換相。接線圖中晶閘管的編號(hào)方法使每個(gè)周期內(nèi)6個(gè)管子的組合導(dǎo)通順序是VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6；共陰極組T1，T3，T5的脈沖依次相差2π／3；同一相的上下兩個(gè)橋臂，即VT1和VT4，VT3和VT6，VT5和VT2的脈沖相差π，給分析帶來了方便；當(dāng)α=O時(shí)，輸出電壓Ud一周期內(nèi)的波形是6個(gè)線電壓的包絡(luò)線。所以輸出脈動(dòng)直流電壓頻率是電源頻率的6倍，比三相半波電路高l倍，脈動(dòng)減小，而且每次脈動(dòng)的波形都一樣，故該電路又可稱為6脈動(dòng)整流電路。同理，三相半波整流電路稱為3脈動(dòng)整流電路。α>0時(shí)，Ud的波形出現(xiàn)缺口，隨著α角的增大，缺口增大，輸出電壓平均值降低。當(dāng)α=2π／3時(shí)，輸出電壓為零，所以電阻性負(fù)載時(shí)，α的移相范圍是O～2π／3；當(dāng)O≤α≤π／3時(shí)，電流連續(xù)，每個(gè)晶閘管導(dǎo)通2π／3；當(dāng)π／3≤α≤2π／3時(shí)，電流斷續(xù)，個(gè)晶閘管導(dǎo)通小于2π／3。23α=π／3是電阻性負(fù)載電流連續(xù)和斷續(xù)的分界點(diǎn)。

2 電路設(shè)計(jì)

根據(jù)三相橋式全控整流電路的原理可以利用Simulink內(nèi)的模塊建立仿真模型如圖2所示，設(shè)置三個(gè)交流電壓源Va，Vb，Vc相位角依次相差120°，得到整流橋的三相電源。用Universal Bridge構(gòu)成整流橋，實(shí)現(xiàn)交流電壓到直流電壓的轉(zhuǎn)換。Synchronized 6-Pulse Generator產(chǎn)生整流橋的觸發(fā)脈沖。

提取電路與器件模塊，組成電路的主要元件有三相交流電源，晶閘管，RLC負(fù)載等。三相整流電路模型主要元器件如表1所示。

表1 三相整流電路模型主要元器件

三相電源分別設(shè)置為Va：220V,相位角為0度，Vb：220V,相位角為-120度，Vc:220V,相位角為+120度，頻率都設(shè)為50Hz。脈沖發(fā)生器頻率設(shè)為50，寬度為10。Universal Bridge中橋臂設(shè)為3。負(fù)載電阻為10歐，電感為0.01H。圖2是三相橋式全控整流電路仿真模型。

圖2 三相橋式全控整流電路仿真模型

3 仿真

1) 電源參數(shù)設(shè)置：三相電源的電壓峰值為220V×

，可表示為“220*sqrt（2)”，頻率為50Hz，相位分別為0、-120°、-240°。

2）三相晶閘管整流器參數(shù)設(shè)置：使用默認(rèn)值。

3）6脈沖發(fā)生器設(shè)置：頻率為50Hz，脈沖寬度取1°，取雙脈沖觸發(fā)方式。

4) 觸發(fā)角設(shè)置：可以根據(jù)需要將alph設(shè)置為30°、60°、90°。

5）采用變步長(zhǎng)算法ode23tb(stiff／TR．BDF2)。

6）負(fù)載可以根據(jù)需要設(shè)成純電阻、純電感、阻感等，本次仿真中為電阻負(fù)載R=10Ω，阻感負(fù)載R=10Ω，L=1H 。

設(shè)置仿真時(shí)間0.06s，數(shù)值算法采用ode23tb(stiff／TR．BDF2)。啟動(dòng)仿真，根據(jù)三相橋式全控整流電路的原理圖，對(duì)不同的觸發(fā)角α會(huì)影響輸出電壓進(jìn)行仿真。從以下仿真波形圖可知改變不同的控制角，輸出電壓在發(fā)生不同的變化。

圖3 三相橋式全控整流電路電阻負(fù)載a=30°時(shí)的波形

圖4 三相橋式全控整流電路電阻負(fù)載a=60°時(shí)的波形

圖5 三相橋式全控整流電路電阻負(fù)載a=90°時(shí)的波形

4 結(jié)論

對(duì)于純電阻性負(fù)載，當(dāng)觸發(fā)角小于等于90°時(shí)，Ud波形均為正值，直流電流Id與Ud成正比，并且電阻為10歐姆，所以直流電流波形和直流電壓波形一樣。隨著觸發(fā)角增大，在電壓反向后管子即關(guān)斷，所以晶閘管的正向?qū)〞r(shí)間減少，對(duì)應(yīng)著輸出平均電壓逐漸減小，并且當(dāng)觸發(fā)角大于60°后Ud波形出現(xiàn)斷續(xù)。而隨著觸發(fā)角的持續(xù)增大，輸出電壓急劇減小，最后在120°時(shí)幾乎趨近于0。對(duì)于晶閘管來說，在整流工作狀態(tài)下其所承受的為反向阻斷電壓。移相范圍為0~120。