三相桥式全控整流电路仿真建模分析--本科毕业论文.doc

班级：电力工程与管理1101 姓名：李渊琴 学号：201110822

新能源与动力工程学院
论文

电能质量分析与控制

专业
电力工程与管理
班级
1101班
姓名
李渊琴
学号
201110822
指导教师
董海燕
2014年 10 月
目录

摘 要 1
概述 1
1 三相桥式全控整流电路(纯电阻负载) 2
1.1电路的结构与工作原理 2
1.2建模 3
1.3仿真结果与分析 3
1.4 FFT分析 6
1.5小结 9
2三相桥式全控整流电路(阻感性负载) 10
2.1电路的结构与工作原理 10
2.2建模 11
2.3仿真结果与分析 11
2.4 FFT分析 13
2.5小结 17
参考文献 17

18

三相桥式全控整流电路仿真建模分析
摘 要
整流电路就是把交流电能转换成直流电能的电路。大多数整流电
路由变压器、整流主电路和滤波器组成。它在直流电机的调速、发电机的激励调节电解、电镀等领域得到广泛应用。整流电路主要有主电路、滤波器、变压器组成。20世纪70年代以后，主电路多用硅整流二极管和晶闸管组成。滤波器接在主电路和负载之间，用于滤除波动直流电压中的交流部分。整流电路的种类有很多，半波整流电路、单项桥式半控整流电路、单项桥式全控整流电路、三项桥式半控整流电路、三项桥式全控整流电路。
关键词：整流、变压、触发、电感
概述
在电力系统中，电压和电流应是完好的正弦波．但是在实际的电力系统中，由于非线性负载的影响，实际的电网电压和电流波形总是存在不同程度的畸变，给电力输配电系统及附近的其它电气设备带来许多问题，因而就有必要采取措施限制其对电网和其它设备的影响。随着电力电子技术的迅速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通、家庭等众多领域中的应用日益广泛，大量的非线性负载被引入电网，导致了日趋严重的谐波污染．电网谐波污染的根本原因在于电力电子装置的开关工作方式，引起网侧电流、电压波形的严重畸变．目前，随着功率半导体器件研制与生产水平的不断提高，各种新型电力电子变流装置不断涌现，特别是用于交流电机凋速传动的变频器性能的逐步完善，为工业领域节能和改善生产工艺提供了十分广阔的应用前景．相关资料表明，电力电子装置生产量在未来的十年中将以每年不低于10％的速度递增，同时，由这类装置所产生的高谐谐波约占总谐波源的70％以上。
为了抑制电力电子装置产生的谐波，其中的一种方法就是对整流器本身进行改进，使其尽量不产生谐波，且电流和电压同相位．这种整流器称为高功率因数变流器或高功率因数整流器．高功率因数变流器主要采用PWM整流技术，一般需要使用自关断器件。对电流型整流器，可直接对各个电力半导休器件的通断进行PWM调制，使输入电流成为撸近正弦且与电源电压同相的PWM波形，从而得到接近1的功率因数。对电压型整流器，需要将整流器通过电抗器与电源相连。只要对整流器各开关器件施以适当的PWM控制，就可以对整流器网侧交流电流的大小和相位进行控制，不仅可实现交流电流接近正弦波，而且可使交流电流的相位与电源电压同相，即系统的功率因数总是掺近于1．本文主要对与PWM整流器相关的功率开关器件、主电路拓扑结构和控制方式等进行详细说明，在此基础上时PWM整流技术的发展方向加以探讨。
一． 实验目的
1）不同负载时，三相全控桥整流电路的结构、工作原理、波形分析。
2) 在仿真软件Matlab中进行三相可控整流电路的建模与仿真，并分析其波形。
二．实验内容
1 三相桥式全控整流电路(纯电阻负载)
1.1电路的结构与工作原理
1.1.1电路结构

图1 三相桥式全控整流电路（纯电阻负载）的电路原理图
1.1.2 工作原理
晶闸管按从1至6的顺序导通，为此将晶闸管按图示的顺序编号，即共阴极中与a,b,c三相电源相接的3个晶闸管分别为VT1，VT3，VT5，共阳极组中与a,b,c三相电源相接的3个晶闸管分别为VT4，VT6，VT2。编号如图1-1所示，晶闸管的导通顺序为VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6。
其工作特点是任何时刻都有不同组别的两只晶闸管同时导通，构成电流通路，为保证电路启动或电流断续后能正常导通，必须对不同组别应到导通的脉冲的一对晶闸管同时加触发脉冲，所以触发脉冲的宽度应大于60度的宽脉冲，每隔60度换相一次，换相过程在共阴极组和共阳极组轮流进行，但只在一组别中换相，共阴极T1，T3，T5的脉冲一次相差120度；同一组的上下两个桥臂的脉冲相差180度，当触发角是0度时，输出的电压一周期内的波形是6个线电压的包络线，所以输出脉动直流电压频率是电源频率的6倍，故该电路又称为6脉动整流电路。
1.2建模
在MATLAB新建一个Model，同时模型建立如下图所示：

图2三相桥式全控整流电路（纯电阻负载）的MATLAB仿真模型
1.3仿真结果与分析
a.触发角α=0°，MATLAB仿真波形如下：

图3 α=0°三相桥式全控整流电路仿真结果（纯电阻负载）
b. 触发角α=30°，MATLAB仿真波形如下：

图4 α=30°三相桥式全控整流电流仿真结果（纯电阻负载）
c. 触发角α=60°，MATLAB仿真波形如下：

图5 α=60°三相桥式全控整流电路仿真结果（纯电阻负载）

d. 触发角α=90°，MATLAB仿真波形如下：

图6 α=90°三相桥式全控整流电路仿真结果（纯电阻负载）
e. 触发角α=120°，MATLAB仿真波形如下：

图7 α=120°三相桥式全控整流电路仿真结果（纯电阻负载）
由仿真波形得知，当触发角小于等于90°时，由于是纯电阻性负载，所以Ud波形均为正值，直流电流Id与Ud成正比。随着触发角增大，在电压反向后管子即关断，所以晶闸管的正向导通时间减少，对应着输出平均电压逐渐减小，并且当触发角大于60°后Ud波形出现断续。而随着触发角的持续增大，输出电压急剧减小，最后在120°时几乎趋近于0。对于晶闸管来说，在整流工作状态下其所
承受的为反向阻断电压。移相范围为0-120°。
1.4 FFT分析
a.i1谐波分析

图8 α=0°i1谐波分析（纯电阻负载）
b. i2谐波分析

图9 α=0°i2谐波分析（纯电阻负载）

c. i3谐波分析

图10 α=0°i3谐波分析（纯电阻负载）
d. Ud谐波分析

图11 α=0°Ud谐波分析（纯电阻负载）

e. id谐波分析

图12 α=0°id谐波分析（纯电阻负载）
f. Uab谐波分析

图13 α=0°Uab谐波分析（纯电阻负载）

g. Ubc谐波分析

图14 α=0°Ubc谐波分析（纯电阻负载）
h. Uca谐波分析

图15 α=0°Uca谐波分析（纯电阻负载）
1.5小结
(1) 任何时候共阴、共阳极组各有一只元件同时导通才能形成电流通路；
(2) 共阴极组晶闸管VT1、VT3、VT5，按相序依次触发导通，相位相差120度，共阳极组晶,闸管VT2、VT4、VT6，相位相差120º，同一相的晶闸管相位相差180°每个晶闸管导通角120º；
(3) 输出电压ud由六段线电压组成，每周期脉动六次，每周期脉动频率为300HZ；
(4) 晶闸管承受的电压波形与三相半波时相同，它只与晶闸管导通情况有关，其波形由3段组成：一段为零(忽略导通时的压降)，两段为线电压。晶闸管承受最大正、反向电压的关系也相同；
(5) 变压器二次绕组流过正负两个方向的电流，消除了变压器的直流磁化，提高了变压器的利用率；
(6) 对触发脉冲宽度的要求：整流桥开始工作时以及电流中断后，要使电路正常工作，需保证应同时导通的2个晶闸管均有脉冲，常用的方法有两种：一种是宽脉冲触发，它要求触发脉冲的宽度大于60º(一般为80º～100º)，另一种是双窄脉冲触发，即触发一个晶闸管时，向小一个序号的晶闸管补发脉冲。宽脉冲触发要求触发功率大，易使脉冲变压器饱和，所以多采用双窄脉冲触发。 电阻性负载α≤60º时的ud波形连续，α＞60º时ud波形断续。α=120º时，输出电压为零Ud=0，因此三相全控桥式整流电路电阻性负载移相范围为0º～120º。可以看出，晶闸管元件两端承受的最大正反向电压是变压器二次线电压的峰值。
2 三相桥式全控整流电路(阻感性负载)
2.1电路的结构与工作原理
2.1.1电路结构

图8 三相桥式全控整流电路(阻-感性负载)的电路原理图
2.1.2 工作原理
晶闸管按从1至6的顺序导通，为此将晶闸管按图示的顺序编号，即共阴极中与a,b,c三相电源相接的3个晶闸管分别为VT1，VT3，VT5，共阳极组中与a,b,c三相电源相接的3个晶闸管分别为VT4，VT6，VT2。编号如图1-1所示，晶闸管的导通顺序为VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6。
其工作特点是任何时刻都有不同组别的两只晶闸管同时导通，构成电流通路，为保证电路启动或电流断续后能正常导通，必须对不同组别应到导通的脉冲的一对晶闸管同时加触发脉冲，所以触发脉冲的宽度应大于60度的宽脉冲，每隔60度换相一次，换相过程在共阴极组和共阳极组轮流进行，但只在一组别中换相，共阴极T1，T3，T5的脉冲一次相差120度；同一组的上下两个桥臂的脉冲相差180度，当触发角是0度时，输出的电压一周期内的波形是6个线电压的包络线，所以输出脉动直流电压频率是电源频率的6倍，故该电路又称为6脉动整流电路，负载电流由于电感的存在电流基本上是一条直线。
2.2建模
在MATLAB新建一个Model，同时模型建立如下图所示

图16 三相桥式全控整流电路(阻-感性负载)的MATLAB仿真模型
2.3仿真结果与分析
a.触发角α=0°，MATLAB仿真波形如下：

图17 α=0°三相桥式全控整流电路仿真结果（阻-感性负载）
b. 触发角α=30°，MATLAB仿真波形如下：

图18 α=30°三相桥式全控整流电路仿真结果（阻-感性负载）
c.触发角α=60°，MATLAB仿真波形如下：

图19 α=60°三相桥式全控整流电路仿真结果（阻-感性负载）

d.触发角α=90°，MATLAB仿真波形如下：

图20 α=90°三相桥式全控整流电路仿真结果（阻-感性负载）
2.4 FFT分析
a. i1谐波分析

图21 α=0°i1谐波分析（阻-感性负载）

b. i2谐波分析

图22 α=0°i2谐波分析（阻-感性负载）
c. i3谐波分析

图23 α=0°i3谐波分析（阻-感性负载）

d. Ud谐波分析

图24 α=0°Ud谐波分析（阻-感性负载）
e. id谐波分析

图25 α=0°id谐波分析（阻-感性负载）

f. Uab谐波分析

图26 α=0°Uab谐波分析（阻-感性负载）
g. Ubc谐波分析

图27 α=0°Ubc谐波分析（阻-感性负载）

h. Uca谐波分析

图28 α=0°Uca谐波分析（阻-感性负载）
2.5小结
对于阻感性的负载，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。而当触发角大于等于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。当触发角大于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,所以移相范围为0～90，与理论相近。

参考文献
[1] 王兆安，电力电子技术[M]。北京：机械工业出版社，2009。
[2] 邢岩，王莉娜。电力电子技术基础[M]。北京：机械工业出版社，2008.10
[3] 王兴贵，陈伟。现代电力电子技术[M]。北京：机械工业出版社，2010。
[4] 李传琦，电力电子技术计算机仿真实验[M]。北京：机械工业出版社，2006。