三相可控整流电路的MATLAB仿真

三相可控整流电流的三相可控整流电流的 MATLABMATLAB 仿真仿真 目录目录 绪论 1 第一章 三项半波可控整流电路 3 1 1 电路结构 3 2 2 工作原理 3 1 3 基本数量关系 4 第二章 三项桥式全控整流电路 5 2 1 电路结构 5 2 2 工作原理 5 2 3 基本数量关系 6 第三章 三项半波可控整流电路仿真 8 3 1 建立仿真模型 8 3 2 参数设置 8 3 3 仿真结果 9 3 4 小结 11 第四章 三项桥式全控整流电路仿真 13 4 1 建立仿真模型 13 4 2 参数设置 14 4 3 仿真结果 14 4 4 小结 17 结语 19 参考文献 20 第 1 页 绪论绪论 整流电路是出现最早的电力电子电路 将交流电变为直流电 电路形式多种 多样 大多数整流电路由变压器 整流主电路和滤波器等组成 当整流负载容量 较大 或要求直流电压脉动较小时 应采用三相整流电路 其交流侧由三相电源 供电 三相可控整流电路中 最基本的是三相半波可控整流电路 应用最为广泛 的是三相桥式全控整流电路 以及双反星形可控整流电路 十二脉波可控整流电 路等 随着时代的进步和科技的发展 拖动控制的电机调速系统在工农业生产 交 通运输以及日常生活中起着越来越重要的作用 因此 对电机调速的研究有着积 极的意义 长期以来 直流电机被广泛应用于调速系统中 而且一直在调速领域 占居主导地位 这主要是因为直流电机不仅调速方便 而且在磁场一定的条件下 转速和电枢电压成正比 转矩容易被控制 同时具有良好的起动性能 能较平滑 和经济地调节速度 因此采用直流电机调速可以得到良好的动态特性 由于直流 电动机具有优良的起 制动性能 宜与在广泛范围内平滑调速 在轧钢机 矿井 卷机 挖掘机 金属切削机床 造纸机 高层电梯等需要高性能可控硅电力拖动 的领域中得到广泛应用 近年来交流调速系统发展很快 然而直流拖动控制系统 毕竟在理论上和在时间上都比较成熟 而且从反馈闭环控制的角度来看 它又是 交流拖动系统的基础 长期以来 由于直流调速拖动系统的性能指标优于交流调 速系统 因此 直流调速系统一直在调速系统领域内占重要位置 对于三相对称电源系统而言 单相可控整流电路为不对称负载 可影响电源 三相负载的平衡性和系统的对称性 故在负载容量较大的场合 通常采用三相或 多相整流电路 三相可控整流电路是三相电源系统的对称负载 输出整流电压的 脉动小 控制响应快 因此被广泛应用于众多工业场合 它是由半波整流电路发 展而来的 由一组共阴极的三相半波可控整流电路和一组共阳极接法的晶闸管串 联而成 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 由于整流电路涉及到交流信号 直流信号以及触发信号 同时包含晶 闸管 电容 电感 电阻等多种元件 采用常规电路分析方法显得相当繁琐 高 压情况下实验也难顺利进行 Matlab 是一种广泛应用于工程计算及数值分析领域的新型高级语言 自 1984 年推向市场以来 历经二十多年的发展与竞争 现已成为国际公认的最优 第 2 页 秀的工程应用开发环境 在欧美各高等院校 Matlab 已经成为线性代数 数值 分析 数理统计 自动控制理论 数字信号处理 时间序列分析 动态系统仿真 图像处理等课程的基本教学工具 已成为大学生必须掌握的基本技能之一 Matlab 功能强大 简单易学 编程效率高 深受广大科技工作者的欢迎 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 进一步省去了编程的 步骤 第 3 页 第一章第一章 三项半波可控整流电路三项半波可控整流电路 1 11 1 电路结构电路结构 为了得到零线变压器二次侧接成星形得到零线 为了给三次谐波电流提供通 路 减少高次谐波的影响 变压器一次绕组接成三角形 为 Y 接法 三个晶 闸管分别接入 a b c 三相电源 其阴极连接在一起为共阴极接法 这种接法触 发电路有公共端 连线方便 如图 1 1 图图 1 11 1 三相半波可控整流电路原理图三相半波可控整流电路原理图 2 22 2 工作原理工作原理 假设将电路中的晶闸管换作二极管 并用VD表示 该电路就成为三相半波可控 整流电路 此时 三个二极管对应的相电压中哪一个的值最大 则该相对应的二 极管导通 并使另两相的二极管承受反压关断 输出整流电压即为该相的相电压 波在相电压的交点处 均出现了二极管换相 即电流由一个二极管向另一个二极 管转移 称这些交点为自然换相点 自然换相点是各相晶闸管能触发导通的最早 时刻 将其作为计算各晶闸管触发角 的起点 即 0 要改变触发角只能是 在此基础上增大它 即沿时间坐标轴向右移 稳定工作时 三个晶闸管的触发脉冲互差 120 规定6 t 为控制角 的起点 称为自然换相点 三相半波共阴极可控整流电路自然换相点是三相电源相电压正 半周波形的交叉点 在各相相电压的6 处 即 1 t 2 t 3 t 自然换相点 之间互差3 2 三相脉冲也互差 120 在 1 t 2 t 区间 有 vu UU wu UU U相电压最高 1 VT承受正向电压 在 1 t 时刻触发 1 VT导通 导通角 120 输出电压 ud UU 其他两个晶闸管 承受反向电压而不能导通 1 VT通过的电流 1 It与变压器二次侧u相电流波形相同 大小相等 可在负载电阻R两端测试 在 2 t 3 t 区间 有 vu UU V相电压最高 2 VT承受正向电压 在 2 t 时 刻触发 2 VT导通 vd UU 1 VT两端电压0Ut uvvu1 UUU 晶闸管 1 VT承受反 向电压关断 第 4 页 在 3 t 4 t 区间 有 vw UU W相电压最高 3 VT承受正向电压 在 3 t 时 刻触发 3 VT导通 wd UU 2 VT两端电压0Ut vwwu2 UUU 晶闸管 2 VT承受 反向电压关断 在 3 VT导通期间 1 VT两端电压0Ut uwwu1 UUU 这样在一个周期内 1 VT只导通 120 在其余 240时间承受反向电压而处于 关断状态 只有承受高电压的晶闸管元件才能被触发导通 输出电压 d u波形是 相电压的一部分 每周期脉动三次 是三相电源相电压正半波完整包络线 输出 电流 d i与输出电压 d u波形相同 Ru i dd 电阻性负载 0 时 1 VT在 2 VT 3 VT导通时仅承受反压 随着 的增加 晶闸管承受正向电压增加 其他两个晶闸管承受的电压波形相同 仅相位依次相 差 120 增大 则整流电压相应减小 30 是输出电压 电流连续和断续 的临界点 当 30 时 后一相的晶闸管导通使前一相的晶闸管关断 当 30 时 导通的晶闸管由于交流电压过零变负而关断后 后一相的晶闸管未到触发时刻 此时三个晶闸管都不导通 直到后一相的晶闸管被触发导通 若 角继续增大 整流电压降越来越小 150 时 整流输出电压为零 晶闸管承受最大正向电压是变压器二次相电压的峰值 2fm UU 晶闸管承受最 大反向电压是变压器二次线电压的峰值 150 时输出电压为零 所以三相半 波整流电路电阻性负载移相范围是 0 150 1 31 3 基本数量关系基本数量关系 整流电压的平均值分两种情况 1 30 时 负载电流连续 有 当 0 时 d U为最大 dd02 U U 1 17U 2 30 时 负载电流断续 晶闸管导通角减小 此时有 5 6 6 d22 1 2sin 1 17cos 2 3 UUtdtU 6 d22 1 2sin 0 675 1 cos 6 2 3 UUtdtU 第 5 页 第二章第二章 三项桥式全控整流电路三项桥式全控整流电路 2 12 1 电路结构电路结构 三相桥式全控整流电路是由三相半波可控整流电路演变而来的 它由三相半 波共阴极接法 VT1 VT3 VT5 和三相半波共阳极接法 VT1 VT6 VT2 的串联组 合 如图 2 1 所示 图图 2 2 1 1三相桥式全控整流电路的电路原理图三相桥式全控整流电路的电路原理图 2 2 2 2 工作原理工作原理 1 三相桥式全控整流电路特性分析 在三相桥式全控整流电路中 对共阴极组和共阳极组是同时进行控制的 控 制角都是 由于三相桥式整流电路是两组三相半波电路的串联 因此整流电压 为三相半波时的两倍 很显然在输出电压相同的情况下 三相桥式晶闸管要求的 最大反向电压 可比三相半波线路中的晶闸管低一半 为了分析方便 使三相全控桥的六个晶闸管触发的顺序是 1 2 3 4 5 6 晶 闸管是这样编号的 晶闸管 1 VT和 4 VT接 a 相 晶闸管 3 VT和 6 VT接 b 相 晶管 5 VT 和 2 VT接 c 相 见图 3 1 晶闸管 1 VT 3 VT 5 VT组成共阴极组 而晶闸管 2 VT 4 VT 6 VT组成共 阳极组 为了搞清楚 变化时各晶闸管的导通规律 分析输出波形的变化规则 下面 研究几个特殊控制角 先分析 0 的情况 也就是在自然换相点触发换相时的 情况 为了分析方便起见 把一个周期等分 6 段 在第 1 段期间 a 相电压最高 而共阴极组的晶闸管 1 VT被触发导通 b 相电位最低 所以供阳极组的晶闸管 6 VT被触发导通 这时电流由 a 相经 1 VT流 向负载 再经 6 VT流入 b 相 变压器 a b 两相工作 共阴极组的 a 相电流为正 第 6 页 共阳极组的 b 相电流为负 加在负载上的整流电压为 abbd UUUUa 经过 60后进入第 2 段时期 这时 a 相电位仍然最高 晶闸管 1 VT继续导通 但是 c 相电位却变成最低 当经过自然换相点时触发 c 相晶闸管 2 VT 电流即从 b 相换到 c 相 6 VT承受反向电压而关断 这时电流由 a 相流出经 1 VT 负载 2 VT 流回电源 c 相 变压器 a c 两相工作 这时 a 相电流为正 c 相电流为负 在 负载上的电压为 accd UUUUa 再经过 60 进入第 3 段时期 这时 b 相电位最高 共阴极组在经过自然 换相点时 触发导通晶闸管 3 VT 电流即从 a 相换到 b 相 c 相晶闸管 2 VT因电 位仍然最低而继续导通 此时变压器 b c 两相工作 在负载上的电压为 bccbd UUUU 余相依此类推 2 带电阻负载时的工作情况 1 当 60 时 d U波形均连续 对于电阻负载 d I波形与 d U波形形状一样 也连续 2 当 60 时 d U波形每 60中有一段为零 d U波形不能出现负值 3 带电阻负载时三相桥式全控整流电路 角的移相范围是 120 3 晶闸管及输出整流电压的情况如表 1 所示 表表 1 1 时段IIIIIIIVVVI 共阴级组中导 通的晶闸管 1 VT 1 VT 3 VT 3 VT 5 VT 5 VT 共阴级组中导 通的晶闸管 6 VT 2 VT 2 VT 4 VT 4 VT 6 VT 整流输出电压ub ua ubcua uc uacub uc ubcub ua ubcuc ua ucauc ub ucb 2 32 3 基本数量关系基本数量关系 1 当整流输出电压连续时 即带阻感负载时 或带电阻负载 60 时 的平均 值为 第 7 页 2 带电阻负载且 60 时 整流电压平均值为 输出电流平均值为 R UI dd 第 8 页 第三章第三章 三项半波可控整流电路仿真三项半波可控整流电路仿真 3 3 1 1 建立仿真模型建立仿真模型 1 首先建立一个仿真的新 Model 命名为 FZ 2 在 Simulink 中提取电路与器件模块 组成上述电路的主要元件有三相交流 电源 晶闸管 RLC 负载 脉冲发生器等 表表 2 2 三相三相半波可控半波可控整流电路模型主要元器件整流电路模型主要元器件 元器件名称提取元器件路径 交流电源SimPowerSystems Electrical Source AC Voltage Source 晶闸管SimPowerSystems Extra Library Power Electronics Detailed Thyristor RLC 负载SimPowerSystems Elements Series RLC Branch 脉冲发生器Simulink Sources Pulse Generator 3 将器件建立系统模型图如下 图图 3 13 1 三相三相半波可控半波可控整流电路模型整流电路模型 3 23 2 参数设置参数设置 参数设置 三相电源电压设置为单相V100 频率设为Hz50 相位角分别为 30 90 210 三个晶闸管 只要有适当的触发信号 便可以使相应晶闸 管在对应的时刻导通 其参数采用默认设置 设置同步电压的频率跟脉冲宽度分 别为Hz50和 10 第 9 页 对应 0 的三个相相应触发延迟时间为 0ms 6 67ms 13 33ms 对应 60 的三个相相应触发延迟时间为 5ms 11 67ms 18 33ms 对应 90 的三个 相相应触发延迟时间为 5ms 11 67ms 18 33ms 选择算法为 ode23tb stop time 设为 0 06 1 电阻负载仿真 设置电路负载为纯电阻性 1R 以下是分别在 0 图 3 2 60 图 3 3 90 图 3 4 时的仿真 结果 2 阻感负载仿真 设置电路负载为阻感性 1R H02 0L 以下是分别在 0 图 3 5 60 图 3 6 90 图 3 7 时的仿真 结果 3 3 3 3 仿真结果仿真结果 图图 3 3 2 2 阻性负载阻性负载 0 第 10 页 图图 3 3 3 3 阻性负载阻性负载 60 图图 3 3 4 4 阻性负载阻性负载 90 图图 3 3 5 5 阻阻感感性负载性负载 0 第 11 页 图图 3 3 6 6 阻阻感感性负载性负载 60 图图 3 3 7 7 阻阻感感性负载性负载 90 3 43 4 小结小结 1 对于纯电阻性负载 0 时的工作原理分析 晶闸管的电压波形 由 3 段组 成 第 1 段 1 VT导通期间 为一管压降 可近似为0Ut1 第 2 段 在 1 VT关断后 2 VT导通期间 uvvu1 UtUUU 为一段线电压 第 3 段 在 3 VT导通期间 uwwu1 UtUUU 为另一段线电压 30 时的波形负载电流处于连续和断续之间的临界状态 各相仍导电 120 30 的情况 负载电流断续 晶闸管导通角小于 120 2 对于阻感性负载 30 时 整流电压波形与电阻负载时相同 30 时 2 u过零时 2 VT不关断 直到 2 VT的脉冲到来才换流 由 2 VT导通 向负载供电 同时向 2 VT施加反压使其关断 因此 d u波形中会出现负的部分 d i 第 12 页 波形有一定的脉动 但为简化分析及定量计算 可将 d i近似为一条水平线 阻感 负载时的移相范围为 90 第 13 页 第四章第四章 三项桥式全控整流电路仿真三项桥式全控整流电路仿真 4 4 1 1 建立仿真模型建立仿真模型 1 首先建立一个仿真的新 Model 命名为 FZ 2 在 Simulink 中提取电路与器件模块 组成上述电路的主要元件有三相交流 电源 晶闸管 RLC 负载 脉冲发生器等 表表 3 3 三相全桥整流电路模型主要元器件三相全桥整流电路模型主要元器件 元器件名称提取元器件路径 交流电源SimPowerSystems Electrical Source AC Voltage Source 通用整流桥SimPowerSystems Extra Library Power Electronics Universal Bridge RLC 负载SimPowerSystems Elements Series RLC Branch 6 脉冲发生器SimPowerSystems Extralibrary Control Blocks Synchronized 6 Pulse Generator 触发角设定Simulink Sources Constans 3 将器件建立系统模型图如下 根据三相桥式全控整流电路的原理可以利用 Simulink 内的模块建立仿真模 型如图 4 所示 设置三个交流电压源 a V b V c V相位角依次相差 120 得到整 流桥的三相电源 用 6 个晶闸管构成整流桥 实现交流电压到直流电压的转换 6 个 Pulse Generator 产生整流桥的触发脉冲 且从上到下分别给 1 6 号晶闸 管触发脉冲 第 14 页 图图 4 14 1三相桥式全控整流电路的仿真模型三相桥式全控整流电路的仿真模型 4 24 2 参数设置参数设置 参数设置 三相电源电压设置为单相V100 频率设为Hz50 相位角分别为 0 120 240 三相晶闸管整流桥相当于六个晶闸管 只要有适当的触发 信号 便可以使相应晶闸管在对应的时刻导通 其参数采用默认设置 设置同步 电压的频率跟脉冲宽度分别为Hz50和 10 alpha deg 是移相控制角信号输 入端 通过设置输入信号给它的常数模块参数便可以得到不同的触发角 从而 产生给出间隔 60的双脉冲 选择算法为 ode23tb stop time 设为 0 06 1 电阻负载仿真 设置电路负载为纯电阻性 10R 以下是分别在 0 图 4 2 30 图 4 3 60 图 4 4 90 图 4 5 120 图 4 6 时的仿真结果 2 阻感负载仿真 设置电路负载为阻感性 10R H1 0L 以下是分别在 0 图 4 7 30 图 4 8 60 图 4 9 90 图 4 10 时的仿真结果 4 4 3 3 仿真结果仿真结果 图图 4 24 2 阻性负载阻性负载 0 第 15 页 图图 4 4 3 3 阻性负载阻性负载 30 图图 4 4 4 4 阻性负载阻性负载 60 图图 4 4 5 5 阻性负载阻性负载 90 第 16 页 图图 4 4 6 6 阻性负载阻性负载 120 图图 4 4 7 7 阻阻感感性负载性负载 0 图图 4 4 8 8 阻阻感感性负载性负载 30 第 17 页 图图 4 4 9 9 阻阻感感性负载性负载 60 图图 4 4 1010 阻阻感感性负载性负载 90 4 44 4 小结小结 通过以上的波型图 我们可以得出以下结论 1 对于纯电阻性负载 当触发角小于等于 90时 d U波形均为正值 直流电流 d I 与 d U成正比 并且电阻为 10 欧姆 所以直流电流波形和直流电压一样 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 d U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 2 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 第 18 页 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 d U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 d i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 移相范围为 0 90 电感能够使电流输出平稳 在没有续流二极管的情况下 晶闸管的导 通时间得到延长 而当加入续流二极管后 电流通过二极管续流 二极管续流功 率损耗较小 这时输出电流相对来说就较不加续流二极管时要小 而输出电压相 对来说却要大些 第 19 页 结语结语 通过仿真和分析 可知三相桥式全控整流电路的输出电压受控制角和负载特 性的影响 通过应用 Matlab 的可视化仿真工具 Simulink 对三相可控整流电路的 仿真结果进行了详细分析 并与常规电路理论分析方法所得到的输出电压波形进 行比较 进一步验证了仿真结果的正确性 采用 Matlab Simulink 对三相可控 整流电路进行仿真分析 避免了常规分析方法中繁琐的绘图