现代电力电子——三相桥式全控整流电路

1、PowerII11Electr onics现 代 电 力 电可修编.学院：XX：学号：联系方式:目录1绪论1电力电子实验仿真背景11.1.1电力电子技术概述11.1.2电力电子技术的应用11.1.3国外电力电子技术发展WS3计算机仿真的意义5本文研究的主要容62 SIMULINK模里库及使用72.1 SIMULINK的模块库介绍72.2电力系筑模块库的介鉛72.3 SIMULINK ffi 真的步骤 83交流-直流变浦器（整流器）三相桥式全控整流电胳103.1电作原理门3.2三相桥式全控整流电路建模113.3仿真与分析124给论25电力电子实验仿真背景1.1.1电力电子技术IR述电能是现代工农

2、业、交通运输、通信和人们日常生活不可缺少的能温。电能一般分 为直流电和交流电两大类，观代科学技术的发展使人们对电能的要求極来越高，不仅需 要将交流电转变成直流电，直流电转变成交流电，以满足供电电源与用电设备之同的IE 配关系，U需要通过对电压、电流、顒率、功率因数夫和谐波等的控H fll iBI节，以提高 (ft电的质量和满足各种各样的用电要求，这些要求在电力电子枝术岀现之前是不可能实 现的。IS着现代电力电子技术的发展,各种新塑的电力电子器件的研究、开发和应用， 使人们可以用电力电子变流技术为各种各样的用电要求提哄高品质的电溫，提高产品的 质量和性能，提高生产效率，改善人们的生活坏境。将来从

3、电网得到的工顒电能大SU分 都需要经过电力电子装置的二次变换处理，电力电子的应用领域将越来越广阖。1.1.2电力电子技术的应用电力电子技术主要包祐电力电子器件、电力电子电路和电力电子装置及其系鋭。近 年来，功率变流技术得到了迅猛发展，经过变流技术处理的电能在整个国民经济的耗电 量中所占比例越来越大，成为其他工业技术发展的重要基础。电力电子技术应用非常广 泛，举例如下:(1)电气传动电力电子技术是电动机腔制技术发展的最重要的物质基础，电力电子技术的迅箱发 展促使电动机腔制技术水平有了突破II的提高。利用整流器或斬波器获得可变的直流电 源，对直流电动机电枢或朋磁绕组哄电，腔制直流电动机的转速和转矩

4、，可以实现直流 电动机变速传动腔制。利用逆变器或交一交直接变颐器对交流电动机fft电，改变逆变器 或变颐器输岀的颐率和电压、电流，即可经济、有效地腔制交流电动机的转速和转矩， 实观交流电动机的变速传动。交流电动机的变频调速在电气传动系统巾占据的地位日范重要，已获得巨大的节能 效果。变颐器是实现交流变颐调速的重要坏节。变频器电源主电路均果用交流一直流一 交流方案。工频电源通过整流器编程固定的直流电压，然后由大功率晶体管或IGBT组成 的PWM高频变换器，将直流电压逆变成电压、頫率可变的交渣输岀，电源输岀渋形jfittl 于正夜波，用于驱动交流异步电动机实观无级调速。(2) 电源工业和社会的各个頷

5、域需要不同种类的电源。(O,近年来H P-MOSFET和IGBT为主开 关元件组成的逆变焊机IR得了实质性进展。不间斷电源(UPS)被广泛的应用于廿算机、通信、仪器设备、各种愧电子系统员公 共场所。(3) 电网进化技术近年来，I®着电力电子装置的应用与普及，电啊波形附变日范严重。传貌的无源滤 渋方法难以应付日益严重的电网“公害”。人们从电力电子技术本身找到了解决的途径， 这就是有源滤波器。(4) 电力系貌应用高压直流输电(HVDC)在输电线路的送端«1«交流变为直运,在受常再将直 流变回工颐交流。高压直流输电从根本上解决了输电系貌的隐定性间题，减少了线路的 武功消

6、耗，实现了瓦距离、大功率高压直流输电。在高压直流输电系貌中，它需在线路 两常设置整流、逆变员无功补偿装置。妹上所述，电力电子技术已经渗透到航天、国肪、工农业生产、交通、文教卫生、 亦公室自动化乃至于家庭的任何角落。伴I#着器件与变流电路的进步，电力电子技术的 应用领域也将会有新的突破代1.1.3国外电力电子技术发展橢况电力电子技术就是采用功率半导体器件湘电能进行转换、控制和优化利用的技术, 它广泛应用于电力、电气自atu各种电源系统等工业生产和民用部门。电子器件的特点之一就是开关控翎，通态压降接近零，本身电耗小，与攒机控翎组 成系统后，在对电能进行腔制变换和嗚节的过程中都处于最高效率状态，因此

7、，具有明 显的节能效果。电力电子器件的发展大体分为三个阶段，U上世纪50年代的半控器件可 控fii SCR(Semi-Conductor Rectifier),发展到上世纪80年代以后的全腔器件GTOfGate Turn-off thyristor) s GTRant Transistor) s POWER MOSFET(Power Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor),宜至现在的第三代电力电子器件 IGBT(lnsulated Gate Bipolar Transistor) s IGCT(lntegrated Gate muc

8、ated Thyristor) s SITfStatic Induction Transistor) x MCT(M0S Controlled Thyristor) s SITH(Static Induction Thyristor)等。其发展骂势是电力电子 器件的助率越来越大，开关颐率越来趟高。由电力电子器件枸成的电力电子电路有ACDC、DC-DC、DC-AC、AC-AC四种类塑, 可以进斤变流、能量变换、变頻,主要用于电机调速和电源系境。除工业上的轧机、r 井卷畅机、机床、造奴用电机的圳速外，风机、水泵电机调速可节约大量电能。在电源 领域，电解、电鍍和冶金用大电流直流电瀾，电炉、电甌按拌机

9、及热处理用的低频、中 颐、高頓交流电源,焊机电源和各种控制电源应用了电力电子技术后,节能效果显普， 并大大减少了对原林料的消耗。电力电子技术的发展先后经历了整流器时代、逆变器时代和变颛器时代，并促进了电力 电子技术在许名新领域的应用。20世纪80年代末期和90年代初期发展起来的、以助率 MOSFET和IGBT为代表的、集成顒高压和大电流于一身的功率半导体夏合器件表明传统电 力电子技术已经进人现代电力电子时代。变流电路的基本助能是实现电能形式的转换。其基本形式有四种：整流电路、逆变电路、调压电路、新波电路，如图所示:变说电路基本形式将交流电能转换为宜流电能的电路，称为整流电路。由电力二极管可组成

10、不可腔整流电路。以往使用最方便的整流电路像晶闸管相腔整流电路，其具有网侧助率因UIK 谐渋严重等缺点。由全腔型器件组成的PWM整流电路具有高功率因数等优自，近年来得 到进一步发展与推广，应用前景广泛。将直流电能转换为交流电能的电路，称为逆变电路。逆变电路不但能使直流变成可 调的交流，而冃可输岀连续可调的工作颐率。将一种直流电能转换成另一固定电压或可调电压的直流电的电路，称为新波电路或 DC-DC变換电路。聊波电路大都采用PWM控制技术。将国定大小和频率的交流电能转换为大小和颍率可调的交流电能的电路，称为调压 电路或交流变换电路。交流变换电路可分为交流嗚压电胳和交-交变频电路。交流啣压电 路在维

11、持电能频率不变的悄况下改变输岀电压帕值。交-交变频电路亦称为周波变换器， 它把电网颐率的交流电直接变换成不同颍率的交流电。近年来，以电力电子器件为基础的电气传动技术发展很快，从而为电机变频调速系 统的开发和研制提供了先进的物质基础，给工业、民用业带来了无限的生HI和活力，给 国家节约了大量的能源，而目减少了坏境污染。国际上自80年代变频调速器®fO术突破后，在许名领域得到广泛应用。比较有名 的家主要有美国的罗宾康(ROBICON)公司、罗克韦尔(ROCKWELL)自动化AB公司、GE 公司,德国的西门子(SIEMENS)公司，瑞士的ABB公司及法国AISTOM公司等。由于电力 电子技

12、术的迅速发展，新的电力电子器件的出现以及现代控制理论方法在调速控JI系鋭 中的应用，变频器折处于不斷完善中。我国电机驱动系貌的能源利用率非常低，在电HI能耗中，高压电机的能SSilT 70%,因而电机的节能得到了政府和企业的广泛关注。在电机领域，一些发达国家采用变 频调速率已高14 70%,而中国只有10%左右。因此，高压变颐器市场发展前景十分广阖。廿算机15真的意义所谓仿真(simulation)指的是利用模里再现实际系筑中发生的本质过程，并目通过上述 模型的试验来研究已存在的或廿划中的系筑。换旬话说，仿真就是利用模里对实际系统 进行实验研究的过程。计算机仿真可以分为两个il程：理模与实验。

13、所谓建模，就是根据研究对象的基本 物理规律，对物理系统写岀其运动规律的数学方程，即数学模塑的过程。在建模11程中， 数学模塑代表的数学系貌是实际系筑在撕念轴上的投影；建模的本质在于将所研究的系 貌投影到适当的槪念轴上。换旬话说，所翟立的数学模塑，实际上只是根掘研究目的确 定的模塑，是对系统某一方面本质屈性的抽象描述。所谓实验就是利用模里对系统方程 2H亍求解。对于数学仿真而言,其过程就是利用适当的程序语言将所研究的物理系境的 数学模型编制成程序，并向其输入不同的条件th it算的il程。目前在电力电子设廿领域使用的仿真軟件大体可以分为以下几类：一类是通用电胳 仿真软件，例如Spice, SAB

14、E等；另一类是专用仿真軟件，例如电力系缆仿真軟件EMTP 和控制系筑仿真软件M ATLIB等;第三类是专门为电力电子系统设廿的仍真軟件,例如为 开关电源设廿用的SIMPLIS等。总之，利用廿算机仿真的方法设廿电力电子电路,可以提高设it工作的效率和质量。 此时设it者可以将精力集中在设it而不是各种it算上，并且可以在硬件没有建立之前对 系貌进行研究、优化和对设it进行验込，进而为搭建成的硬件系貌的试验与测试提侠荷 导和帮助。当然研究人员也应当清楚地了解运用各种仿真工具谨行设廿的局限性,SB免 导致錯淚的推Bi习设it%本文研究的主要容本论文运用MATLAB软件对电力电子系筑流-直流变流器的几

15、种实现过程进行仿真分 折得岀仿真曲线。仿真用powersys模型库中的二股管和晶闸管等模块来构建，对三相整 流电路模型库中有 6-pulse diode bridge、6-pulse thyristor bridge 、 universal bridge 等模挟 调用。2SIMULINK模型库及便用MATLAB的SIMULINK是很有特色的仿真环境，在此环境中,可以用自击拖动圃标的 方式绘制和组织系貌或电路，并完成对系貌和电路的仿真。原来的MATLAB仿真编程是 在文本窗口中进行的,编制的程序是-fifi的命令和MATLAB函数,不直观也难以与实 际的物理系筑威电路建立形象的联系。在SIMUL

16、INK坏境中，系统的函数和电路元器件的 模型都用«!图来表达，IB图之间的连线则表示了信号流动的方向。我们只要学习图形界 面的使用方法和熟悉模型库的容,就可以很方便地使用最标和谜盘进行系貌和电路的仿 真。MATLAB的工具箱已经有根其丰富的西，现在主要介鉛系境仿真(SIMULINK)和电力 系 (Power System Block)两个模決库。2.1 SIMULINK的模块库介谿整个Simulink模块库是由各个模块组构成，标准的Simulink模块库中,Bfi：信号 源模快组(Source)、仪器仪表模块组(Sinks)、连续模快组(Continuous)、离散模块组 (Disc

17、rete)、数学运算模块组(Math)、非线性模块组(Nonlinear)、函数与表格模決组 (Function&Tables )、信号与系貌模快组(Signals&Systems)和子系貌模挟组(Subsystems)几个 部分，此外还有和各f工具相与模決集之同的联系构成的子模块组，用户还可以将自己 编写的模块组桂靠到整f模型库浏览器下。2.2电力系鋭模块库的介给3人MATLAB系统后打开Simulink模块库測览窗口，用鼠标左健双击其中的 SimPowerSystems即可强岀电力系统工具箱模块库，它色括应用元件库(Application Libraries)，电源库(El

18、ectrical Sources),基本元件库(Elements),元件库(Extra Library)，电机 元件库(Machines)，測量元件库(Measurements)和电力电子元件库(Power Electronics)0 &些 模快库包含了大多数常用电力系貌元件的模块。利用这些库模块员其它库模快，用户可 方便、直观地建立各种系貌模型并进行仿真。(1) 电路元件模型该部分 SIS ®i路器(Breaker)、分布参数线(Distribute Parameter Line)、线性变压器(Linear Transformer) x 并联 RLC 负荷(Parallel

19、 RLC Load), Pi 型线路参数(Pi Section Line)、IB 和变压 % (Saturable Transformer) x $ R RLC 支路(Series RLC Branch)、串联 RLC ft 荷(Series RLC load)、过电压自动装置(Surge Arrester)o这部分可以IS真交流输电线装置。(2) 电力电子设备模型此部分含有二极管(Diode)、GTo、理想开关(Ideal Switch)、MOS管(Mosfet)、可腔晶 fit(T hyristor)的仿真模塑。这些设备模型不仅可以单独真而且可以组合在一起仿 真整流电路等直流输变电的电力电

20、子设备。(3) 电机设备模型此部分有异步电动机(Asynchronous Machine) s丽础系筑(Excitation System) s水轮电机 员其监測系 S (Hydraulic Turbine and Governor(HTG)、永感同步电机(Permanent Magnet Synchronous Machine)、简化的同步电机(Simplified Synchronous Machine)、同步电机 (Synchronous Machine)o这些模型可以仿真电力系第中发电机设备，电力拖动设备等。(4) 接线设备模塑2-80分包祐一些电力系统中常用的接线设备。如接地设备、输

21、电线骨线等。(5) 測量设备模里该部分模塑是用来采集线路的电压或电流值的电压表和电流表。这一部分还起着连接 SIMULINK模塑与POWERLIB模塑的作用。2.3SIMULINK 真的步骤利用SIMULINK坏境仿真一个系筑的11程基本上可以分为如下几个步駅:(1 )根据要仿真的系统抵图，在SIMULINK窗口的仿真平台上构建仿真模里。Jt 11 程要首先打开SIMULINK窗口和模里測览器，務需要的典里坏节模块提取到仿真平台上， 然后将平台上的模快一一连接，形成仿真的系貌IB图。一个完整的仿真模里应该至少色 括一个源模块(Sources) fll 一个输出模块(Sinks)。(2) 设置模

22、块参数。完成模块提取利组JO真模塑后,需要给各个模挟K值。这时, 用最标双击模決图标，弹岀模块参数对话框，并在对话框中输人模块参数，输人完成后 点击0K按钮，对话框自动关01,该模快的参数设置完成。(3) 设置仿真参数。在对绘制好的模里进行仿真前，还需要确定仿真的步长、时间 和选取仿真的算法等，也就是设置仿真参数。设置仿真参数可自击SIMULINK窗口的菜单 上的Simulation ,在下也的子菜单中虑击Simulation Parameters命令或用键盘中的Ctrl + E So这时弹出仿真参数设置的对站框,对站框中有Solver、Workspace I/O Diagnostics、 A

23、dvanced fllReal-TimeWorkshop5大顶容，其中最常需设置的是解算器“Solver”。其中 仿真时间(Simulation time)有开始时同(Start time)和终止时间(Stop time)两项，连续系貌 中仿真时间一般从零开始，可以先预设一个仿真的终止时風,在仿真il程如果预设的时 间不足，可以即时修改。算法选择(Solver options)中廿算类型(Type)有可变步长(Variablestep)和同定步长(Fixed-step)两种,在可变步长和固定步长下还有多种数值计算 方法可侯选择。该栏中经常还要设置的有仿真淚差,泄有相对溟差(Relativeto

24、lerance)和 绝对溟差(Absolute) tolerance)两项,系貌默从的相对娱差1/1000。选择合适的廿算误差， 对仿真的速真计算能否收敛影响很大,尤其在仿真不能收敛时，适当故宽误差可 以取得效果，绝对误差一般可取“自动(auto) ” o(4) 启和仿真。设置仿真参数和选择解法器之后，就可以启动俯真而运行。选择 Simulink菜单下的start选顶来启动仿真，如果模璽中有些参数没有定义，则会出现錯淚 信息提示ffio #0果一切设置无j|, i开始仿真运行，结東时系貌会发岀一鸣叫声。3交滝-直浦变流器（整漉器）三相桥衣全控整浦电路交流-直流变流器艮称整流器、AC-DC变流器

25、，其作用是将交流电转变为直流电，一 般也称整流，并冃在整流的同时还对直流电压电流亍调节，以仔合用电设备的要求。 常用的整流器有单相和三相整流器，从腔制角度区分，有不腔、半腔和全腔整流电路之 分，从输岀直流的波形来区分，Q有半波和全波整流之分。二极管、晶闸管是常用的整 流器件，现在果用全腔型器件的PWM方式整流器也越来越名。整流电路的仿真可以用 powersys模塑库中的二极管和晶闸管等模块来构建,对三相整流电路模型库中有6-pulse diode bridge、6-pulse thyristorbridge、universal bridge 等模挟可以训用，使用这些模快可以使仿真更方便。复杂的

26、大助率名相整流器可以在三相桥的基础上购建。这里主要介给 常用的单相和三相的相控整爲电路的仿真。3.1电路结构及工作原理三相可腔整流电路中应用最多的是三相桥式全腔整流电路，如图21所示。VT2VT,叫VTdVTsVT?d3图21三相桥式全腔整流电路原理完整的三相桥式全腔整流电路由整流变压器，6个桥式连接的晶闸管、负教、触发器 和同步坏节组成。兀个晶闸管依次相隔60。顒发，将电源交流电整流为直流电。在三相桥式全腔整流电路中，毎一个导电回路中有2个晶闸管，即用2个晶闸管同时 导通以控制导电的回路。3.2三相桥貳全控整流电路建模三相桥式全控整爲电路的仿真模型如图22：图22三相桥式全控整流电胳仿真模里

27、3.3仿真与分桥带纯电IB性负载的悄况相应的参数设置:(1 )交流电压源参 SU=220*sqrt(2)=380V, f=50 Hz,相位依次延迟120。( 0。、-120。、 -240°)；(2) 电IflR的值取50。(3) 整流变压器参数设置:一次绕组联结(winding 1 connection )选择Delta ( D11 ), 线电压为220x<3=380V；二次绕组联结(winding 2 connection )选择Y,线电压为100x <3=173V,其他参数因防真要求不高保持默认值。(4) 同步变压器参数设置:一次绕组联结(winding 1 conn

28、ection )选择Delta ( D11 ),线电压为380V；二次绕组联( winding 2 connection )选择Y,线电压为15V,其他参数保持默认值。(5) 三相晶闸管整流器参数设置：使用默认值。(6) 同步6脉冲发生器：f=50Hz，脉冲宽度为2。，选择双脉冲融发方式。(7) 触发角设置：给定alpha设置为不同的控制角。(8) 设置仿真参数:仿真时间为2s,选择变步K ( variable ),数值算法果用ode15, 误差默认1/1000o下面为带纯电阳性负裁三相桥式全控整流电路不同控制侨的仿真给果对比：a)整闻器输入的三相线电压波形50la5000.010.020 0

29、30.040.050.060.070.08b）整流变压器二次侧三相电流波形Id0整流输出电压平为值及整流器输岀电圧电流波形图23*30。三相桥式全控整流电路（电址性负载）仿真结果（上）Uabca）整流器输人的三相线电压波形5000.010.020.030.040.050.060.070.08Ictb）整流变压器二次侧三相电流波形200UdAVGQL丄丄丄00.010.020.030.040.050.060.070.08UdtC）整流输出电圧平物值及整流器输岀电压电流波形图24*60。三相桥式全控整流电路（电IB性负载）仿真结果（上）a）整流器输人的三相线电圧波形la00.010.020.030

30、.040.050.060.070.08-50b）整流变压器二次H三相电流波形IIIBill 200rr-:r：?00.010.020.030.040.050.060.070.08C）整流输出电圧平整流器输岀电压电流波形图25*90。三相桥式全控整爲电路（电IB 11负载）仿真结果（上）Uabca）整流器输人的三相线电压波形la50111rtillIlliIlliIlli Illi 0 !S!F"5000.010.020.030.040.050.060.070.08Ictb）整流变压器二次侧三相电流波形20010000.010.020.030.040.050.060.070.08Id0

31、00.010.020.030.040.050.060.070.08t0整流输出电圧平整流器输岀电压电流波形图26*120。三相桥式全控整流电胳（电皿性负裁）仿真结果（上）带电si电廉性负義的tsa：带电Hl电感负教的仿真庁带纯电Hl负载的仿真方法基本相同,只需将RLC串联分支 设置为电阻电感性负载，即负载参数设置为R=5Q, L=0.01H, C=info此时的仿真结果对 比如下。a）整流器输人的三相线电压波形200000.010.020.030.040.050.060.070.08tb）整流变压器二次侧三相电流波形UdAVG0 LI 丄丄丄丄丄00.010.020.030.040.050.0

32、60.070.08200000.010.020.030.040.050.060.070.08t0整流输岀电压平均值及整流器瑚岀电压电流波形图27*30。三相桥式全控整流电路（皿感性负我）仿真结果（上）a）整济器翰入的三相线电压波形20000.010.020.030.040.050.060.070.08Ictb）整流变压器二次H三相电流波形150100500filltillrrtttt00.010.020.030.040.050.060.070.08C）整流聯出电压平整流器输出电压电流波形图28x90。三相桥式全控整流电路（皿感性负裁）仿真结果（上）a）整流器输入的三相线电压波形1000 -10

33、0 -0la0.010.020.030.040.050.060.070.08b）整流变压器二次H三相电流液形150 iiiiiiiiIIIiiii/IIIiiii100 ；:01_川1111111100.010.020.030.040.050.060.070.08t0整流输出电圧平整流器输岀电压电流波形图29*120。三相桥式全控整流电路（阳感性负教）仿真给果（上）当加60。时(0=30。图27(c)电阻电感负Udi形连续，工作悄况与带电址负 载时相似。区别在于：得到的负我电流Id波形不同。当电感足够大时，Id的波形可近俶为 一条直线。当a >60°时(a=90°图28(c)电皿电感负我时的工作悄况与电恤负我时不同，址感 负载时，Ud波形会岀现负的部分。三相桥式全腔整流电路的afflf?相围为90。目通过观察三相桥式全腔整流电路(电阻II负ft ) Ifi真结果可见，实整流电路观了 整流的效果，整流后的电压是直流，目波形与三相输人电压波形相对应。整流后的电