三相桥式全控整流电路MATLAB仿真

电力电子技术

课 程 设 计 说 明 书

专 业: 题 目: 指导教师: 组长姓名： 电气工程及其自动化 三相桥式全控整流电路的设计与仿真（阻感负载） 牛慧芳 李昂 学号 学号 范铮 崔少东 王新嘉 张艺 于亮 学号 学号 学号 学号 学号 1227034136 1227034138 1227034139 1227034129 1227034144 1227034153

组员姓名： 组员姓名： 组员姓名： 组员姓名： 组员姓名： 组员姓名：

2015 年 1月 14 日

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1. 概述.......................................................................................................................... 1

1.1 设计目的.......................................................................................................... 1 1.2 设计目标及设计要求...................................................................................... 1 1.3 设计进度.......................................................................................................... 1 1.4 分工.................................................................................................................. 1 2. 系统方案及主电路设计.......................................................................................... 2

2.1方案的选择....................................................................................................... 2 2.2 系统流程框图.................................................................................................. 2 2.3 主电路设计...................................................................................................... 3 3．控制、驱动电路设计.............................................................................................. 6

3.1触发电路简介................................................................................................... 6 3.2触发电力设计要求........................................................................................... 7 3.3过电压保护....................................................................................................... 8 3.4过电流保护..................................................................................................... 10 4．系统MATLAB仿真.................................................................................................. 12

4.1MATLAB软件介绍 ........................................................................................ 12 4.2系统建模与参数设置..................................................................................... 12 4.3系统仿真结果及分析..................................................................................... 19 5．设计体会................................................................................................................ 12 6．参考文献.............................................................................................................. 120

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1. 概述

1.1 设计目的

三相桥式全控整流电路在现代电力电子技术中具有很重要的作用和很广泛的应用。这里结合全控整流电路理论基础，采用Matlab的仿真工具Simulink对三相桥式全控整流电路进行仿真，对输出参数进行仿真及验证，进一步了解三相桥式全控整流电路的工作原理。

1.2 设计目标及要求设计要求

2.1设计任务

设计一个三相可控整流电路使其输入电压: （1）三相交流380伏 、频率为50赫兹、 （2）输出功率2KW、负载为阻感性负载。 （3）移相范围：0°~ 90° 2.2 设计要求

（1）设计出总体结构框图，以说明本课题由哪些相对独立的部分组成，并以文字对原理作辅助说明；

（2）设计各个部分的电路图，并加上原理说明； （3）MATLAB仿真实验。

1.3 设计进度

（1） 1月14日—1月15日对实验进行理论分析、论证；

（2） 1月15日—1月16日进行主电路、触发电路、保护电路的设计及理论分析； （3） 1月19日—1月21日用MATLAB软件对实验进行建模仿真并对仿真结果进行分析；

（4） 1月22日—1月23日对本次实验进行分析总结，分享实验心得体会。

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1.4 分工

（1）系统方案选择及主电路设计：范铮、张艺； （2）控制、驱动电路设计：崔少东、于亮； （3）系统MATLAB仿真：家登辉、李昂、王新嘉。

2. 系统方案及主电路设计

2.1 方案的选择

三相桥式全控整流电路系统通过变压器与电网连接，经过变压器的耦合，晶闸管主电路得到一个合适的输入电压，使晶闸管在较大的功率因数下运行。变流主电路和电网之间用变压器隔离，还可以抑制由变流器进入电网的谐波成分。保护电路采用RC过电压抑制电路进行过电压保护，利用快速熔断器进行过电流保护。采用锯齿波同步KJ004集成触发电路，利用一个同步变压器对触发电路定相，保证触发电路和主电路频率一致，触发晶闸管，使三相全控桥将交流整流成直流，带动直流电动机运转。

结构框图如图1-1所示。整个设计主要分为主电路、触发电路、保护电路三个部分。框图中没有表明保护电路。当接通电源时，三相桥式全控整流电路主电路通电，同时通过同步电路连接的集成触发电路也通电工作，形成触发脉冲，使主电路中晶闸管触发导通工作，经过整流后的直流电通给直流电动机，使之工作。

2.2 系统流程框图

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电源 三相桥式全控整流电路 直流电动机 触发模块同步电路 触发信号 集成触发器 图1-1 三相桥式全控整流电路结构图 2.3 主电路设计

图2-1 主电路原理图

2.3.1 主电路原理分析

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，即共阴极组中与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。编号如图示，晶闸管的导通顺序为 VT1－VT2－VT3－VT4－VT5－VT6。 2.3.2 三相全桥工作特点

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，因

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此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一对晶闸管同时加触发脉冲，所以触发脉冲的宽度应大于π／3的宽脉冲。宽脉冲触发要求触发功率大，易使脉冲变压器饱和，所以可以采用脉冲列代替双窄脉冲；每隔π／3换相一次，换相过程在共阴极组和共阳极组轮流进行，但只在同一组别中换相。接线图中晶闸管的编号方法使每个周期内6个管子的组合导通顺序是VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6；共阴极组T1，T3，T5的脉冲依次相差2π／3；同一相的上下两个桥臂，即VT1和VT4，VT3和VT6，VT5和VT2的脉冲相差π，给分析带来了方便；当α=O时，输出电压Ud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，比三相半波电路高l倍，脉动减小，而且每次脉动的波形都一样，故该电路又可称为6脉动整流电路。同理，三相半波整流电路称为3脉动整流电路。α>0时，Ud的波形出现缺口，随着α角的增大，缺口增大，输出电压平均值降低。当α=2π／3时，输出电压为零，所以电阻性负载时，α的移相范围是O～2π／3；当O≤α≤π／3时，电流连续，每个晶闸管导通2π／3；当π／3≤α≤2π／3时，电流断续，各晶闸管导通小于2π／3。当α=π／3是电阻性负载电流连续和断续的分界点。 2．3.3 阻感负载时的波形分析

三相桥式全控整流电路大多用于向阻感负载和反电动势阻感负载供电（即用于直流电机传动），下面主要分析阻感负载时的情况，因为带反电动势阻感负载的情况，与带阻感负载的情况基本相同。

当α≤60度时，Ud波形连续，电路的工作情况与带电阻负载时十分相似，各晶闸管的通断情况、输出整流电压Ud波形、晶闸管承受的电压波形等都一样。区别在于负载不同时，同样的整流输出电压加到负载上，得到的负载电流 id 波形不同，电阻负载时 Ud波形与 id 的波形形状一样。而阻感负载时，由于电感的作用，使得负载电流波形变得平直，当电感足够大的时候，负载电流的波形可近似为一条水平线。图2-2和图2-3分别给出了三相桥式全控整流电路带阻感负载α=0度和α=30度的波形。

图2-2中除给出Ud波形和id波形外，还给出了晶闸管VT1电流 iVT1 的波形，可与带电阻负载时的情况进行比较。由波形图可见，在晶闸管VT1导通段，iVT1波形由负载电流 id 波形决定，和Ud波形不同。

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图2-3中除给出Ud波形和 id 波形外，还给出了变压器二次侧a相电流 Ia 的波形，在此不做具体分析。

图2-2 触发角为0度时的波形图 图2-3 触发角为30时的波形图

当α＞60度时，阻感负载时的工作情况与电阻负载时不同，电阻负载时Ud波形不会出现负的部分，而阻感负载时，由于电感L的作用，Ud波形会出现负的部分。图2-4给出了α=90度时的波形。若电感L值足够大，Ud中正负面积将基本相等，Ud平均值近似为零。这说明，带阻感负载时，三相桥式全控整流电路的α角移相范围为90度。

图2-4 触发角为90时的波形图

2.3.4定量分析

在以上的分析中已经说明，整流输出的波形在一周期内脉动6次，且每次脉动的波形相同，因此在计算其平均值时，只需对一个脉波（即1/6周期）进行计算即可。此外，以线电压的过零点为时间坐标的零点，于是可得当整流输出电压连续时（即带

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阻感负载时，或带电阻负载α≤60时）的平均值为：

π1236U2sintd(t)2.34U2cos Udππ33o

电阻负载且α>60o时，整流电压平均值为：

3ππU6Usintd(t)2.34U1cos(）π d22

π33 输出电流平均值为:

IdUd

R 当整流变压器为图2-1中所示采用星形联结，带阻感负载时，变压器二次侧电流波形如图中所示，为正负半周各宽120、前沿相差180的矩形波，其有效值为 ： I2o

o

12222IdπIdπ2π332Id0.816Id 3 晶闸管电压、电流等的定量分析与三相半波时一致。

3．控制、驱动电路设计

3.1触发电路简介

电力电子器件的驱动电路是电力电子主电路与控制电路之间的接口，是电力电子的重要环节，对整个装置的性能有很大的影响。采用良好的性能的驱动电路。可以使电力电子器件工作在比较理想的开关状态，缩短开关时间，对装置的运行效率，可靠性和安全性都有很大的意义。

对于相控电路这样使用晶闸管的场合，在晶闸管阳极加上正向电压后，还必须在门极与阴极之间加上触发电压，晶闸管才能从截止转变为导通，习惯上称为触发控制。提供这个触发电压的电路称为晶闸管的触发电路。它决定每一个晶闸管的触发导通时刻，是晶闸管装置中不可缺少的一个重要组成部分。晶闸管相控整流电路，通过控制触发角的大小即控制触发脉冲起始位来控制输出电压的大小，为保证相控电路的正常工作，很重要的一点是应保证触发角的大小在正确的时刻向电路中的晶闸管施加有效的触发脉冲。

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3.2触发电路设计要求

晶闸管具有硅整流器件的特性，能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程可以控制、被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中。晶闸管具有下面的特性：

1） 当晶闸管承受反向电压时，无论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。 2） 晶闸管承受正向阳极电压时，仅在门极承受正向电压的情况下晶闸管才导

通。

3） 晶闸管在导通情况下，只要有一定的正向阳极电压，不论门极电压如何变化，

晶闸管都保持导通，即晶闸管导通后，门极失去作用。

4） 晶闸管在导通情况下，当主回路电压（或电流）减小到接近于零时，晶闸管

关断。

根据晶闸管的这种特性，通过控制晶闸管的导通和关断时刻，就能控制整流电路的触发角的大小。在整流电路合闸启动过程中或电流断续时，为确保电路的正常工作，需保证同时导通的2个晶闸管均有触发脉冲。在触发某个晶闸管的同时，给序号紧前的一个晶闸管补发脉冲。即用两个窄脉冲代替宽脉冲，两个窄脉冲的前沿相差60，脉宽一般为20 ~30，称为双脉冲触发。双脉冲电路较复杂，但要求的触发电路输出功率小。触发电路如图3-1所示。

o

o

o

图3-1双脉冲触发电路

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双脉冲信号的形成与控制用KJ041六路双脉冲形成器完成，KJ041是三相全控桥式触发线路中必备的电路，具有双脉冲形成和电子开关控制封锁功能。实用块有电子开关控制的KJ041电路组成逻辑控制，适用于正反组可逆系统。

如图3-1所示，KJ041的1-6脚管为单脉冲信号输入。把单脉冲信号由10-15脚管两两同时输出形成双脉冲信号，10-15脚管两两同时输出对应输送给VT6-VT1晶闸管。 （1）假设在t1时刻15脚管开始给VT1晶闸管输送脉冲信号，则经过60度后14脚管开始给VT2晶闸管双脉冲信号，即只有15脚管和14脚管有信号输出，其他脚管没信号输出，则此时VT1和VT2同时导通；

（2）再过60度后，15脚管停止输出信号，而13脚管开始给VT3输出信号，即只有14脚管和13脚管有信号输出，其他脚管没信号输出，此时VT2和VT3同时导通； （3）再过60度后，14脚管停止输出信号，而12脚管开始给VT4输出信号，即只有13脚管和12脚管有信号输出，其他脚管没有输出信号，此时VT3和VT4同时导通； （4）再过60度后，13脚管停止输出信号，而11脚管开始给VT5输出信号，即只有12脚管和11脚管有信号输出，其他脚管没有信号输出，此时VT4和VT5同时导通； （5）再过60度后，12脚管停止输出信号，而10脚管开始给VT6输出信号，即只有11脚管和10脚管有信号输出，其他脚管没有信号输出，此时VT5和VT6同时导通； （6）再过60度后，11脚管停止输出信号，而15脚管开始给VT1输出信号，即只有10脚管和15脚管有信号输出，其他脚管没有信号输出，此时VT6和VT1同时导通； 重复以上步骤即得到三相桥式全控整流电路要求的触发信号。

3.3过电压保护

电力电子装置中可能发生的过电压分为外因过电压和内因过电压两类。外因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等外部因素。内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程。

对于过电压保护部分，有交流侧，直流侧，以及器件两端过电压保护三种。 （1）交流侧过电压保护。

交流侧过电压保护有三种方法：采用避雷器、RC过电压抑制电路和非线性元件。而RC过电压抑制电路也就是阻容保护是比较常用的方法之一。 阻容保护即在变压器二次侧并联电阻R和电容C进行保护。

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图3-3阻容过电压保护电路的接法

晶闸管设备在运行过程中会受到由交流供电电网进入的操作过电压和雷击过电压的侵袭，同时设备自身运行中以及非正常运行中也有过电压出现，所以要进行过电压保护，可采用如图3-3所示的反向阻断式过电压抑制RC保护电路。整流电路正常工作时，保护三相桥式整流器输出端电压为变压器次级电压的峰值，输出电流很小，从而减小了保护元件的发热。过电压出现时，该整流桥用于提供吸收过电压能量的通路，电容将吸取过电压能量转换为电场能量；过电压消失后，电容经 、 放电，将储存的电场能量释放，逐渐将电压恢复到正常值。 （2）直流侧过电压保护

直流侧也可能发生过电压，在图3-4，当快速熔断器熔断或直流快速开关切断时，因直流侧电抗器释放储能，会在整流器直流输出端造成过电压。另外，由于直流侧快速开关（或熔断器）切断负载电流时，变压器释放的储能也产生过电压，尽管交流侧保护装置能适当地保护这种过电压，仍会通过导通的晶闸管反馈到直流侧来，为此，直流侧也应该设置过电压保护，用于抑制过电压。直流侧保护可采用与交流侧保护相同保护相同的方法，可采用阻容保护

图3-4直流侧快速开关断开或快速熔断引起的过电压

（3）晶闸管过电压保护

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由于晶闸管的过电压能力较差，当它承受超过反击穿电压时，会被反向击穿而损坏。如果正常电压超过管子的正向转折电压，会造成晶闸管硬开通，不仅是电路工作失常，且多次硬开关也会损坏管子。因此必须抑制晶闸管可能出现的过电压，常采用简单有效的过电压保护措施。

对于晶闸管的过电压保护，我们使用阻容保护，电路如图3-5。

图3-5阻容保护

可查下面的经验值表确定阻容参数值。

晶闸管额定电流/A 电容/μF 电阻/Ω 10 0.1 100 20 0.15 80 50 0.2 40 100 0.25 20 200 0.5 10 500 1 5 1000 2 2 表 阻容保护的数值(一般根据经验选定)

3.4过电流保护

电力电子电路运行不正常或者发生故障时，可能会发生过电流。过电流分过载和短路两种情况。图中给出了各种过电流保护措施及其配置位置，其中快速熔断器、直流快速断路器和过电流继电器是较为常用的措施。一般电力电子装置均同时采用几种过电流保护措施，以提高保护的

变压器电流互感器快速熔断器变流器直流快速断路器可靠性和合理性。 负载而采用快速熔断器（简称快交流断路器电流检测熔）是电力电子装置中最有效、

过电流短路器开关电路触发电路应用最广的一种过电流保护措继电器电子保护电路动作电流施，其断流时间一般小于10ms。。

整定值因此最佳方案是用快速熔断器保

图3-6过电流保护措施及配置位置 护。当然，在选择快熔时应考虑：

图1-37 10

（1）快熔额定电压URN不小于线路正常工作电压的方均根值；快熔的额定电流 IRN应按它所保护的元件实际流过的电流IR（方均根值）来选择，一般可按下式计算：

IRNkikakR (A) 式中：ki——电流裕度系数，取ki1.1~1.5； ka——环境温度系数，取ka1~1.2； IR——实际流过快速熔断器的电流有效值。 （2）快熔的安装接入方式与特点如表所示，

熔断器接入方式 特点 熔断器与每一个元件相串联；可靠地保护每一个元件；熔 断器用量多，价格较高。 能在交流、直流和元件短路时起保护作用，对保护元件的可靠性稍有降低；熔断器用量省、 直流负载侧故障时动作，元件短路时（内部短路）不能起保护作用。 熔断器额定电流I 备注 Irn1.57It It为元件通态平均电流 Id为整流输出IrnkcId 电流； kc为交流侧线电流与Id之比。 IrnId 受电路L/R值影响很大 表3-1熔断器接入方式与特点

其中Kc取值为0.818。

2 （3）快熔有一定的允许通过的能量It值，元件也具有承受一定产值的能力。为

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了使快熔能可靠地保护元件，要求快熔的I2t值。其关系为

I2t式中：I2tR值在任何情况下都小于元件的

2ITSMtR20.9ITSMt

R——快熔的允许能量值，可由产品说明书中查得；

2 ITSMt——元件的浪涌峰值电流的有效值，可由元件手册中查得；

t——元件承受浪涌电流的半周时间，在50 Hz情况下t1/100s

4．系统MATLAB仿真

4.1MATLAB软件介绍

MATLAB是matrix&laboratory两个词的组合，意为矩阵工厂（矩阵实验室）。是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。

MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。

4.2系统建模与参数设置

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（1）系统仿真。打开仿真参数窗口，选ode23tb算法，相对误差设为1e-3，仿真开始时间为0，停止时间为0.08s；点击“Start”命令，系统开始仿真。

（2）输出仿真结果。采用“示波器”模块输出方式，不同控制角α时的仿真参数设置和实验波形，如图： 图a

0°触控角参数设置

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0°阻感性负载参数设置

0°波形图

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图b

30°触控角参数设置

30°阻感性负载参数设置

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30°波形图

图c

60°触控角参数设置

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60°时阻感负载参数设置

60°波形图

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图d

90°触发角参数设置

90°阻感性负载参数设置

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90°波形图

4.3系统仿真结果及分析

输出结果分析。图a时α=0°时的仿真波形，b、c、d是α=30°、60°、90°阻-感性负载的仿真和实验波形。从理论分析波形、仿真波形和实验波形三者的对比看，基本是一致的。

结论：当α≤60°时，u波形均为正值，主要不同点在于电感的存在；当60°＜α＜90°时，由于电感的作用，u的波形会出现负的部分，但是正的部分还是大于负的部分，平均电压u仍然为正值；当α=90°时，仿真出来的图形正负半周所占的面积基本一样，此时U=0。以此可得出，随着α角的增大平均电压U的值减小。

5．设计体会

对于这次课程设计，首先，我要感谢我们的指导老师牛慧芳。正是在她无私的

帮助下，我才得以顺利的完成这次课程设计。再者，通过这次课程设计，我也深刻的认识了三相桥式全控整流电路的全局设置和工作原理，对复杂电路的设计有了更确切的思路。也对我们的专业的一个分支——电力电子技术，略窥一斑。我们的专业知识还是停留在入门级，更加坚定了我要努力掌握这门专业的相关理论的决心。我要更加发奋的学习我们的专业知识，夯实我们的专业基础；积极参加学校组织的各项参观实习，开拓自己在相关专业的视野；认真写报告，总结经验领悟真理。说了这么多，最后，感谢我们的校领导给我们提供了这般优越的条件，使我们更加安心的学习和工作。

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6．参考文献

[1] 王兆安,黄俊.电力电子技术[M](第4版).北京：机械工业出版社，2000. [2] 周渊深. 电力电子技术与MATLAB仿真[M].北京：中国电力出版社，2005. [3] 周渊深. 电力电子技术与MATLAB仿真[M].第二版.北京：中国电力出版社，2014.8.

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