三相桥式全控整流电路..

目录

摘要 (1)

Abstract (2)

第一章设计目的与要求 (3)

1.1设计要求 (3)

1.2设计目的 (3)

第二章主电路设计与元件参数选型 (4)

2.1主电路设计 (4)

2.2元件参数选型 (5)

第三章系统建模与仿真 (7)

3.1元件提取 (7)

3.2MATLAB建模过程 (7)

3.3MATLAB仿真模型 (9)

3.4MATLAB中元件参数 (10)

3.5MATLAB中遇到的问题 (13)

第四章仿真结果分析 (14)

4.1电阻负载仿真 (14)

4.2电阻电感负载仿真 (16)

第五章设计小结 (20)

第六章参考文献 (21)

摘要

整流电路就是把交流电能转换为直流电能的电路。大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成。它在直流电动机的调速、发电机的励磁调节、电解、电镀等领域得到广泛应用。整流电路通常由主电路、滤波器和变压器组成。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。滤波器接在主电路与负载之间，用于滤除脉动直流电压中的交流成分。变压器设置与否视具体情况而定。变压器的作用是实现交流输入电压与直流输出电压间的匹配以及交流电网与整流电路之间的电隔离（可减小电网与电路间的电干扰和故障影响）。整流电路的种类有很多，有半波整流电路、单相桥式半控整流电路、单相桥式全控整流电路、三相桥式半控整流电路、三相桥式全控整流电路等。

设计一种以三相桥式全控整流电路的MATLAB仿真及其故障分析。以三相桥式全控整流电路为分析对象，利用Matlab/Simulink环境下的SimPowerSystems 仿真采集功率器件在开路时的各种波形，根据输出波形分析整流器件发生故障的种类，判断故障发生类型，确定发生故障的晶闸管，实现进一步故障诊断。运用matlab中的电气系统库可以快速完成对三相整流电路故障仿真，通过分析可以对故障类型给予初步判断，对电力电子设备的开发、运用以及维修有极大的现实意义。

关键词：Matlab；三相整流桥；电力电子故障

Abstract

Rectifier circuit is to convert AC power to DC power circuits. Most of the rectifier circuit by the transformer,Such as rectifying the main circuit and filter. It is widely used in the governor, excitation regulator generator, electrolysis, electroplating and other areas of DC motor. Rectifier circuit usually consists of a main circuit, a filter and a transformer. After the 1970s, the main circuit composed by multi-rectifier diodes and thyristors. A filter connected between the main circuit and the load, for filtering the pulsating DC voltage of the AC component. Transformers set or not, as the case may be. Transformer action is to achieve electrical isolation AC input matching circuit and the AC mains voltage rectifier and DC output voltage between between (to reduce interference and failure affecting the circuit between the electrical grid). There are many types of rectifier circuit, there is a half-wave rectifier circuit, single-phase half-bridge rectifier circuit, single-phase bridge rectifier circuit full-controlled, three-phase half-bridge rectifier circuit, three-phase bridge controlled rectifier circuit.

Design of a three-phase bridge MATLAB simulation analysis and failure fully controlled rectifier circuit. Fully controlled three-phase bridge rectifier circuit to be analyzed using SimPowerSystems Matlab / Simulink simulation environment collecting power devices of various waveforms at the open, according to the rectifier output waveform analysis of the type of failure, determine the type of failure, to determine thyristor failure to achieve further troubleshooting. The electrical system using matlab library can quickly complete the three-phase rectifier circuit fault simulation, can give a preliminary judgment on the fault type determined by analysis of the development of power electronic devices, use and maintenance of great practical significance.

Keywords: Matlab; three-phase rectifier bridge ;power electronics failure

第一章设计目的与要求

1.1设计目的

1.培养文献检索的能力，特别是如何利用Internet检索需要的文献资料；

2.培养综合分析问题、发现问题和解决问题的能力；

3.通过电力电子课程中三相桥式全控整流电路的设计，掌握三相桥式全控整流电路的工作原理，综合运用所学知识，提高三相桥式全控整流电路和系统设计的能力；

4.培养运用知识的能力和工程设计的能力；

5.提高课程设计报告撰写水平；

6.掌握用MATLAB仿真电力电子电路。

1.2设计要求

在MATLAB软件中的Simulink平台下搭建三相全桥可控整流电路，并结合书本相关内容对其工作原理、性能，以及输入输出波形进行分析。

1.制定设计方案；主电路设计及主电路元件选择；驱动电路和保护电路设计及参数计算；器件选择；绘制电路原理图；总体电路原理图及其说明；

2.熟悉matlab/simulink/power system中的仿真模块用法及功能；根据设计电路搭建仿真模型；设置参数并进行仿真；给出不同触发角时对应电压电流的波形；

3.熟悉整流和触发电路的基本原理，能够运用所学的理论知识分析设计任务；掌握基本电路的数据分析、处理；描绘波形并加以判断；能正确设计电路，画出线路图，分析电路原理；广泛收集相关技术资料。

第二章主电路设计与元件参数选型

2.1主电路原理

三相桥式全控整流电路是应用最广泛的整流电路。完整的三项式全控整流电路由整流变压器，6 个桥式连接的晶闸管，负载，触发器，和同步环节组成，三相桥式全控整流原理电路如图 2-1。

图2-1三相桥式全控整流原理电路

6个晶闸管以次相隔 60°触发，将电源交流电整流为直流电。三相桥式整流电路必须采用双脉冲触发或者宽脉冲触发方式，以保证在每一个瞬间都有两个晶闸管同时导通（上桥臂和下桥臂各一个）。整流变压器采用三角形/星形连结是为减少3的整流倍数次谐波电流对电源的影响。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。

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，

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。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，个晶闸管导通小于2π／3。23α=π／3是电阻性负载电流连续和断续的分界点。

2.2元件参数选型

1.当整流输出电压连续时（即带阻感负载时，或带电阻负载a ≤60?时）的平均值为：

αωωπ

απαπcos 34.2)(sin 63123

23

2d U t td U U ==?++

2.带电阻负载且a >60?时，整流电压平均值为：

??????++==?+)3cos(134.2)(sin 63232d απωωππαπ

U t td U U 输出电流平均值为 ：I d =U d /R 3.晶闸管额定电流、额定电压的选择：

（1）晶闸管承受最大正向电压为，为变压器二次线电压峰值，即 22236 2.45*100245U U U V =?===RM

（2）晶闸管阳极与阴极间的最大正向电压等于变压器二次相电压的峰值，即 222*100141.4FM U U V V ===

（3）输出电压Ud 为0~200V ，负载电阻R=2Ω，输出负载电流为：

2001002d d U I A R ===

（4）晶闸管上流过电流为：

2157.83d I I A ==

选用晶闸管时，额定电压要留有一定裕量通常取额定电压为正常工作时晶闸

管所承受峰值电压的2~3倍。额定电流也要留一定裕量，一般取额定电流为通态平均电流的1.5~2倍。

4.仿真实验

基本参数组:整流变压器输出相电压为100V,负载R=2Ω。输出电压为200 V。

第三章系统建模与仿真

3.1元件提取

仿真模型中主要使用的元器件模块和提取路径如表3-1。

表3-1三相整流电路主要元器件

3.2MATLAB建模过程

1）打开MATLAB软件，点击图标，进入simulink编辑窗口，如图3-1：

图3-1 simulink窗口

2）在simulink中选取File-New-Model新建一个仿真编辑窗口。在simulink窗口左侧找出元件所在的元件库位置，电力系统一般在SimPowerSystems中，在里面找到所要用到的元件，如图3-2：

图3-2 电力系统

另一种方法就是可以再上方直接搜索元件的名称就可以找得到。

3）按照表3-1中元件位置找到元件后，放置到仿真编辑窗口里，准备连线，放置元件后的编辑窗口如图3-3：

图3-3 仿真所有元件

3.3MATLAB仿真模型

三相桥式整流电路的仿真使用 MATLAB 模型库中的三相桥和触发器集成模块是很方便的。用模型库中的元器件组成的三相桥式整流电路的仿真模型连线后如图 3-4所示。

图3-4 三相桥式整流电路的仿真模型

在模型的整流变压器和整流桥之间介入了一个三相电压-电流测试单元V-I 是为了观测方便。整流器的输出电压和电流时通过多路测量负载的电压和电流来实现的，当然也可以用电压和电流测量单元直接检测整流器输出单元和电流。在整流器工作中保证触发脉冲与主电路同步很重要，仿真使用的 6脉冲发生器是在同步电压锅零时作为控制角α=0°的位置，因此在整流变压器采用△\Y-11 联结时，同步变压器也可以采用△\Y-11 联结，同步信号的连接如图 3-14 所示。

同步信号关系难以确定时，可以发挥仿真的特点，将三相同步电压信号以不同的顺序连接到 6 脉冲发生器的 AB，BC，CA 三个同步输入端，然后运行该模型，观察整流器输出电压波形，如果电压波形在一周期中 6 个波头连续规则，则该整流电路同步时正确的。负载和控制角可以按需要设定。

在三相桥式全控整流电路中，设电压电源为 220V，整流变压器输出电压为100V（相电压），进行仿真，观察整流器在不同负载，不同触发时整流器输出电压电流波形，测量其平均值，并观察整流器交流侧电流波形和分析其主要次谐波。

3.4MATLAB中元件参数

电阻负载的三相桥式整流电路（R 的值为2Ω，α=30°）

电源参数设置：三相电源的电压峰值为220V× 2 ，可以表示为“220*sprt(2)”,频率为 50Hz，相位分别为 0°，-120°，-240°。如图 3-5为电源 UA 参数设置。

图3-5电源UA 参数设置

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=220V× 3=380V；二次绕组联结 winding 2connection 选择 Y，线电压为 100V× 3=173V，在要求不高时变压器容量，互感等参数可以保持默认不变。如图 3-6：

图3-6 整流变压器参数设置

同步变压器参数设置：一次绕组联结 winding 1 connection 选择 delta （D11），线电压为 380V；二次绕组联结 winding 2connection 选择 Y，线电压为 15V，其他参数保持默认不变。如图 3-7：

图3-7 同步变压器参数设置

RLC 负载参数设置：R为2Ω，L 的值为0,C 的值为inf。如图 3-8：

图3-8 RLC 参数设置

6 脉冲发生器设置：频率为50Hz脉冲宽度取 1°，选择双脉冲触发方式。触发角设置：给定 alph 设置为 30°。

设置仿真参数如下：仿真时间为 0.06s 数值算法采用 ode15。如图 3-9。

图3-9 模型仿真参数设置

仿真参数设置完成后启动仿真，得到仿真结果。

3.5MATLAB中遇到的问题

1）问题1：在simulink元件库中找不到元件的位置，导致无法放置元件。

解决方法：在网上搜索和问同学元件的名称，然后在simulink中找到相应的元件。

2）问题2：主电路和触发电路的同步无法做到，导致整流波形不正确。

解决方法：①采用宽脉冲触发或双脉冲触发发式。

②在触发某个晶闸管的同时，前一个晶闸管补发脉冲，即用两个窄脉冲替代宽脉冲。

第四章仿真结果分析

4.1电阻负载仿真

将图4-1所示的三相电压波形与图4-2所示的整流电压波形和图4-3所示电压波形相比较，整流后的电压是直流，切波形与三相输入电压波形相对应。

图4-1 整流器输入的三相电压波形

图4-2 整流器输出的电压波形

整流电压平均值如图4-3与计算值Ud=2.34×100cos30°V=202.6V相符。因为是电阻负载，整流后的电压和电流波形相同，但 Y 轴左边不同。

图4-3 整流输出电压平均值以下是分别在ɑ=0 度，30 度，60 度时的仿真结果

ɑ=0°

ɑ=30°

ɑ=60°

4.2电阻电感负载仿真

修改负载 RLC 的参数，R 为 5Ω，L 的值为 0.01H,C 的值为 inf,同时将触发角设置为 60°。为了观察整流器输入电流和输出电压的谐波，在仿真模型中增加了傅里叶（fourier）分析模块，修改后的仿真模型如图4-4。

图4-4 三相桥式整流电路电阻电感负载

在仿真参数中设置仿真时间，重新启动仿真，即可得到阻感负载时的整流器输出电压和电流图，图4-5，图4-6 图4-7。如图4-4所示由于电感是储能元件，电感中电流经过一上升过程后电流进入稳定状态，电流脉冲很小。

图4-5 三相桥式整流电路电阻电感负载α=60°整流器输出电压

图4-6 整流器输出电压平均值

图4-7 整流器输出电流以下是分别在ɑ=0 度，30 度，60 度时的仿真结果

ɑ=0°

ɑ=30°

ɑ=60°

由仿真图结合理论分析可知，上述波型图是正确的。理论与仿真两相验证。通过以上的波型图，我们可以得出以下结论：

1.当加入纯电阻性负载，当触发角小于等于90°时，Ud波形均为正值，直流电流Id与Ud成正比，并且电阻为1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。

2.当加入阻感性的负载，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。移相范围为0~90。