基于Multisim的三相橋式整流電路實驗故障仿真

蘇巧平，劉 原，孫文娟

（1.安徽新華學院 電子通信工程學院，安徽 合肥 230088；2.安徽醫學高等專科學校，安徽 合肥 230000；3.安徽新華學院 信息工程學院，安徽 合肥 230088）

1 電力電子技術實驗簡述

《電力電子技術》課程是電氣工程及相關專業的專業基礎課程，是電力學、電子學和控制理論三個學科交叉而形成的綜合性課程.[1]本門課程的實驗由于需要利用信息電子電路控制電力電子器件開通和關斷，控制上經常涉及同步問題，而電力電子器件通常又工作于大功率場合，出現故障的概率較大，因此，快速判斷故障源在電力電子實驗中是非常必要的.

整流電路理論是電力電子技術的一個重要分支，其最經典的電路是三相橋式整流電路，本部分內容的實驗也是最經典的基礎實驗之一.本實驗在實際實驗過程中，會由于各種各樣的原因導致實驗數據與理論數據偏差太大，快速依據實驗現象找出電路故障原因是實驗課程中實驗教師必備的技能之一，[2]同時，也應在實驗過程中培養學生自己依據實驗現象判斷故障的能力，從而提高學生解決實際問題的能力.本文通過Mltisim進行整流電路故障仿真模擬，總結出基本故障發生類型，在電力電子實驗中具有重要意義.

2 三相橋式全控整流電路基本故障仿真

2.1 三相橋式整流電路主電路

圖1 三相橋式全控整流電路仿真電路圖

三相橋式整流電路實驗通常以晶閘管作為開關器件，圖1為三相橋式全控整流電路的電路仿真圖.電路圖中涉及的各部分元器件介紹如下：三相Y星電源V0為實驗過程中的三相同步信號，D1～D6為三相整流橋中的六個晶閘管，V1～V6為六個晶閘管的觸發脈沖信號，S1A～S1F為六個開關，分別接到控制電路中，用于控制各個觸發信號的通斷，負載為純電阻負載.三相橋式整流電路在控制上要求主電路中六個晶閘管的觸發脈沖依次間隔60度，六個晶閘管觸發脈沖的施加順序依次為V1—V2—V3—V4—V5—V6，采用雙窄脈沖或寬脈沖的形式，[3-4]以保證整流過程中電流斷續時需要同時導通的兩個晶閘管均有脈沖，保證電路可靠工作.輸出整流波形為6段，假設六段波形分別用Ⅰ、II、III、IV、V、VI表示，則對于6個晶閘管的導通要求見表1.

表1 三相橋式全控整流電路電阻負載α=0°時晶閘管工作要求[1]

本次仿真過程觸發脈沖采用寬脈沖，因此脈沖寬度應大于60°，因為我國工頻為50Hz，即三相電源周期為20ms，因此觸發脈沖寬度應大于本次仿真在無故障情況下，設置寬脈沖的寬度為6.6ms，[5-7]可保證各個晶閘管的有效觸發.仿真過程中均采用觸發角為0°進行故障模擬，因此V1～V6六個觸發信號的延遲時間分別設置為 1.667ms，5ms，8.333ms，11.667ms，15ms，18.333ms，可保證六個觸發脈沖相位上依次相差60°的要求.在開關S1A～S1F均閉合的情況下，得到的正常的整流波形見圖2（a）圖.通道A為三相橋式整流電路整流輸出波形，通道B為晶閘管D1的觸發信號.分析故障過程中，以通道B（晶閘管D1的觸發信號）作為參考.

2.2 三相橋式整流電路故障仿真

結合實驗過程中出現的故障問題，利用Multisim仿真以下幾種故障現象：

圖2 實驗中各種波形圖

2.2.1 整流波形一個電源周期六段波形具有四段或三段或兩段連續波形

在排除其他因素的情況下，僅仿真晶閘管故障.仿真過程以控制角α=0°進行故障分析，通過示波器觀測可出現圖2中（b）（c）（d）三種故障類型，分別為一個電源周期中出現四段連續波形、三段連續波形、兩段連續波形.圖2各圖形中.

首先分析圖（2）中（b）圖中四段連續波形情況.以D1觸發信號作為參考信號，第Ⅰ、II兩段波形均未出現，而第III、IV、V、VI四段波形沒有問題，結合表1中對于晶閘管的導通要求可知，D2—D6這五個晶閘管必須正常工作才能保證III、IV、V、VI四段波形，可以推斷晶閘管 D1為故障源，可能故障點是晶閘管損壞或觸發信號未有效加到晶閘管的控制級.若故障源為D2—D6中的某一個，則整流波形缺失段及故障源的關系見表2中四段連續波形部分.

表2 三相橋式全控整流電路電阻負載α=0°時缺失波段及故障源對應關系

下面分析圖2中（c）圖故障.（c）圖波形為三段波形，由圖可知，第Ⅰ、II、VI三段波形未出現，而第 III、IV、V 三段波形沒有問題，結合表1中對于晶閘管的導通要求可知，D2—D5這四個晶閘管必須正常工作，才能保證第III、IV、V三段波形沒有問題，可以推斷晶閘管D1、D6為故障源，兩個晶閘管故障.同樣可得到其余幾種三段連續波形時故障晶閘管.詳見表2中三段連續波形部分.

同理，可推斷（d）圖故障晶閘管為 D1、D2、D3，整流波形只有兩段，其余的幾種故障情況詳見表2中二段連續波形部分.

由上述分析可知，出現連續幾段波形但波形不全的情況，故障通常是某個或某幾個晶閘管在需要導通的時候未導通，實驗過程中，通過測試各個晶閘管的觸發信號即可判斷是否觸發電路出現問題，如果觸發電路沒有問題，則需判斷晶閘管是否已斷路.

2.2.2 波形波段不對稱

實際實驗過程中，有時會出現如圖3所示整流輸出的六段波形不對稱的情形，圖3中的矩形波為D1觸發信號，以此波形作為參考，可以看出，第II、IV兩段波形相較于理論波形均多了一截，第III、V段波形均少了一截，最常見的原因是施加給D3、D5的觸發脈沖延遲了一定角度，導致D3、D5延遲導通.解決此種故障的方法是實驗前一定要事先測試及調試六個觸發脈沖的相位關系，嚴格按照相位上依次相差60°的要求進行設置.

圖3 不對稱波形圖

圖4 某相電壓缺相波形圖

2.2.3 某相電壓缺相

實際實驗過程中，有時會出現某相電壓缺相的情況，整流波形見圖4.圖4中通道A為整流波形，通道B為a相電壓波形，如果a相電壓由于線路連接問題未施加于整流電路上，則與a相相連的晶閘管D1和D4均無法工作，只有D3、D5、D6、D2 工作，供電電源為 ubc，工作原理與單相橋式整流電路類似，整流波形亦為單相橋式整流電路波形.至于具體缺相為哪一相，可分別測試圖1中a、b、c三點與零線之間的電壓，即可確定缺失哪一相.

3 結論

總之，由于電力電子技術實驗過程中的故障類型千變萬化，實驗過程中尚需不斷地進行實驗總結，豐富經驗.本文僅就實驗過程中常見幾種故障類型進行了Multisim仿真，總結了故障類型及故障源，給出了故障解決的方法，方便實驗教師和學生對常見故障的分析與判斷，從而提高在實驗過程中快速解決實驗故障的能力，確保實驗的順利進行.

〔1〕 王兆安，劉進軍.電力電子技術[M].機械工業出版社,2013.

〔2〕 葛有根.快速判斷三相橋式全控整流電路實驗故障的方法[J].實驗科學與技術,2017,15(02):26-27+47.

〔3〕 孫筠.Multisim10在電力電子電路仿真中的應用[J].電子世界，2014(15):183.

〔4〕 陳因,韓麗俊.基于Multisim的電力電子線路仿真與設計[J].電力學報，2010，25(04):318-320.

〔5〕 周珊.Multisim 10仿真在電力電子技術課程實驗教學中的應用[J].黑龍江科技信息,2013(36):45.

〔6〕 王國強,孫紅艷.Multisim在電力電子技術教學改革實踐中的應用[J].實驗科學與技術,2011,9(05):50-52.

〔7〕 蔡明學.基于MATLAB三相橋式全控整流電路的仿真[J].智能機器人，2016(10):43-46.