三相橋式全控整流電路仿真

莊吉運， 賈文超

(長春工業大學 電氣與電子工程學院， 吉林 長春 130012)

0 引 言

在電力電子中,整流電路是出現最早的一種，直流用電設備所需的直流電就是通過整流電路將交流電整流得到的。整流電路在直流電動機、通信系統電源、同步發電機勵磁等多方面都有十分廣泛的應用。整流電路可從交流輸入相數分為單相電路和多相電路等多種角度進行分類。目前整流電路的應用還是最為廣泛的,對三相橋式全控整流電路的研究變得非常重要，文中分別對開環條件下的電路模型和帶有閉環反饋控制的電路模型進行了仿真分析，并對控制環節中應用到的三相靜止坐標系和兩相旋轉坐標系之間的變換,以及PID控制算法進行介紹分析[1]。

1 三相全控整流電路工作原理

三相橋式全控整流電路原理如圖1所示。

圖1 三相橋式全控整流電路原理

該電路是由變壓器、共陰極組、共陽極組以及負載構成，共陰極組有VT1、VT3、VT5，共陽極組有VT4、VT6、VT2，為了避免3次諧波流入電網，變壓器一次側的連接方式選擇三角形連接，二次側選擇星形連接方式得到零線。因為本電路采用了6個半控型器件晶閘管，所以要使電路導通需要設計觸發電路。當電路正常工作時，每個時刻需要一個共陰極組和一個共陽極組兩個晶閘管同時導通。為確保晶閘管導通順序從1到6導通，電路的觸發方式采用雙脈沖觸發，VT1、VT2脈沖相位相差，VT1、VT3脈沖相位相差，每一周期輸出的電壓脈動為6次，所以該整流電路也稱為6脈波整流電路[2]。

2 開環條件下的仿真分析

開環條件下的電路仿真模型如圖2所示。

圖2 三相橋式全控整流電路仿真模型

MATLAB算法選擇ode23t，該仿真模型輸入的三相交流電相電壓峰值設為100 V，頻率設為50 Hz，相位分別為0°、-120°、120°。觸發信號由同步脈沖觸發器模塊產生，負載電阻阻值設為55 Ω[3]。

對模型進行仿真，示波器Scope1中的波形如圖3所示。

從圖中可以看出,輸入電流含有大量的諧波。

示波器Scope2中的波形如圖4所示。

圖3 三相全控整流電路輸入電壓、輸入電流仿真波形

圖4 三相全控整流電路輸出電壓、輸出電流仿真波形

從該仿真模型中可以看到一個周期中有6次脈動，該結果與理論相一致。

3 三相橋式全控整流電路仿真模型的改進與仿真

上述仿真模型為最簡單的三相橋式全控整流電路模型，對輸出的控制還很局限，因此，為了對輸出電壓、電流進行有效控制，對上述模型進行改進，加入閉環反饋控制環節，控制模塊中應用到了坐標變換和PID控制。

3.1 三相靜止坐標到兩相旋轉坐標變換

三相靜止繞組A、B、C變換到兩相靜止繞組α、β，簡稱3/2變換。設N3為三相繞組中每相的有效匝數，N2為兩相繞組中每相的有效匝數，各相有效匝數與電流的乘積為該相磁動勢。設磁動勢波形為標準正弦波，當三相與兩相上總磁動勢相等時，兩繞組的瞬時磁動勢在α、β軸上的投影大小應該相等[4]，因此可得：

N2iα=N2iA-N3iBcos60°-N3iCcos60°=

(1)

N2iβ=N2iBsin60°-N3iCsin60°=

(2)

整理得

(3)

將零軸電流也增廣到變換式中，即得

(4)

我們知道，合成矢量在兩相靜止坐標系中是旋轉的，令旋轉矢量與兩相旋轉坐標系中的d軸重合，則可得到其在旋轉坐標系中坐標，也得到兩相靜止坐標系與兩相旋轉坐標系之間轉換公式，其中θ的取值一般為相的相角[5-6]。

(5)

由以上得到的abc/αβ變換關系和αβ/dq之間的變換關系，可以得到abc/dq之間的變換為

(6)

式中，三相靜止坐標系到兩相任意旋轉坐標系的變換矩陣為

(7)

iα、iβ和id、iq之間存在關系，矩陣關系為

(8)

3.2 PID控制

常規PID控制系統原理如圖5所示。

圖5 PID控制系統原理

這是一個典型的單位負反饋控制系統，由兩部分組成，PID控制器和被控對象。

PID控制器是一種線性控制器，通過采樣實際值與給定值作差

e(t)=r(t)-y(t),

將計算的偏差通過數學計算得到控制變量，實現對控制目標的跟蹤[7]。其控制規律

(9)

傳遞函數為

(10)

式中Kp——比例系數；

Ti——積分時間常數；

Td——微分時間常數；

Ki——積分系數,Ki=Kp/T1；

Kd——微分系數,Kd=KpTd。

3.3 改進后的三相橋式全控整流電路仿真

經過改進后的控制仿真模型如圖6所示。

圖6 加入反饋控制的三相橋式全控整流電路仿真模型

輸入三相交流電相電壓峰值為100 V，頻率50 Hz，相位差120°，為提高控制效果，三相電源后串入1 mH濾波電感、0.02 Ω等效電阻，純阻性負荷55 Ω。三相橋式全控整流電路仿真模型PI控制模塊如圖7所示[8-9]。

圖7 三相橋式全控整流電路仿真模型PI控制模塊

圖8 三相全控整流電路輸入電壓、輸入電流仿真波形

圖9 三相全控整流電路輸入電壓220 V的輸出電壓、輸出電流仿真波形

圖10 三相全控整流電路輸入電壓300 V的輸出電壓、輸出電流仿真波形

圖11 三相全控整流電路輸入電壓500 V的輸出電壓、輸出電流仿真波形

4 結 語

構建了兩種整流電路的仿真模型，并對其進行了比較分析，簡單的三相橋式全控整流電路可以實現整流，但無法有效地控制輸出值，通過對模型改進，不但可以得到良好的仿真波形，還實現了對輸出值的有效控制。文中研究的整流控制電路通過仿真可以實現預期目標，同時對實際工程應用具有很好的借鑒意義。