三相半控橋式整流電路的仿真研究

上海市城市科技學校,上海 201601

三相半控橋式整流電路是電力電子電路中最常用的電路之一，廣泛應用于一般工業、電力拖動、通信及其他領域之中[1]。此電路線路簡單、調整方便，且各項指標較好，適用于較大功率的高壓和不要求可逆的場合，因此對其的分析和研究具有很強的現實意義。

但是在傳統的三相半控橋式整流電路的實際應用和分析研究時，大多采用了人工繪圖和計算，工作量大，工作效率低，錯誤率高[2]。文中借用MATLAB 最重要組件Simulink 擁有的系統建模、仿真和綜合分析的集成環境，構建了一套三相半控橋式整流電路仿真模型，極大的加快了電路的設計分析過程，靈活、快捷、直觀，對工程實踐具有一定的預測和指導作用[3-5]。

1 Sim Power Systems 模塊庫簡介

MATLAB 的Simulink 建模仿真環境適包含了專用于電力系統的Sim Power Systems 模塊庫，具體包括Electrical resources（電源）、Power electronics（電力電子元器件）、Elements（一般元件）、Machines（電機）、Connectors（連接器）、Measurements（測量儀表）等功能子模塊[6,7]。

2 三相半控橋式整流電路的建模仿真過程

在Simulink 環境下的電力電子電路建模仿真流程如圖1 所示[8]。

2.1 仿真模型建立

三相半控橋式整流電路由三相交流電源，三個共陰極晶閘管、三個共陽極二極管、同步脈沖觸發器及負載組成。在Simulink 平臺上構建的仿真模型如圖2 所示。

圖1 電路建模仿真流程Fig.1 The simulation process of circuit modeling

圖2 三相半控橋式整流電路的仿真模型Fig.2 Simulation model of three-phase half controlled bridge rectifier circuit

選取SimPowerSystem 模塊庫Electrical resources 子模塊中的AC Voltage Source 單相交流電壓源三個，作為三相交流電源的a、b、c 三相，其相位互差2π/3[9]。

在Simulink 的模塊庫中無同步脈沖觸發器模塊，因此由三相同步電源與六脈沖觸發器連接組成同步脈沖觸發器，并封裝成一個子系統，其模型如圖3 所示[10]。

圖3 同步脈沖觸發器子系統Fig.3 Subsystem of synchronous pulse generators

在Simulink 的模塊庫中也沒有三相半控橋模塊，因此由三個晶閘管與三個二極管連接組成三相半控橋，并封裝成一個子系統，其模型如圖4 所示。

圖4 三相半控橋子系統Fig.4 Subsystem of three-phase half controlled bridge

2.2 仿真參數設置

根據實際需求設置仿真參數，并可以通過修改相關參數，使系統達到要求的最佳性能。

（1）設置三相交流電源參數：電壓有效值Ui=220 V，頻率f=50 Hz，相位互差2π/3。

（2）設置負載參數：電阻R=2 Ω，電感L=0 H。

（3）設置同步脈沖觸發器參數：控制角α=π/6、α=π/2，頻率f=50 Hz，脈沖寬度為3。

（4）設置晶閘管參數：電阻Ron=0.001 Ω，電感Lon=0 H，壓降Vf=0.8 V。

2.3 仿真結果輸出

設定仿真時長0.08 s；算法ode15 s，開始運行仿真，可以得到負載端電壓ud的仿真波形、晶閘管端電壓uT的仿真波形、流過負載的電id和觸發脈沖ug的仿真波形[11]。當觸發脈沖控制角α=π/6 和α=π/2 時的仿真結果如圖5 所示。

圖5 仿真結果Fig.5 Simulation results

3 仿真結果分析

晶閘管所承受的最大正、反向電壓

觸發脈沖控制角α的移相范圍是0～π，每個晶閘管的最大導通角為2π/3。

根據理論分析，按表1 設定參數，則：

①當0<α≤π/3 時，負載端電壓電壓ud波形連續，由兩段不同的線電壓波形組成。

若α=π/6，負載端電壓和流過負載的電流平均值分別為：

②當π/3<α≤π時，負載端電壓ud波形斷續。

若α=π/2，負載端電壓和流過負載的電流平均值分別為：

式(1)、(2)、(5)分別與圖7 中的仿真波形相吻合。從圖2 所得的仿真數據與式(3)、(4)、(6)和式(7)的理論計算值對比如表1 所示。

表1 仿真數據與理論計算值對比Table 1 Comparison between simulation data and theoretical calculation value

從表1 可以看出，仿真數據跟理論分析計算結果基本一致。

4 結論

利用MATLAB/Simulink 仿真平臺，對三相半控橋式整流電路建立了仿真模型，并對純電阻負載時，共陰極晶閘管的觸發脈沖控制角α為π/6 和π/2 的情況進行了仿真。通過理論分析的波形和數據的定量推導驗證了仿真的正確性，且仿真精度高，結果準確可靠，為三相半控橋式整流電路的工程實際應用奠定了基礎[12]。