三相橋式全控整流電路Matlab/Simulink 仿真研究

鞏瑞春，馬蘭娟，付 軍

（包頭師范學院信息科學與技術學院，內蒙古 包頭 014030）

1 三相橋式全控整流電路基本介紹

如圖1 所示，三相橋式全控整流電路主要由變壓器、負載以及六個晶閘管組成，，變壓器二次側接成星形，一次側接成三角形；晶閘管由于連接的極性不同可分為共陰極組和共陽極組，每組各三個晶閘管，即晶閘管VT1、VT3、VT5是共陰極組，晶閘管VT2、VT4、VT6是共陽極組，可將其看作兩個三相半波可控整流電路的串聯電路。在任意時刻，電路中必須有一個共陰極組和共陽極組的晶閘管導通才能形成回路，并且這兩個晶閘管不能再同一橋臂上，這樣可以避免電路短路[1]。

圖1 三相橋式全控整流電路原理圖

2 三相橋式全控整流電路Matlab/Simulink 仿真

傳統的“電力電子技術”實驗可改變的參數非常有限，示波器只能測試電壓波形，無法測試電流波形；只能做驗證性實驗，無法做設計型和綜合性實驗。采用虛擬仿真實驗，可以滿足傳統的“電力電子技術”實驗的不足之處，達到了“以虛代實、以虛補實、虛實結合、以虛驗實”的目的。采用的MATLAB仿真軟件，可以做到許多傳統實驗無法做到的內容。其Simulink 仿真模塊里擁有目前最先進的各種電力電子器件模型，可供隨時調用；可以對電源、電阻、電感和電容的元器件進行連續參數修改；一個示波器可同時檢測多路的電壓和電流信號，可把多個相關聯的信號在時間橫坐標相同的情況下進行對比分析[2-7]。

2.1 三相橋式全控整流電路Matlab/Simulink 仿真模型

下頁圖2 所示為三相橋式全控整流電路仿真模型圖，其主題電路結構由三相電源、六個晶閘管組成的主電路和負載組成，其中六個晶閘管中的T1、T3、T5陰極連在一起，為共陰極組，T4、T6、T2陽極連在一起，為共陽極組。T1、T4連接點對應a 相電源，T3、T6連接點對應b 相電源，T5、T2連接點對應c 相電源。晶閘管的導通順序為T1、T2、T3。

圖2 三相橋式全控整流電路仿真模型

從仿真模型圖中可以看出，本案例共檢測到三相電源相電壓、三相電源線電壓、輸出電壓、輸出電壓、輸出電流、流過電源電流、晶閘管兩端電壓、流過晶閘管電流共26 個信號；使用電壓表10 處、電流表4 處；使用示波器4 個，分別檢測10 路、4 路、9 路和6 路信號，個別信號根據需要有重疊。實驗室里現有條件只有雙蹤示波器，最多同時檢測2 路信號，而且只能檢測電壓信號，不能檢測電流信號。

2.2 三相橋式全控整流電路Matlab/Simulink 仿真

下頁圖3 中，三個相電壓通過信號合成器合在一起，從左到右分別為ua、ub和uc；輸出電壓和六個線電壓通過信號合成器合成在一起，加粗鋸齒波包絡為uo，從左到右的六個線電壓正弦波分別為uab、uac、ubc、uba、uca、ucb。這樣設計的目的是為了對比觀測相電壓和線電壓的關系并以線電壓為參照物，觀測輸出電壓波形的特點，觸發角是從各晶閘管的自然換相點開始算起的，使學生能夠通過讀圖來判斷觸發角的大小，同時可以看出來ud一周期脈動6 次，每次脈動的波形都一樣。

圖3 觸發角為30°時相電壓、線電壓及輸出電壓仿真波形圖

如圖4 觸發角為30°時的仿真波形圖中，從上到下檢測到的信號分別為輸出電壓、輸出電流、晶閘管T1電壓和電流。從波形圖中可以看出，輸出電流和輸出電壓波形相似，可以判斷為電阻性負載；晶閘管導通時電壓為管壓降，關斷時承受線電壓；晶閘管有電流，表示其導通，沒有電流表示其關斷，每管連續工作120 °。

圖4 觸發角為30°時輸出電壓、輸出電流、T1 電壓和T1 電流仿真波形圖

圖5 中，三相電源電流通過信號合成器合在一起，分別為ia、ib和ic；六個晶閘管電流通過信號合成器合成在一起，如圖標記，從左到右分別為這樣設計的目的是為了對比觀測三相電源電流和六個晶閘管電流，觀測各個電流波形的特點。從仿真波形圖中可以看出，晶閘管T1、T4控制a相，且T1導通時a 相電流為正，T4導通時a 相電流為負；晶閘管T3、T6控制b 相，且T3導通時b 相電流為正，T6導通時b 相電流為負；晶閘管T5、T2控制c 相，且T3導通時c 相電流為正，T2導通時c 相電流為負。

圖5 觸發角為30°時三相電源電流、六個晶閘管電流仿真波形圖

除此之外，還有對六個晶閘管電壓的對比測量，輸出電壓平均值的測量等。

3 結論

通過對三相可控整流電路中電源電壓、輸出電壓和輸出電流的仿真測量，使學生會通過示波器波形圖對比讀出觸發角角度和判斷負載性質等；通過對晶閘管上電壓和電流波形的測量，分析隨著控制電路觸發角的變化時各個功率開關器件的導通和關斷規律。通過測量輸出平均電壓的大小，熟練掌握不同類型和不同大小負載情況時可控整流電路的計算公式。

通過此虛擬仿真實驗，能夠根據理論教學的內容和要求，設置數量多、難度不同、內容靈活的實驗，更可以將理論教學中的重點、難點以形象直觀的圖形顯示。