三相桥式全控整流电路.docx
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三相桥式全控整流电路
电力电子技术课程设计报告
三相桥式全控整流电路（阻性、阻感性）
姓名
学号
系（院）
专业
班级
指导教师
2015/6/16
一、研究背景
1、MATLAB软件
MATLAB简介Matlab是MathWorks公司于1982年推出的一套高性能的数值计算和可视化软件。
它集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体，构成了一个方便、界面良好的用户环境。
它还包括了Toolbox（工具箱）的各类问题的求解工具，可用来求解特定学科的问题。
其特点是：
（1）可扩展性：
Matlab最重要的特点是易于扩展，它允许用户自行建立指定功能的M文件。
对于一个从事特定领域的工程师来说，不仅可利用Matlab所提供的函数及基本工具箱函数，还可方便地构造出专用的函数。
从而大大扩展了其应用范围。
当前支持Matlab的商用Toolbox（工具箱）有数百种之多。
而由个人开发的Toolbox则不可计数。
（2）易学易用性：
Matlab不需要用户有高深的数学知识和程序设计能力，不需要用户深刻了解算法及编程技巧。
（3）高效性：
Matlab语句功能十分强大，一条语句可完成十分复杂的任务。
如fft语句可完成对指定数据的快速傅里叶变换，这相当于上百条C语言语句的功能。
它大大加快了工程技术人员从事软件开发的效率。
据MathWorks公司声称，Matlab软件中所包含的Matlab源代码相当于70万行C代码。
MATLAB的广泛应用
由于Matlab具有如此之多的特点，在欧美高等院校，Matlab已成为应用于线性代数、自动控制理论、数理统计、数字信号处理、时间序列分析、动态系统仿真等高级课程的基本教学工具：
在研究单位、工业部门，Matlab也被广泛用于研究和解决各种工程问题。
当前在全世界有超过40万工程师和科学家使用它来分析和解决问题。
Matlab作为科学计算软件，主要适用于矩阵运算和信息处理领域的分析设计，它使用方便、输入简捷，运算高效、内容丰富，并且有大量的函数库可提供使用，与Basic，C和Fortran相比，用Matlab编写程序，其问题的提出和解决只需要以数学方式表达和描述，不需要大量繁琐的编程过程。
利用Matlab软件并通过计算机仿真光学空间滤波实验过程的新方法,其特点是：
既可以随意改变所设计滤波器的参量，又可以对输入图像进行振幅、相位或复合滤波，并且可实现傅里叶变换频谱中相位信息的提取、存储和利用，因而能够完成一般光学实验中往往难以实现的某些操作.并分别给出了网格滤波、低通、高通及相位滤波等仿真实验结果。
这种仿真实验给光学滤波器的设计和图象处理带来很大方便，同时也为相关器件的设计提供了一条新的途径。
Matlab定义的各种图形对象及其关系如下图所示。
随着社会生产和科学技术的发展，整流电路在自动控制系统、测量系统和发电机励磁系统等领域的应用日益广泛。
常用的三相整流电路有三相桥式不可控整流电路、三相桥式半控整流电路和三相桥式全控整流电路。
三相全控整流电路的整流负载容量较大,输出直流电压脉动较小,是目前应用最为广泛的整流电路。
它是由半波整流电路发展而来的。
由一组共阴极的三相半波可控整流电路和一组共阳极接法的晶闸管串联而成。
六个晶闸管分别由按一定规律的脉冲触发导通，来实现对三相交流电的整流，当改变晶闸管的触发角时，相应的输出电压平均值也会改变，从而得到不同的输出。
由于整流电路涉及到交流信号、直流信号以及触发信号，同时包含晶闸管、电容、电感、电阻等多种元件，采用常规电路分析方法显得相当繁琐，高压情况下实验也难顺利进行。
Matlab提供的可视化仿真工具Simulink可直接建立电路仿真模型，随意改变仿真参数，并且立即可得到任意的仿真结果，直观性强，进一步省去了编程的步骤。
本文利用Simulink对三相桥式全控整流电路进行建模，对不同控制角、桥故障情况下进行了仿真分析，既进一步加深了三相桥式全控整流电路的理论，同时也为现代电力电子实验教学奠定良好的实验基础。
二、三相桥式全控整流电路工作原理
1.三相桥式全控整流电路特性分析
三相桥式全控整流电路图是应用最为广泛的整流电路，其电路图如下：
电路接线图
在三相桥式全控整流电路中，对共阴极组和共阳极组是同时进行控制的，控制角都是α。
由于三相桥式整流电路是两组三相半波电路的串联，因此整流电压为三相半波时的两倍。
很显然在输出电压相同的情况下，三相桥式晶闸管要求的
为了分析方便，使三相全控桥的六个晶闸管触发的顺序是1-2-3-4-5-6，晶闸管是这样编号的：
晶闸管KP1和KP4接a相，晶闸管KP3和KP6接b相，晶管KP5和KP2接c相。
晶闸管KP1、KP3、KP5组成共阴极组，而晶闸管KP2、KP4、KP6组成共阳极组。
为了搞清楚α变化时各晶闸管的导通规律，分析输出波形的变化规则，下面研究几个特殊控制角，先分析α=0的情况，也就是在自然换相点触发换相时的情况。
为了分析方便起见，把一个周期等分6段（见下图）。
三相桥式电路的触发脉冲
在第
（1）段期间，a相电压最高，而共阴极组的晶闸管KP1被触发导通，b相电位最低，所以供阳极组的晶闸管KP6被触发导通。
这时电流由a相经KP1流向负载，再经KP6流入b相。
变压器a、b两相工作，共阴极组的a相电流为正，共阳极组的b相电流为负。
加在负载上的整流电压为
ud=ua-ub=uab
经过60°后进入第
（2）段时期。
这时a相电位仍然最高，晶闸管KPl继续导通，但是c相电位却变成最低，当经过自然换相点时触发c相晶闸管KP2，电流即从b相换到c相，KP6承受反向电压而关断。
这时电流由a相流出经KPl、负载、KP2流回电源c相。
变压器a、c两相工作。
这时a相电流为正，c相电流为负。
在负载上的电压为
ud=ua-uc=uac
再经过60°，进入第（3）段时期。
这时b相电位最高，共阴极组在经过自然换相点时，触发导通晶闸管KP3，电流即从a相换到b相，c相晶闸管KP2因电位仍然最低而继续导通。
此时变压器bc两相工作，在负载上的电压为
ud=ub-uc=ubc
余相依此类推。
由上述三相桥式全控整流电路的工作过程可以看出：
（1）.三相桥式全控整流电路在任何时刻都必须有两个晶闸管导通，而且这两个晶闸管一个是共阴极组，另一个是共阳极组的，只有它们能同时导通，才能形成导电回路。
（2）.三相桥式全控整流电路就是两组三相半波整流电路的串联，所以与三相半波整流电路一样，对于共阴极组触发脉冲的要求是保证晶闸管KPl、KP3和KP5依次导通，因此它们的触发脉冲之间的相位差应为120°。
对于共阳极组触发脉冲的要求是保证晶闸管KP2、KP4和KP6依次导通，因此它们的触发脉冲之间的相位差也是120°。
（3）.由于共阴极的晶闸管是在正半周触发，共阳极组是在负半周触发，因此接在同一相的两个晶闸管的触发脉冲的相位应该相差180°。
（4）.三相桥式全控整流电路每隔60°有一个晶闸管要换流，由上一号晶闸管换流到下一号晶闸管触发，触发脉冲的顺序是：
1→2→3→4→5→6→1，依次下去。
相邻两脉冲的相位差是60°。
2.带电阻负载时的工作情况：
（1）当a≤60°时，ud波形均连续，对于电阻负载，id波形与ud波形形状一样，也连续
（2）当a>60°时，ud波形每60°中有一段为零，ud波形不能出现负值
（3）带电阻负载时三相桥式全控整流电路a角的移相范围是120°
3.晶闸管及输出整流电压的情况如下表所示
时段
共阴级组中导通的晶闸管
VT1
VT1
VT3
VT3
VT5
VT5
共阴级组中导通的晶闸管
VT6
VT2
VT2
VT4
VT4
VT6
整流输出电压
ua-ub=uab
ua-uc=uac
ub-uc=ubc
ub-ua=uba
uc-ua=uca
uc-ub=ucb
4.阻感负载时的工作情况
a≤60°时，ud波形连续，工作情况与带电阻负载时十分相似，各晶闸管的通断情况、输出整流电压ud波形、晶闸管承受的电压波形等都一样区别在于：
由于负载不同，同样的整流输出电压加到负载上，得到的负载电流id波形不同。
阻感负载时，由于电感的作用，使得负载电流波形变得平直，当电感足够大的时候，负载电流的波形可近似为一条水平线。
a>60°时阻感负载时的工作情况与电阻负载时不同，电阻负载时ud波形不会出现负的部分，而阻感负载时，由于电感L的作用，ud波形会出现负的部分带阻感负载时，三相桥式全控整流电路的a角移相范围为90°。
定量分析
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：
带电阻负载且a>60°时，整流电压平均值为：
输出电流平均值为
Id=Ud/R
三、仿真实验
阻性仿真接线如下图所示
参数设置：
三相电源电压设置为100V，频率设为50Hz，相角相互相差120度。
六个晶闸管，只要有适当的触发信号，便可以使变换器在对应的时刻导通。
设置同步电压的频率跟脉冲宽度分别为50Hz和20%，通过设置输入信号给它的常数模块参数便可以得到不同的触发角。
电压参数设置触发角参数设置
1.电阻负载仿真
设置电路负载为纯电阻性，R＝2Ω。
以下是分别在a=0度，30度，60度,90度，120度时的仿真结果。
0度
30度
0度
60度
90度
120度度
阻感性负载仿真接线如下图
2.阻感负载仿真
设置电路负载为纯电阻性，R＝100Ω，L=10H。
以下是分别在a=0度，30度，60度,90度时的仿真结果。
90度
60度
30度
0度
四、仿真结果分析
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.对于纯电阻性负载，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.对于阻感性的负载，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。
五、总结
由于这是第一次接触Matlab仿真软件，在使用过程中遇到了较多的困难，例如起初存在着找不到器件或器件参数设置有问题的情况，而且发现所使用的Matlab软件与实验指导书所使用的版本不同，这也造成了不少麻烦。
但通过参考指导书的内容，上网搜索资料以及同学之间的互相交流，最终较圆满的完成了仿真任务，学会了初步使用MATLAB仿真软件的基本操作步骤，更认识到了Matlab仿真软件的重要性，希望今后里能够更多接触Matlab仿真，做到熟练使用仿真软件。
通过这次的仿真分析，可知三相桥式全控整流电路的输出电压受控制角和负载特性的影响，通过应用Matlab的可视化仿真工具Simulink对三相桥式全控整流电路的仿真结果进行了详细分析，并与常规电路理论分析方法所得到的输出电压波形进行比较，进一步验证了仿真结果的正确性。
采用Matlab／Simulink对三相桥式全控整流电路进行仿真分析，避免了常规分析方法中繁琐的绘图和计算过程，得到了一种直观、快捷分析整流电路的新方法。
应用Matlab／Simulink进行仿真，在仿真过程中可以灵活改变仿真参数，并且能直观地观察到仿真结果随参数的变化情况。
这次课程设计使我掌握了做科学研究的基本方法和思路，为今后的工作打下了基础，我有以下几点感受：
首先，我学会了对相关科技文献的检索，一切科学研究都是建立在前人研究的基础之上的。
因此，对于相关文献资料的检索显得尤为重要。
在现代社会中，随着计算机的普及以及网络技术的发展，，对于文献的检索已经从图书馆的纸质资料转移到网络平台下的电子文档。
通过课程设计，我详细的学习并掌握了中国知网、万方数据库等数据库的检索与使用。
其次，对于外文资料的翻译与理解。
由于我国科技水平的限制以及英语在世界范围内的普及，前沿的科技文献都是用英语给出的，给我们非英语国家造成了一定的不便。
这就要求我们在科研工作中必须能够快速准确的阅读理解并翻译英文文献资料。
在这次毕业设计中，我所接触的文献资料主要是由英文给出的，这在很大程度上锻炼了我对外文资料的阅读理解水平，从一定程度上提高了我对外文资料的翻译能力。
最后，通过这次课程设计还使我了解了科技论文的写作规范，熟悉了系列软件在文字处理与排版等方面的使用。
总之，这次课程设计不是简简单单的完成了一个课题，而是使我初步的掌握了科学研究的步骤与方法，巩固了我的专业知识，练习了我的实际操作能力，锻炼了我分析解决问题的能力，为今后的科研工作打下了坚实的基础。
通过本次设计让我对三相晶闸管有了更深刻的了解并且知道要想成为一名出色的工程设计师是很不容易的，需要充分的知识基础和一定的耐力。
在此基础上，我也学到了很多，开阔了眼界。
在设计中，我也感到平时积累不够，书到用时方恨少。
在以后的学习工作中我要更加的努力学习自己的专业课，丰富自己的业余生活。
这次的课程设计充分锻炼了自己的动手能力，使我更加深刻的感受到“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”。
参考文献：
[1].王兆安，刘进军主编．电力电子技木．第五版．北京：
机械工业出版社，2009年5月
[2].仵文杰，邱忠才主编.电力电子与电力传动综合实验教程.第一版.成都:
西南交通大学出版社,2009年2月
[3].于群，曹娜编著.MATLAB/simulink电力系统建模与仿真.第一版北京：
机械工业出版社，2014年11月
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