三相全控桥式整流电路的仿真设计毕业设计说明.pdf

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1、河 北 工 业 大 学 毕业设计说明书 作者：刘倩学号： 110183 学院：电气工程学院 系(专业 ): 电气工程及其自动化专业 题目: 三相全控桥式整流电路的仿真设计 指导者：赵争菡实验师 评阅者：杨晓光教授 2015 年 6 月 10 日 河北工业大学2015 届本科毕业设计说明书 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 中 文 摘 要 三相全控桥式整流电路的仿真设计 摘要： 三相全控桥式整流电路在工业领域有着十分广泛的应用。本文在研究全控 整流电路理论基础上，采用MATLAB 的 Simulink 动态仿真建立三相桥式全控整流 电路的仿真模型。首先，通过对不同触发角、输出电压、故障现象和负载特

2、性进 行仿真分析和研究，得到不同负载及触发角时电路的整流电压波形。然后分析仿 真结果的数据，验证仿真的正确性。最后针对器件上存在电压和电流的突变量， 设计了一种充放电型缓冲电路，对电力电子器件加以保护。仿真结果表明该模型 具有快捷、方便、直观、灵活等一系列特点, 为电力电子教学及实验提供了一种 较好的辅助方法。 关键词：MATLAB 三相全控整流电路缓冲电路 河北工业大学2015 届本科毕业设计说明书 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 外 文 摘 要 Title Simulation of Three-Phase Fully-controlled Bridge Rectifier Circuit

3、 Abstract Three-phase fully-controlled bridge rectifier circuit is widely used in industrial applications. In this paper, based on the theory of fully-controlled rectifier circuit, the model of three-phase fully-controlled bridge rectifier circuit is built on Matlab/Simulink dynamic simulation. Firs

4、tly, by simulating the different firing angle, the output voltage, the fault phenomenon and load characteristics, it obtains the rectified voltage waveforms at the different firing angle and load of the circuit. Then the analysis of the simulation results verifies the correctness of the simulation.

5、Lastly, for the presence of voltage and current of the device mutation volume, it designs a charge-discharge type snubber circuit protection for power electronic devices. The simulation results show the model has a series of features, for example fast, flexible, convenient, intuitive and so on, so i

6、t can provide a good teaching aid for power electronics and experiments. Keywords: MATLAB three-phase fully-controlled rectifier circuit snubber circuit 河北工业大学2015 届本科毕业设计说明书 目录 1 引言 1 1.1 课题研究的背景与意义1 1.2 国内外的研究现状及发展趋势1 1.3 本文主要研究内容2 2 整流电路3 2.1整流电路概述 3 2.2 三相桥式全控整流电路7 3 MATLAB仿真设计13 3.1 MATLAB 简介 1

7、3 3.2三相全控整流电路MATLAB 建模13 3.3 不同负载及触发角的电路仿真结果输出16 3.4 整流输出电压分析19 4 缓冲电路 20 4.1过电压保护20 4.2过电流保护20 4.3缓冲电路概述及充放电型RDC 缓冲电路的设计21 结论23 参考文献24 致谢26 河北工业大学2015 届本科毕业设计说明书 - 1 - 1 引言 11 课题研究的背景与意义 近几十年来，电力电子器件迅速发展，因而也促进了电力电子技术层面上的革新 与进步。电力电子装置不仅应用于传统的工业，还被广范应用于交通运输、 电力系统、 通讯系统、计算机系统、新能源系统等新兴产业。在长距离、大容量电能的传输中

8、， 直流输电有很大的优势， 其受电端的逆变阀和送电端的整流阀都采用晶闸管，而晶闸 管需要由直流电源供电。 全控型器件的高频开关电源因为具有小体积、高效、质轻被 各种电子装置用来供电，比如通信设备中的程控交换机和大微型计算机。 科技不断革新，生产力不断发展，整流电路越来越被广泛应用在自动控制系统、 测量系统和发电机励磁系统等领域 1 。经常使用的三相整流电路包括三相桥式不可控 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，因为整流电路由晶闸管、 电阻、电感、电容等多种电子器件组成，又涉及到直流信号、触发信号和交流信号， 所以用常规方法分析整流电路就会显得繁琐，对实验环境的要求也十分苛刻，

9、致使实 验、分析过程显得棘手。 在 MATLAB 中可以通过 Simulink 实现对电路拓扑结构的搭建能够直观的看到电 路运行后的结果，在 MATLAB 中通过对话框可以按照要求对原器件的参数进行修改， 并且得到相应的运行结果， 可以让实验人员直接进行分析实验结果，不需要通过复杂 的编程来得到结果。将MATLAB 的动态仿真功能应用到实践教学中，可以使学生直 观地观察到波形随着电路参数的修改而产生相应的变化，大大提高了学生学习电力电 子技术的热情， 又能够提高学生的动手操作能力，在实践中检验所学的理论知识，将 所学的知识得到进一步巩固，提高学生的综合能力。 12 国内外的研究现状及发展趋势

10、在所有电能变化中电力电子是最早使用在交流电整流成直流电能，自20 世纪 20 年代到现在已经历以下几种类型：旋转式变流机组、 静止式离子整流器、 和静止式半 导体整流器 2 。在半导体整流器出现之前电能的转化大多使用离子变流器和交流机组 河北工业大学2015 届本科毕业设计说明书 - 2 - 来实现，但是由于其各项关键经济数据均达不到客户的需求，所以被性能更为优异的 半导体整流器所代替。 整流电路高频和低频的区分方法是通过开关器件达到的频率来 进行区分，在低频电路中比较典型的控制方式是相控式，相控式整流方式是在整流电 路中最早被人们所接受的，且被应用到各个不同领域，比如交通、电力、航空和新能

11、源等领域；在高频电路中比较典型的整流电路是PWM 整流电路，这是一种新兴的整 流电路，发展时间较短，是近几年才将PWM 控制技术应用到相应的工业领域。 MATLAB软件人机对话语言系统是在当代社会中最为主流的计算机语言， MATLAB具有强大的仿真、数据分析、控制等大量强大的功能，被各行各业的科学 工作者用来进行系统建模与数据的分析计算，受到各行各业的推崇，应用十分广泛。 回顾历史，MATLAB 最初的目标群体就是学生， 老师可以通过 MATLAB 更好地向学 生传授知识，学生也可以通过MATLAB 直观地观察到相应的结果， 更好地巩固学习， 加深自身对知识的理解，所以一直以来就可以在高校中寻

12、觅到MATLAB 的身影成为 老师和学生进行教学和学习的不可或缺的工具。由于MATLAB 具有高效的数据分析 处理能力， 大大地减少了相应的试验时间，缩短了科研人员的项目周期，被科研人员 所喜爱，得到广泛应用。在国外大学中，MATLAB被广泛应用到高数教学中，发挥 其特有的科学计算能力，对教学工作起到了很好的帮助 3 。在工科的科研领域中，科 学工作者利用 MATLAB 针对实际遇到的问题搭建相应的数学模型进行仿真分析，以 此来帮助科学工作者得到相应的数据解决棘手复杂的问题。对于出现的各种问题， MATLAB 中都有相对应的工具箱来实现图像、信号、计算分析等功能 4 。 在三相整流电路中对于不

13、同的触发角和负载其相应的波形各不相同，在对其进行 数据分析时需要进行繁琐的计算和绘图，而 MATLAB 具有直观、快速、方便等特性， 日后将更多地应用到三相整流电路的教学中，以方便学生更好地理解三相整流电路的 原理，方便教学工作的展开 6 。 13 本文主要研究内容 由于利用 MATLAB可以让实验人员直接进行实验分析结果，而不需要通过复杂 的编程来得到结果，将MATLAB 应用到教学中，一方面可以激发学生学习兴趣，更 重要的是 MATLAB 教学简单直接，使学生容易理解，提高了动手实践能力。 因此，本文选择三相全控桥式整流电路的仿真设计为课题，主要研究内容为以下几个 方面： (1) 介绍整流

14、电路的拓扑结构、运行原理、各部分关系及作用，并对三相桥式电 河北工业大学2015 届本科毕业设计说明书 - 3 - 路在全控方式下进行整流的基本原理和构成做了深入的研究。 (2) 根据在全控方式下进行的三相桥式整流的技术要求，进行软件设计，对已有 的电路结构触发方式进行多次的试验验证理论分析的正确性。 (3) 根据相关参数要求，利用MATLAB 建立相应的数学模型并进行仿真分析，观 察不同的触发角和负载（阻感负载和电阻负载）得到的不同波形, 进而得到整流输出 电压受到的影响。 (4) 研究 RDC 缓冲电路的拓扑结构及其特点。通过 RDC 缓冲电路实现对器件上突 变的电压和电流进行缓冲，减少由

15、于电压电流的突变对器件造成的破坏。 2 整流电路 2.1 整流电路概述 2.1.1 整流电路定义 由于许多电力电力器件都是由直流电源供电的，而整流电路就是一种可以实现AC 向 DC转换的电路。现阶段使用的整流电路通常由主电路、控制电路、保护电路三部 分构成，其中整流电路的核心是主电路，整流电路中涉及到的元器件包括晶闸管、变 压器、负载等。电能转换的过程是交流电通过降压变压器变成电压较低的交流电，再 利用整流电路转换成可以为电力电子器件提供能源的直流电。实际上交流电经过整流 电路整流出来的直流电， 并不是单纯的直流电压， 还包括交流电压。 我们一般称这种 既含有 AC又含有 DC的电压称为单向脉

16、动性直流电压。 由于整流电路这种可以把交流 电转换为直流电的特性，使得整流电路在各个工业领域中发挥极大的作用 5 。 整流电路种类十分多，比较常用的整流电路包括半波整流电路、桥式整流电路及 全波整流电路。 按照不同的结构和性质分类有不同的分法，不同种类的整流电路又有 不同的组成、 性质和应用范围。 为了能够更直观详细地介绍各个种类的整流电路，请 参考下表。 如表 2-1 是按组成器件分类， 表 2-2 是按照电路结构分类， 表 2-3 是按照 电网交流输入相数分类，表2-4 是按照电流方向来分类，表2-5 是按控制方式分类， 表 2-6 是按引出方式。 河北工业大学2015 届本科毕业设计说明

17、书 - 4 - 表 2-1 按组成器件分类的整流电路 整流电路种类特征 不可控电路整流电路 由不可控二极管组成，固定电路结构后其直流 整流电压和交流电源电压值的比是固定不变 的。 半控电路整流电路由二极管和可控元件混合组成，在这种电路中， 负载电源极性不能改变，但可以调节平均值。 全控电路整流电路 所有的整流元件都是可控的（SCR 、 GTR 、 GTO 等） ， 其输出直流电压的平均值及极性可以通过控制 元件的导通状况而得到调节，在这种电路中， 可以发生有源逆变。 表 2-2 按照电路结构分类的整流电路 整流电路种类特征 零式整流电路 带零点或中性点，又称半波电路。所有整流元 件的阴极 (

18、或阳极 ) 都接到一个公共接点向直 流负载供电负载的另一根线接到交流电源的 零点。 桥式整流电路由两个半波电路串联而成，又称全波电路。 河北工业大学2015 届本科毕业设计说明书 - 5 - 表 2-3 是按照电网交流输入相数分类的整流电路 整流电路种类特征 单相整流电路整流电路的交流侧接单相电源，单相整流电路 常用于小功率整流场合。 三相整流电路 交流测由三相电源供电，负载容量较大, 或要求 直流电压脉动较小，容易滤波。因为三相整流 装置三相是平衡的输出的直流电压和电流脉 动小，对电网影响小，且控制滞后时间短，采 用三相全控桥式整流电路时，输出电压交变分 量的最低频率是电网频率的6 倍，交流

19、分量与 直流分量之比也较小，因此滤波器的电感量比 同容量的单相或三相半波电路小得多。另外， 晶闸管的额定电压值也较低。因此，这种电路 适用于大功率变流装置。 多相整流电路 采用多相整流电路可以改善功率因数，提高脉 动频率，使变压器初级电流的波形更接近正弦 值，可以减轻对电网的干扰，特别是减轻整流 电路高次谐波对电网的干扰。 表 2-4 是按照电流方向来分类的整流电路 整流电路种类特征 单拍整流电路所有半波整流电路都是单拍电路 双拍整流电路所有全波整流电路都是双拍电路 河北工业大学2015 届本科毕业设计说明书 - 6 - 表 2-5 按控制方式分类的整流电路 整流电路种类特征 相控式整流电路通

20、过控制触发脉冲的相位来控制直流输出电压 大小的方式称为相位控制方式，简称相控方式。 斩波式整流电路 利用晶闸管和自关断器件来实现通断控制，将 直流电源电压断续加到负载上，通过通、断的 时间变化来改变负载电压平均值，亦称直流- 直 流变换器。它具有效率高、体积小、重量轻、 成本低等优点，广泛应用于直流牵引的变速拖 动中，如城市电车、地铁、蓄点池车等。斩波 器一般分降压斩波器，升压斩波器和复合斩波 器三种。 表 2-6 按引出方式分类的整流电路 整流电路种类特征 中点引出整流电路 分为单脉波 （单相半波） ， 两脉波 （单相全波） ， 三脉波（三相半波），六脉波（六相半波）2） 桥式整流电路分：两

21、脉波（单相）桥式，六脉 波（三相）桥式。 桥式整流电路分为两脉波（单相）桥式，六脉波（三相）桥 式 带平衡电抗器整流电路 分：一次星形联结的六脉波带平衡电抗器电路 （即双反星带平衡电抗器电路），一次角形联 结的六脉波带平衡电抗器电路 十二相整流电路 分：二次星、三角联结，桥式并联（带6f 平衡 电抗器）单机组十二脉波整流电路；二次星、 三角联结，桥式串联十二脉波整流电路；桥式 并联等值十二脉波整流电路；双反星形带平衡 电抗器等值十二脉波整流电路。 河北工业大学2015 届本科毕业设计说明书 - 7 - 2.2 三相桥式全控整流电路 2.2.1 三相桥式全控整流电路工作原理 三相桥式全控整流电路

22、交流侧由三相电源供电。三相整流电路适用于整流电路中 有比较大的电阻、 电感或电容， 或者用户需要交流电经过整流电路转换的直流电压具 有容易滤波、小脉动的特性。三相桥式全控整流电路的拓扑结构如图2.1 所示。为了 减少整流电路里的三次谐波对电网的干扰，将变压器接成星（二次侧）- 三角(一次侧 ) 的连接方式 22 。如图 2.1 所示，晶闸管 1、晶闸管 3 和晶闸管 5 的阴极连接到一起， 把 VT1、VT3、VT5 称为共阴极组；晶闸管2、晶闸管 4、晶闸管 6 的阳极连接到一 起，把 VT2、VT4、VT6 称为共阳极组。将共阴极组的晶闸管1、晶闸管 3、晶闸管 5 和共阳极组的晶闸管4、

23、晶闸管 6、晶闸管 2 分别与三相电源的a相、b 相、c 相连 接， 这样做的目的是使三相桥式整流电路的6 个晶闸管导通顺序是从晶闸管1 到晶闸 管 6 依次导通，方便记录、观察与分析 5 。 2.2.2 带电阻负载的三相桥式全控整流电路 触发角不同，整流输出电压和整流输出电流的波形各不相同：(1) 当触发角小于 等于 60 度时，三相桥式全控整流电路的整流输出电压和整流输出电流的波形都是连 续的，并且它们的波形的形状也是一样的。（2）当触发角大于60 度时，整流输出电 压和整流输出电流的波形也是一致的，整流输出电压的波形每隔60会有一段波形 是零。当整流输出电压等于0 时，则整流输出电流也会

24、等于0，晶闸管中就无电流流 过，使晶闸管关断， 整流电路就不能正常工作， 所以整流电压输出波形不会有负值的 情况。 (3) 当触发角不断增大至120 度时，三相全控整流电路整流输出电压会一直等 图 2.1 三相桥式全控整流电路原理图 河北工业大学2015 届本科毕业设计说明书 - 8 - 于 0，即其波形一直为0，说明电压的平均值也是0。所以三相桥式全控整流电路触 发角的移相范围是0-120 6 。 鉴于整流输出电压波形的特征, 更好地说明每个晶闸管的关闭与工作情况，整流 输出波形的每个周期被以60为单位分成 6 段。下面图 2.2- 图 2.5 分别是 = 0、 = 30 、= 60 、=9

25、0的输出波形 , 表 2-7 是各个晶闸管导通及关断和输出 整流电压的情况 。 w w w w u 2 u d1 u d2 u 2L u d u a u a u ab u ac u b u b u ca u cb u a u ac u ab u ac u b u b u ca u cb u a u ac u a u c u b w t 1 O t O t O t O t a = 0 i VT 1 u VT 1 图 2.2 三相桥式全控整流电路带电阻负载= 0的波形 河北工业大学2015 届本科毕业设计说明书 - 9 - w w w a = 60 u d1 u d2 u d u ac u ac

26、u ab u ab u ac u bc u ba u ca u cb u ab u ac u a u b u c O t w t 1 O t O t u V1 图 2.3 三相桥式全控整流电路带电阻负载=30时的波形 图 2.4 三相桥式全控整流电路带电阻负载= 60时的波形 河北工业大学2015 届本科毕业设计说明书 - 10 - 总结：由以上波形及表11 可以得到三相全控桥式整流电路的一些特征： (1) 要想三相全控桥式整流电路正常工作，必须同时有两个不同相的晶闸管器件 都导通，并且一个晶闸管必须是共阴极组的，另一个晶闸管是共阳极组的。 （2）对触发脉冲的要求：按VT1-VT2-VT3-V

27、T4-VT5-VT6的顺序，相位依次差60 。 共阴极组的晶闸管（ VT1、VT3、VT5）和共阳极组的晶闸管（VT4、VT6、VT2）的脉冲都 逐次相差 120。与 a、b、c 相相连接的共阴极组和共阳极组的晶闸管脉冲有120 的差距（ VT1-VT4，VT3-VT6，VT5-VT2） 。 时段 共阴极 组中导 通的晶 闸管 VT1 VT1 VT3 VT3 VT5 VT5 共阴极 组中导 通的晶 闸管 VT6 VT2 VT2 VT4 VT4 VT6 整流输 出电压 d u abab uuu acac uuu bcbc uuu baba uuu caca uuu cbcb uuu u d1 u

28、 d2 u d u a u b u c u a u b w t O w t O w t O w t O w t O i a i d u ab u ac u bc u ba u ca u cb u ab u ac u bc u ba i VT 1 图 2.5 三相桥式全控整流电路带电阻负载 = 90 时的波形 表 2-7 晶闸管及输出整流电压的情况 河北工业大学2015 届本科毕业设计说明书 - 11 - (3) 三相全控桥式整流电路又被称为六脉波整流电路。表现在 d u 在一个周期中 脉动六次相同的波形 7 。 (4) 晶闸管的脉冲触发有两种方法， 宽脉冲触发和双脉冲触发， 其中双脉冲触发 是

29、经常被使用的 8 。这样就能保证需要导通的晶闸管在三相全控桥式整流电路刚启动 或者电流发生断续过程中能有脉冲触发导通，使得整流电路不会停止工作。 2.2.3 带阻感负载的三相桥式全控整流电路 (1) 当触发角小于等于60时， d u 的波形和带电阻负载的三相桥式全控整流电路 的 d u 的波形大致相同，没有断续的情况。每个晶闸管的导通和关断及其所受的电压 情况也和带电阻负载的三相桥式全控整流电路的的大致相同。不同之处在于由于电感 的存在，负载电流id的波形发生变化。并且电感越大id的波形越稳定。（2）当触发 角大于 60时， d u 的波形和带电阻负载的三相桥式全控整流电路的 d u 的波形相

30、比发 生变化。带阻感的 d u 的值会降到 0 以下，而带电阻的 d u 的值最小只能降到 0。 （3）当 触发角不断增大至90 度时，三相全控整流电路整流输出电压会一直等于0，即其波 形一直为 0，说明电压的平均值也是0。所以三相桥式全控整流电路带阻感负载的触 发角的移相范围是0-90。图 2.6- 图 2.9 分别 a= 0、a= 30、a=90的波形。 图 2.6 三相桥式全控整流电路带阻感负载=0时的波形 河北工业大学2015 届本科毕业设计说明书 - 12 - 2.2.3 三相桥式全控整流电路的定量分析 1 当三相桥式全控整流电路的整流输出电压连续时（即负载使带阻感时，是或负载 是带

31、电阻并且 a60 时） d u 的平均值为： 2 3 22 3 1 6sin()2.34cos 3 a d a UUwtd wtUa (2-1) 当负载是电阻且 a 60 时， d u 的平均值为： 图 2.7 三相桥式全控整流电路带阻感负载=30时的波形 图 2.8 三相桥式全控整流电路带阻感负载=90时的波形 河北工业大学2015 届本科毕业设计说明书 - 13 - 22 3 3 6sin()2.341cos 3 d a UUwtd wtUa (2-2) 输出电流平均值为： dd IUR (2-3) 3 MATLAB仿真设计 3.1 MATLAB简介 MATLAB是一种十分科学的计算系统，

32、通常被用来进行出处理图形和计算分析 数值等。MATLAB 最早由美国的MATH WORKS 公司推出， 是由英文 MATRIX LABORATORY 缩写而来 9 。用户在 MATLAB 界面中编写程序，因为它的计算方法和语言与人的思 维一致，所以简单容易掌握，而不会像其他高级语言比如C语言、 Java 等还需要 特殊转换思路 , 不好理解。用户需要做的就是针对具体的问题在MATLAB 中列出 math 表达式，很快就会得到所要的结果。 利用 MATLAB 软件可以实现数据可视化、算法开发、数值计算和数据分析，是 一种智能人机对话计算机语言系统。MATLAB 的常用功能是用来做数据运算，用户还

33、 可以在 MATLAB 界面调用其他计算机语言。MATLAB 中有很多自带的工具箱，利用这 些工具箱可以实现更多地功能，应用在广泛的领域，比如自动控制领域、信号分 析、图像的处理等。除此之外还有为实现系统模拟、系统开发等功能提供可视化 开发环境的Simulink软件包。 MATLAB 强大的仿真、数据分析、控制等大量强大 的功能，被各行各业的科学工作者用来进行系统建模与数据的分析计算，受到各行各 业的喜爱，应用十分广泛。 3.2 三相桥式全控整流电路的MATLAB 建模 利用 MATLAB 软件中的 simulink工具箱搭建三相桥式全控整流电路。如图3.1 是三相桥式全控整流电路在MATLA

34、B 中搭建的模型。 河北工业大学2015 届本科毕业设计说明书 - 14 - 双击各模块进行参数设置。 （1）电源模块参数设置。 三相交流电压相压峰值为100V，频率设置为25Hz。具体参数设置如图3.2 所 示。 (2) 同步脉冲触发模块的参数设置 频率设置为25Hz, 脉宽为 30% 。如图 3.3 是具体的脉冲触发器的参数设置。 图 3.1 三相桥式全控整流电路MATLAB 建模 图 3.2 电源模块参数设置 河北工业大学2015 届本科毕业设计说明书 - 15 - (3) 其他模块参数设置 通用三相整流桥模块、常数模块参数的设置如图3.4 、图 3.5 所示。 图 3.3 脉冲触发器的

35、参数设置 图 3.4 三相整流桥参数设置 河北工业大学2015 届本科毕业设计说明书 - 16 - 3.3 不同负载及触发角的电路仿真结果输出 3.3.1带电阻负载的三相桥式整流电路整流电压仿真结果 电阻设置为8 欧，电阻负载模块参数设置如图3.6 所示。 图 3.6 电阻负载模块参数设置 改变触发角大小，不同的触发角对应的 d u 实验波形图分别如图3.7 图 3.10 所示。其中x 轴是时间（ S） ，y 轴是电压（ V） 。 图 3.5 常数模块参数设置 河北工业大学2015 届本科毕业设计说明书 - 17 - 3.3.2带阻感负载的三相桥式整流电路整流电压仿真结果 电阻设置为8 欧，电

36、感为1H，阻感负载模块参数设置如图3.11 所示。 图 3.7 三相桥式全控整流电路带电阻负载 =0 时的仿真波形 图 3.8 三相桥式全控整流电路带电阻负载 =30 时的仿真波形 图 3.9 三相桥式全控整流电路带电阻负载 =60 时的仿真波形 图 3.10 三相桥式全控整流电路带电阻负载 =90 时的仿真波形 河北工业大学2015 届本科毕业设计说明书 - 18 - 改变触发角大小，不同的触发角对应的 d u 实验波形图分别如图3.12 图 3.15 所示。其中x 轴是时间（ S） ，y 轴是电压（ V） 。 图 3.11 阻感负载模块参数设置 图 3.12 三相桥式全控整流电路带阻感负载

37、 =0 时的仿真波形 图 3.13 三相桥式全控整流电路带阻感负载 =30 时的仿真波形 河北工业大学2015 届本科毕业设计说明书 - 19 - 3.4 整流输出电压分析 (1) 当触发角小于60时，带电阻负载的三相桥式全控整流电路的整流输出 电压波形和带阻感负载的三相桥式全控整流电路的波形相似。当触发角在60和 90之间时，对于带电阻负载的三相桥式全控整流电路的整流输出电压波形会有 断续的情况；而由于电感的存在会延长电路的导通时间，整流输出电压会降低到 负值，所以带阻感负载的三相桥式全控整流电路的整流输出电压波形不会有断续 的情况。 (2) 当触发角不断增大，整流输出电压的波形面积一直在减

38、小，整流输出电压 的平均值也在不断减小。当触发角增大到90时，带阻感负载的输出电压的波形 面积等于 0，意味着输出电压平均值同样是0。所以带阻感负载的三相全控桥式整 流电路的移相范围为0至 90。带电阻负载的三相全控桥式整流电路在触发角 等于 120时整流输出电压平均值是0，所以带电阻负载的三相全控桥式整流电路 的移相范围为0至 120。 (3) 通过观测到的波形、 数值计算与理论值相比较大致相同，即可验证 MATLAB 建模的正确性。 图 3.14 三相桥式全控整流电路带阻感负载 =60 时的仿真波形 图 3.15 三相桥式全控整流电路带阻感负载 =90 时的仿真波形 河北工业大学2015

39、届本科毕业设计说明书 - 20 - 4 缓冲电路 4.1 过电压保护 4.1.1 过电压的产生 过电压分为两种， 外因过电压和内因过电压 10 。外因过电压又分为操作过电压和 雷击过电压， 主要来自雷击和系统操作过程等外因；内因过电压分为换相过电压 （晶 闸管或与全控型器件反并联的二极管在换相结束后，反向电流急剧减小， 会由线路电 感在器件两端感应出过电压）和关断过电压 （全控型器件关断时， 正向电流迅速降低 而由线路电感在器件两端感应出的过电压），主要来自电力电子装置内部器件的开关 过程 11。 4.1.2 过电压保护措施 如图 4.1，可采取以下措施抑制过电压。 可以根据具体情况应用其中的

40、一种或几种。其中RC3和 RCD 可以抑制内因过电压， 属于缓冲电路 12。 4.2 过电流保护 过载和短路可能会导致过电流。过电流保护如图4.2 所示。 图 4.1过电压抑制措施及配置位置 F避雷器D变压器静电屏蔽层C静电感应过电压抑制电容 RC1阀侧浪涌过电压抑制用RC 电路RC2阀侧浪涌过电压抑制用反向阻断式RC 电路 RV压敏电阻过电压抑制器RC3阀器件换相过电压抑制用RC 电路 RC4直流侧 RC 抑制电路RCD阀器件关断过电压抑制用RCD 电路 河北工业大学2015 届本科毕业设计说明书 - 21 - 在这个过程中： (1) 为保证电路更加的稳定可靠，应同时采用多种过电流保护措施。

41、 (2) 电子电路是第一保护措施，快熔仅作为短路时的部分区段的保护，直流快速断路 器整定在电子电路动作之后实现保护，过电流继电器整定在过载时动作 13 。(3) 快熔 具有全保护和短路保护两种器件保护方式。全保护是指过载和短路均由快熔进行保 护，一般用于小功率装置。 短路保护是指快熔仅在短路电流较大的区域进行保护。(4) 对于晶闸管或全控型器件等重要且易短路设备，必须进行过电流保护。(5) 通常在全 控型器件的驱动电路中设置过电流保护环节，响应最快 13 。 4.3 缓冲电路概述及充放电型RDC 缓冲电路的设计 4.3.1 缓冲电路概述 缓冲电路 (Snubber Circuit)，又称吸收电

42、路，可以被用来抑制电力电子器件的内 因过电压、 du/d t 、过电流和di /d t ，并且降低器件的开关损耗。缓冲电路可以分为 关断缓冲电路、 开通缓冲电路、 复合缓冲电路： 1）关断缓冲电路 （du/d t 抑制电路）: 可以吸收器件的关断过电压和换相过电压，抑制du/dt，减小关断损耗。 2）开通缓 冲电路（di /d t 抑制电路） ：抑制器件开通时的电流过冲和di /d t ，减小器件的开通损 耗。3）复合缓冲电路：关断缓冲电路和开通缓冲电路的结合。按能量的去向分类法 分为耗能式缓冲电路和馈能式缓冲电路（无损吸收电路）。通常将缓冲电路专指关断 缓冲电路，将开通缓冲电路叫做di /d

43、 t 抑制电路 14 。 缓冲电路作用分析如图 4.3 所示。 图 4.2过电流保护措施及配置位置 河北工业大学2015 届本科毕业设计说明书 - 22 - ABC 是没有缓冲电路时的情况，晶闸管集电极电压和电流同时变为最大，并且电压和 电流都会有超调现象， 这种情况下瞬时功耗很大， 产生的局部热点容易导致电力电子 器件的二次击穿而损坏器件。增添缓冲电路后，轨迹如图ADC ，由上图可见其轨迹不 再是矩形， 避免了集电极电压和电流同时变为最大，很大程度上降低了开关损耗，并 且最大程度地利用了器件的电气性能，以此实现对电路的保护 20 。 4.3.2 充放电型 RDC 缓冲电路的设计 针对器件上存

44、在的过电压、 过电流，为保护电路， 设计了一种充放电型RDC 缓冲 电路，如图 4.4 所示。 图 4.3 关断时的负载线 图 4.4 抑制电路和充放电型RCD缓冲电路及波形 a) 电路 b) 波形 河北工业大学2015 届本科毕业设计说明书 - 23 - 结论 利用MATLAB 搭建三相桥式全控整流电路模型进行仿真，得到三相桥式全控整流电 路受不同负载特性和触发角影响的波形。本文仔细分析了整流电路的仿真结果, 并且 与利用常规电路分析方法所得到的整流输出电压波形比较, 验证了 MATLAB 建模是对 的，得到以下关于三相桥式全控整流电路的结论： （1）三相桥式全控整流电路受负载的影响： 当触

45、发角在 0至60时，三相桥式全控整流电路带电阻负载的整流输出电压的 波形和带阻感负载的整流输出电压的波形大概相同。当触发角大于60小于 90时， 带电阻负载的整流输出电压的波形出现断续，带阻感负载的整流输出电压的波形会降 到负值，不会出现断续。 （2）三相桥式全控整流电路受触发角的影响： 随着触发角的增大，三相桥式全控整流电路整流输出电压的波形面积不断减小， 平均值也在不断减小。当触发角为120时，三相桥式全控整流电路带电阻负载的整 流输出电压的平均值为零， 触发角等于 90时，带阻感负载的整流输出电压的平均值 等于0。所以，三相桥式全控整流电路带电阻负载的触发角的移相范围是0至120； 三相

46、桥式全控整流电路带阻感负载的触发角的移相范围是0至90。 三相桥式全控整流电路的仿真设计, 能够清晰、直观、快速地分析整流电路，而 不用像常规分析方法那样进行复杂的绘图和计算。此外，能够根据用户需求， 更改电 路参数设置，并且快速得到随着电路参数改变后的结果。针对器件上存在的过电压、 过电流，本文还设计了一种充放电型RDC 缓冲电路来保护电路。总之，MATLAB的 Simulink 动态仿真是一种功能十分强大的仿真软件, 可以推广应用到电力电子教学 中以达到更好地教学效果。 河北工业大学2015 届本科毕业设计说明书 - 24 - 参 考 文 献 1 李艳晶闸管整流电路仿真实验J科技风， 20

47、10 年 21 期：248- 251 2 王兆安电力电子技术 M 北京：机械工业出版社，09 3 黄智伟基于 NI Multisim 的电子电路计算机仿真设计与分析M 北京：电子工 业出版社， 2008 4 黄江波基于Matlab 的三相桥式全控整流电路的仿真研究J现代电子技术 2010(8)：202-204 5 肖松松，荣军，李翔，何凯，俞玮捷三相桥式全控整流电路的建模与仿真J电 子技术， 2014(1)：17-19 6 孟庆波，吉鹏霄基于 Matlab/Simulink 的三相桥式全控电路的建模与仿真J郑 州铁路职业技术学院学报2012(1)： 25-27 7 李蒙，李少波， Matlab 仿真技术在电力电子教学中的应用A 中国计量协会冶 金分会 2010 年会C2010：970-972 8 陶海英，熊俊，基于MATLAB的三相全控桥式整流电路仿真分析J江西电力 职业技术学院学报， 2011(1)：53-55，93 9 潘文霞，范永威，陆小花等 Matlab 在电路教学中的三种应用方法J电力系统 及其自动化学报 2006，18( 1) ：108- 112