基于Simulink的三相桥式全控整流电路仿真研究*

任宏涛，朱 旋，李 峥

(淮北师范大学物理与电子信息学院，235000，安徽省淮北市)

0 引 言

整流电路作为电力电子领域中电路使用的先驱，其所具有的功能是完成电能交流到直流的转换之后，将直流电供给直流电气设备使用.整流电路参照不同的方法可分为多种类型，例如：单相、多相电路；桥式、零式电路；全控、半控、不可控电路[1].其中结构简单，只包含最基本元件的电路是单相整流电路.单相整流电路最明显的缺点是输出端有较大的脉动，即使是对于单相桥式整流，也会存在同样缺点，即电压出现零值到峰值的脉动.而在三相整流电路工作中，电压不会下降到零值，其产生的电压脉动区间相对于单相整流电路而言要小很多，满足研究所需条件.所以三相桥式全控整流电路成为现代最热门的整流电路.

因此，主要研究对象就是三相桥式全控整流电路.整流电路涉及多种复杂的电器元件，通过硬件设计分析电路的过程十分复杂，特别是当遇到需要高压电的情况更加无法完成.所以此处利用MATLAB中的可视化Simulink工具箱进行仿真研究.通过软件设计电路的仿真模型，对输入电路各元件的参数可进行任意的改变，即可获得不同的仿真结果.不但能节省硬件电路设计的成本，而且能够深化对电路理论的研究效果.

1 三相桥式全控整流电路的工作原理

分析下页图1中三相桥式全控整流电路原理图.电路由变压器、阴极相连接的晶闸管(VT1，VT3，VT5)、阳极相连接的晶闸管(VT4，VT6，VT2)以及接入的负载构成[8].电路工作通过6只晶闸管进行，由于晶闸管属于半控型，所以设计晶闸管触发电路是一个重要的工作.通常三次谐波会对电网产生比较大的危害，为了消除影响需用三角形连接变压器一次侧且星形连接变压器二次侧.当电路开始工作时，共阴极、共阳极组应各有一只处于导通状态的晶闸管.按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6依次导通，导通相位差为60°.VT1，VT3，VT5和VT4，VT6，VT2脉冲相位差为120°.处在同一桥且上下不同桥臂的VT1，VT4；VT3，VT6；VT5，VT2脉冲相位差为180°[9].当晶闸管达到导通所需条件时，共阴极连接的晶闸管，导通的是阳极电位最高的.共阳极连接的晶闸管，导通的是阴极电位最低的.两只晶闸管相电压相减即得到整流电路输出电压ud.根据晶闸管导通过程可得，输出波形一个周期可分为相等的六段，每段为60°.晶闸管触发角α的移相范围是0°～120°.

图1 三相桥式全控整流电路原理图

2 Simulink环境下三相桥式全控整流电路的仿真及波形分析

想要在Simulink运行环境下完成三相桥式全控整流电路的设计，所需工作就是根据原理图中电路的连接情况构造出仿真电路的结构.仿真电路的搭建需要从Simulink库中调用交流电源、晶闸管、RLC负载、脉冲触发器以及电压电流测量器和示波器.首先调出Powergui，3个交流电源及负载，然后从Power Electronics中调出6个晶闸管，从source中调出6个脉冲触发，最后调出测量设备以及总线后按原理图完成连接.

2.1 带电阻负载的工作情况仿真

2.1.1 仿真参数的设置

搭建完成如图2所示仿真电路，然后设置各元件参数：交流电压有效值为220 V，则其峰值设为310 V；输入相位差为120°的三相电压，以电压ua相位为0°开始依次推迟120°得到-120°，-240°分别为电压ub，uc的相位；频率设为50 Hz；周期设为0.02 s；脉冲宽度设为5%；仿真时间设为0.08 s；电阻负载电阻设为12 Ω；最后设置仿真过程所需算法为ode23tb.如需观察不同数量的波形，对电路仿真时间进行调整即可得到.

图2 电阻负载时Simulink仿真电路

2.1.2 仿真结果波形分析

(1)图3表示输入电压各相之间线电压，电阻负载时触发角α=0°的输出电压、负载电流以及脉冲波形对比，图4表示VT1电流电压对比波形.

图3 触发角为0°波形

图4 VT1的电流电压波形

波形分析：输出电压是由共阴极组最高阳极相电压与共阳极组最低阴极相电压相减得到的线电压，即可表示为线电压正半周包络线，电压波形每个周期有6段相同脉动，与理论分析一致.由于仅有电阻负载连接到电路中，因此输出端呈现出负载电流、电压波形相同的情况.因为每只晶闸管导通120°，所以VT1的电流波形为两段脉动电流，形状与输出电压相似.

(2)图5～图6是触发角α=30°时出现失真的不理想波形.

图5 触发角为30°波形

图6 VT1的电流电压波形

波形分析：从仿真结果图可以看出波形出现失真，没有达到理想效果，经分析是因脉冲宽度过窄，导致在脉冲触发时刻晶闸管无法成功导通，所以导致波形失真.将脉冲宽度调整为20%，再次进行仿真得到如图7和图8的仿真波形图.可以看到参数调整后的波形接近理想波形，因为此时的触发角α=30°，晶闸管推迟30°才开始导通，所以从波形图中可看出，输出电压的平均值降低.但是一个周期仍然由六段相同的脉动线电压组成，与理论分析一致.因为VT1的导通时间保持为三分之一周期不变，所以电流波形分析与α=0°时类似，仍然是两段脉动，且波形与输出电压波形十分相似.

图7 触发角为60°波形

图8 VT1的电流电压波形

(3)图9～图12是晶闸管的触发角为60°和90°时的波形.

图9 触发角为60°波形

图10 VT1的电流电压波形

图11 触发角为90°波形

图12 VT1的电流电压波形

波形分析总结：以上分别是触发角α为0°，30°，60°，90°时输出直流的电压电流波形图，以及晶闸管VT1两端电流电压波形.当触发角α=0°时，出现最理想的波形，输出电压的平均值最大，整流效果最好.但是当对α的值进行改变时，输出电压平均值也会随之产生变化.当α=60°时，输出电压会产生峰值下降到零值的变化，出现零值点.当α=90°时，输出电压会出现若干段零值波形.继续增大α至120°时，波形图为一条恒为零的直线，输出电压的平均值也为零，所以此处未对α=120°时的波形进行研究.通过分析，验证了在电阻负载工作时α的移相范围是0°～120°.

2.2 阻感负载的工作情况仿真

2.2.1 仿真参数的设置

阻感负载工作情况与电阻负载类似，首先是按照原理图搭建如图13所示仿真电路.电路的参数设置在电阻负载参数的基础上将增加一个与电阻串联的电感，电感参数设为0.1 H，其他参数保持不变.

图13 阻感负载时Simulink仿真电路

2.2.2 仿真结果波形分析

图14 触发角为0°波形

(1)当电路中接入阻感负载工作，触发角α≤60°时，将输出端波形与仅接入电阻负载情况下作比较，结果几乎无异.2种工作情况的不同点在于负载电流的波形，阻感负载下电路串联一个电感元件，电感元件对电流变化起阻碍作用，在电感元件的作用下使得负载电流的波形变得平坦波动小，当接入电路的电感元件的值足够大时，负载电流的波形可以近似看成一条水平直线.图14-图16是α≤60°时波形，输出电压相较于电阻负载情况下波形十分接近，负载电流波形随触发角α的增大，出现轻微脉动，但波形仍可近似看成一条水平直线，与理论分析一致.

图15 触发角为30°波形

图16 触发角为60°波形

(2)分析得α≤60°时仿真结果与电阻负载情况下无异.继续分析α=90°时仿真结果，与电阻负载相比阻感负载工作时输出波形出现明显的变化.只接入电阻负载情况下，输出电压波形始终为正值及零值波形.但阻感负载工作时，接入电路的电感L的发挥作用，电流变化受到阻碍，晶闸管不会关断，所以输出电压就会有负值波形.当改变电感的参数到足够大时，输出电压波形会出现几乎相等的正负面积，面积相抵，得到平均值为0的输出电压.与电阻负载α=120°时的理论分析类似.至此对阻感负载下α的移相范围为0°～90°的理论加以验证.图17是α=90°波形.

图17 触发角为90°波形

3 结 论

上述一系列仿真实验通过三相桥式全控整流电路的原理图在MATLAB/Simulink环境下搭建三相桥式全控整流电路的仿真电路，进行参数设置，分别研究了电阻负载和阻感负载工作情况下不同触发角α的仿真波形，分析波形出现失真不理想的原因并在进行参数更改后得到比较理想的波形.电路接入电阻负载和阻感负载时α的理论移相范围得以验证.Simulink工具箱的使用，省略了硬件实验的复杂步骤，只需按照电路原理图搭建仿真电路，任意设置各元件参数数据，很容易观察到仿真波形图在不同参数下的变化情况，使得在仿真过程中可快速、直观地分析仿真结果，总结出与理论分析最接近的结论.