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电路晶闸管波形三相桥式全控整流电路全面解析

 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,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Simtlink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。

  1 电路的构成及工作特点

  三相桥式全控整流电路原理图如图1所示。三相桥式全控整流电路是由三相半波可控整流电路演变而来的,它由三相半波共阴极接法(VT1,VT3,VT5)和三相半波共阳极接法(VT1,VT6,VT2)的串联组合。

三相桥式全控整流电路原理图

  其工作特点是任何时刻都有不同组别的两只晶闸管同时导通,构成电流通路,因此为保证电路启动或电流断续后能正常导通,必须对不同组别应到导通的一对晶闸管同时加触发脉冲,所以触发脉冲的宽度应大于π/3的宽脉冲。宽脉冲触发要求触发功率大,易使脉冲变压器饱和,所以可以采用脉冲列代替双窄脉冲;每隔π/3换相一次,换相过程在共阴极组和共阳极组轮流进行,但只在同一组别中换相。接线图中晶闸管的编号方法使每个周期内6个管子的组合导通顺序是VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6;共阴极组T1,T3,T5的脉冲依次相差2π/3;同一相的上下两个桥臂,即VT1和VT4,VT3和VT6,VT5和VT2的脉冲相差π,给分析带来了方便;当α=O时,输出电压Ud一周期内的波形是6个线电压的包络线。所以输出脉动直流电压频率是电源频率的6倍,比三相半波电路高l倍,脉动减小,而且每次脉动的波形都一样,故该电路又可称为6脉动整流电路。同理,三相半波整流电路称为3脉动整流电路。α>0时,Ud的波形出现缺口,随着α角的增大,缺口增大,输出电压平均值降低。当α=2π/3时,输出电压为零,所以电阻性负载时,α的移相范围是O~2π/3;当O≤α≤π/3时,电流连续,每个晶闸管导通2π/3;当π/3≤α≤2π/3时,电流断续,个晶闸管导通小于2π/3。23α=π/3是电阻性负载电流连续和断续的分界点。

  2 建模及仿真

  2.1 建模

  根据三相桥式全控整流电路的原理可以利用Simulink内的模块建立仿真模型如图2所示,设置三个交流电压源Va,Vb,Vc相位角依次相差120°,得到整流桥的三相电源。用6个Thyristor构成整流桥,实现交流电压到直流电压的转换。6个pulse generator产生整流桥的触发脉冲,且从上到下分别给1~6号晶闸管触发脉冲。

利用Simulink内的模块建立仿真模型

  2.2 参数设置及仿真

  三相电源的相位互差120°,交流峰值电压为l00 V,频率为60 Hz。晶闸管的参数为:Rn=O.001 Ω,Lon=0.000 1 H,Vf=0 V,Rs=50 Ω,Cs=250×10-9。负载电阻性设R=45 Ω,电感性负载设L=1 H。脉冲发生器脉冲宽度设置为脉宽的50 %,脉冲高度为5 V,脉冲周期为0.016 7 s,脉冲移相角随着控制角的变化对“相位角延迟”进行设置。

  (1)根据三相桥式全控整流电路的原理图,对不同的触发角α会影响输出电压进行仿真,负载为阻感特性。

  从以上仿真波形图可知改变不同的控制角,输出电压在发生不同的变化。

输出电压波形

  (2)由于高压强电流的情况,整流电路晶闸管很容易出现故障。假设以下情况对故障现象进行仿真分析,当α=30°,负载为阻感性时,仿真分析故障产生的波形情况。只有一个晶闸管故障波形如图6所示。同一相的两个晶闸管故障波形如图7所示。

晶闸管故障波形

  不同桥且不同相的两个晶闸管发生故障时的仿真波形如图8所示。

不同桥且不同相的两个晶闸管发生故障时的仿真波形

  从以上故障仿真波形图来看,不同的晶闸管出现故障时,产生的波形图是不一样的,所以,通过动态仿真能有效知道整流电路出现故意时候的工作情况,同时也加深对三相全控整流电路的理解和运用。

  通过仿真和分析,可知三相桥式全控整流电路的输出电压受控制角α和负载特性的影响,文中应用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,并与相关文献中采用常规电路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。应用Matlab对整流电路故障仿真研究时,可以判断出不同桥臂晶闸管发生故障时产生的波形现象,为分析三相桥式整流电路打下较好的基础,是一种值得进一步应用推广的功能强大的仿真软件,同进也是电力电子技术实验较好辅助工具。

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