三相桥式全控整流电路仿真
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摘要：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、电感、电阻等多种元件, 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,对不同控制角情况下的三相电源电压、电流及负载电压、电流进行了仿真分析,既进一步加深了三相桥式全控整流电路的理论,同时也为电力电子实验课程奠定良好的实验基础。
关键词：Simulink；建模；三相桥式全控整流
三相桥式全控整流电路分析（电阻负载）
1 主电路结构及工作原理
1.1 原理图
VT1Tniaabc负载udVT3VT5d1idVT4VT6VT2d2
图1 三相桥式全控整流电路原理图（电阻负载）
1.2 工作原理
三相桥式全控整流电路拓扑结构如图1所示。它通过对两组桥臂晶闸管元件的有序控制，即共阴极组中与a、b、c三相电源相接的三个晶闸管分别为VT1 、VT3 、 VT5 ，共阳极组中与a、b、c三相电源相接的三个晶闸管分别为 VT4 、VT6 、VT2。它们可构成电源系统对负载供电的6条整流回路，各整流回路的交流电源电压为两元件所在的相间的线电压。
将一个周期相电压分为 6 个区间，每个区间整流电路工作情况如下表:
表 1 整流电路工作情况
由上表可见，在三相桥式全控整流电路中，每一个导电回路中有 2 个晶闸管，即用 2 个晶闸管同时导通以控制导电的回路。晶闸管的导通顺序为 VT1→VT2→VT3→VT4→VT5→VT6。
1
从上述分析可以总结出三相全控桥式整流电路的工作特点:
1) 任何时候共阴、共阳极组各有一只元件同时导通才能形成电流通路； 2) 共阴极组晶闸管 VT1、VT3、VT5，按相序依次触发导通，相位相差 120°，共阳极组晶闸管 VT2、VT4、VT6，相位相差 120°，同一相的晶闸管相位相差 180°。每个晶闸管导通角 120°；
3) 输出电压 Ud由六段线电压组成，每周期脉动六次；
4) 晶闸管承受的电压只与晶闸管导通情况有关，其波形由3段组成: 一段为零( 忽略导通时的压降) ，两段为线电压。晶闸管承受最大正、反向电压的关系也相同。
2 三相桥式全控整流电路建模仿真
在MATLAB新建一个Model，模型建立如下图所示：
图2 三相桥式全控整流电路仿真电路
2.1 模型参数设置
（1）三相电源UA、UB和UC仿真参数设置：电压峰值为380V，频率为50Hz，相位分别为0°、－120°、120°；
（2）三相晶闸管整流器参数使用默认值； （3）RLC负载仿真参数设置：R=10Ω；
2
（4）脉冲发生器仿真参数设置：频率50Hz，脉冲宽度取10°，选择双脉冲触发方式；
（5）控制角仿真参数设置：设置为0°、45°、75°、105°； 另外，仿真时间可以按需要设置，是任意的，时间长观察到的波形多，计算花费的时间也多。一般电阻负载2个电源周期后电路已进入稳态，电感负载因为电流有上升时间，仿真时间也需要长一些，本例设为0.06s。仿真算法采用ode23tb。
3 仿真结果及其分析
a. 触发角α=0°，MATLAB仿真波形如下
1000三相电压0-1000100三相电流0-1001脉冲信号0.508006004002000100负载电压负载电流50000.010.020.030.040.050.06
图3 α=0°三相桥式全控整流电路仿真结果（电阻性负载）
b.触发角α=45°，MATLAB仿真波形如下
3
1000三相电压0-1000100三相电流0-1001脉冲信号0.508006004002000100负载电压负载电流50000.010.020.030.040.050.06
图4 α=45°三相桥式全控整流电路仿真结果（电阻性负载）
c.触发角α=75°，MATLAB仿真波形如下
三相电压0三相电流0脉冲信号00负载电压负载电流00
图5 α=75°三相桥式全控整流电路仿真结果（电阻性负载）
d.触发角α=105°，MATLAB仿真波形如下
三相电压0三相电流0脉冲信号0000负载电压负载电流
图6 α=105°三相桥式全控整流电路仿真结果（电阻性负载）
4
4 FFT分析
4.1当触发角α=0°时，三相电源电流Ia、Ib、Ic及负载电流Id和负载电压Vd的FFT分析
a．触发角α=0°，a相电流FFT分析如下
Selected signal: 3 cycles. FFT window (in red): 1 cycles500-5000.010.020.03Time (s)0.040.050.06Fundamental (50Hz) = 69.45 , THD= 30.74%100Mag (% of Fundamental)8060402000246810Harmonic order1214161820
图7 α=0°三相电源电流Ia FFT分析结果（电阻性负载）
b．触发角α=0°，b相电流FFT分析如下
Selected signal: 3 cycles. FFT window (in red): 1 cycles500-5000.010.020.03Time (s)0.040.050.06Fundamental (50Hz) = 69.34 , THD= 30.96%100Mag (% of Fundamental)8060402000246810Harmonic order1214161820
图8 α=0°三相电源电流Ib FFT分析结果（电阻性负载）
c．触发角α=0°，c相电流FFT分析如下
5
Selected signal: 3 cycles. FFT window (in red): 1 cycles500-5000.010.020.03Time (s)0.040.050.06Fundamental (50Hz) = 69.39 , THD= 30.89%100Mag (% of Fundamental)8060402000246810Harmonic order1214161820
图9 α=0°三相电源电流Ic FFT分析结果（电阻性负载）
d．触发角α=0°，负载电流Id FFT分析如下 Selected signal: 3 cycles. FFT window (in red): 1 cycles604020000.010.020.03Time (s)0.040.050.06Fundamental (50Hz) = 0.06328 , THD= 6657.26%1200010000Mag (% of Fundamental)800060004000200000246810Harmonic order1214161820
图10 α=0°负载电流Id FFT分析结果（电阻性负载）
e．触发角α=0°，负载电压Vd FFT分析如下 Selected signal: 3 cycles. FFT window (in red): 1 cycles600400200000.010.020.03Time (s)0.040.050.06Fundamental (50Hz) = 0.6328 , THD= 6657.26%1200010000Mag (% of Fundamental)800060004000200000246810Harmonic order1214161820
图11 α=0°负载电压Vd FFT分析结果（电阻性负载）
6
4.2当触发角α=75°时，三相电源电流Ia、Ib、Ic及负载电流Id和负载电压Vd的FFT分析
a．触发角α=75°，a相电流FFT分析如下
Selected signal: 3 cycles. FFT window (in red): 1 cycles40200-20-4000.010.020.03Time (s)0.040.050.06Fundamental (50Hz) = 18.75 , THD= 101.58%100Mag (% of Fundamental)8060402000246810Harmonic order1214161820
图12 α=75°三相电源电流Ia FFT分析结果（电阻性负载）
b．触发角α=75°，b相电流FFT分析如下
Selected signal: 3 cycles. FFT window (in red): 1 cycles40200-20-40-6000.010.020.03Time (s)0.040.050.06Fundamental (50Hz) = 29.28 , THD= 90.35%100Mag (% of Fundamental)8060402000246810Harmonic order1214161820
图13 α=75°三相电源电流Ib FFT分析结果（电阻性负载）
c.触发角α=75°，c相电流FFT分析如下
7
Selected signal: 3 cycles. FFT window (in red): 1 cycles6040200-20-4000.010.020.03Time (s)0.040.050.06Fundamental (50Hz) = 32.48 , THD= 67.27%100Mag (% of Fundamental)8060402000246810Harmonic order1214161820
图14 α=75°三相电源电流Ic FFT分析结果（电阻性负载）
d.触发角α=75°，负载电流Id FFT分析如下
Selected signal: 3 cycles. FFT window (in red): 1 cycles604020000.010.020.03Time (s)0.040.050.06Fundamental (50Hz) = 11.7 , THD= 221.67%200Mag (% of Fundamental)1501005000246810Harmonic order1214161820
图15 α=75°负载电流Id FFT分析结果（电阻性负载）
e.触发角α=75°，负载电压Vd FFT分析如下
Selected signal: 3 cycles. FFT window (in red): 1 cycles600400200000.010.020.03Time (s)0.040.050.06Fundamental (50Hz) = 117 , THD= 221.67%200Mag (% of Fundamental)1501005000246810Harmonic order1214161820
图16 α=75°负载电压Vd FFT分析结果（电阻性负载）
8
5 小结
本文在对三相桥式全控整流电路理论分析的基础上，利用MATLAB面向对象的设计思想和电气元件的仿真系统，建立了基于Simulink的三相桥式全控整流电路的仿真模型，并对其进行了仿真研究。在对三相桥式全控整流电路带电阻负载时的工作情况进行仿真分析的基础上，验证了当触发角0°≤α≤60° ，负载电流是连续的；当α≥60°时，负载电流不连续；同时也验证了三相桥式全控整流电路触发角α的移相范围是0°~ 120°。通过仿真分析也验证了本文所建模型的正确性。
9
三相桥式全控整流电路分析（阻感负载）
1 主电路结构及工作原理
1.1 原理图
VT1TniaabcRLudVT3VT5d1idVT4VT6VT2d2
图17 三相桥式全控整流电路原理图（阻感负载）
1.2工作原理
三相桥式全控整流电路拓扑结构如图1所示。它通过对两组桥臂晶闸管元件的有序控制，即共阴极组中与a、b、c三相电源相接的三个晶闸管分别为VT1 、VT3 、 VT5 ，共阳极组中与a、b、c三相电源相接的三个晶闸管分别为 VT2 、VT4 、VT6。它们可构成电源系统对负载供电的6条整流回路，各整流回路的交流电源电压为两元件所在的相间的线电压。
2 三相桥式全控整流电路建模仿真
在MATLAB新建一个Model，模型建立如下图所示：
图18 三相桥式全控整流电路仿真电路
2.1 模型参数设置
（1）三相电源UA、UB和UC仿真参数设置：电压峰值为380V，频率为50Hz，相位分别为0°、－120°、120°
（2）三相晶闸管整流器参数使用默认值。 （3）RLC负载仿真参数设置：R=10Ω、L=0.01mH。
（4）脉冲发生器仿真参数设置：频率50Hz，脉冲宽度取10°，选择双脉冲触发方式。
（5）控制角仿真参数设置：设置为0°、45°、75°、90°。
另外，仿真时间可以按需要设置，是任意的，时间长观察到的波形多，计算花费的时间也多。一般电阻负载2个电源周期后电路已进入稳态，电感负载因为电流有上升时间，仿真时间也需要长一些，本例设为0.06s。仿真算法采用ode23tb。
3 仿真结果及其分析
a. 触发角α=0°，MATLAB仿真波形如下
11
1000三相电压0-1000100三相电流0-1001脉冲信号0.501000负载电压5000100负载电流50000.010.020.030.040.050.06
图19 α=0°三相桥式全控整流电路仿真结果（阻感性负载）
b.触发角α=45°，MATLAB仿真波形如下
三相电压0三相电流0脉冲信号0负载电压0负载电流00
图20 α=45°三相桥式全控整流电路仿真结果（阻感性负载）
c.触发角α=75°，MATLAB仿真波形如下
三相电压0三相电流0脉冲信号00负载电压00
图21 α=75°三相桥式全控整流电路仿真结果（阻感性负载）
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d.触发角α=90°，MATLAB仿真波形如下
1000三相电压0-1000100三相电流0-1001脉冲信号0.5010005000-500100负载电压负载电流50000.010.020.030.040.050.06
图22 α=90°三相桥式全控整流电路仿真结果（阻感性负载）
4 FFT分析
4.1当触发角α=0°时，三相电源电流Ia、Ib、Ic及负载电流Id和负载电压Vd的FFT分析
a．触发角α=0°，a相电流FFT分析如下
Selected signal: 3 cycles. FFT window (in red): 1 cycles500-5000.010.020.03Time (s)0.040.050.06Fundamental (50Hz) = 68.72 , THD= 31.73%100Mag (% of Fundamental)8060402000246810Harmonic order1214161820
图23 α=0°三相电源电流Ia FFT分析结果（阻感性负载）
b．触发角α=0°，b相电流FFT分析如下
13
Selected signal: 3 cycles. FFT window (in red): 1 cycles500-5000.010.020.03Time (s)0.040.050.06Fundamental (50Hz) = 65.31 , THD= 37.05%100Mag (% of Fundamental)8060402000246810Harmonic order1214161820
图24 α=0°三相电源电流Ib FFT分析结果（阻感性负载）
c.触发角α=0°，c相电流FFT分析如下
Selected signal: 3 cycles. FFT window (in red): 1 cycles500-5000.010.020.03Time (s)0.040.050.06Fundamental (50Hz) = 65.94 , THD= 34.14%100Mag (% of Fundamental)8060402000246810Harmonic order1214161820
图25 α=0°三相电源电流Ic FFT分析结果（阻感性负载）
d.触发角α=0°，负载电流Id FFT分析如下 Selected signal: 3 cycles. FFT window (in red): 1 cycles604020000.010.020.03Time (s)0.040.050.06Fundamental (50Hz) = 3.78 , THD= 289.32%500Mag (% of Fundamental)40030020010000246810Harmonic order1214161820
图26 α=0°负载电流Id FFT分析结果（阻感性负载）
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e.触发角α=0°，负载电压Vd FFT分析如下 Selected signal: 3 cycles. FFT window (in red): 1 cycles600400200000.010.020.03Time (s)0.040.050.06Fundamental (50Hz) = 0.6202 , THD= 6787.86%1200010000Mag (% of Fundamental)800060004000200000246810Harmonic order1214161820
图27 α=0°负载电压Vd FFT分析结果（阻感性负载）
4.2当触发角α=45°时，三相电源电流Ia、Ib、Ic及负载电流Id和负载电压Vd的FFT分析
a.触发角α=45°，a相电流FFT分析如下
Selected signal: 3 cycles. FFT window (in red): 1 cycles500-5000.010.020.03Time (s)0.040.050.06Fundamental (50Hz) = 60.02 , THD= 33.70%100Mag (% of Fundamental)8060402000246810Harmonic order1214161820
图28 α=45°三相电源电流Ia FFT分析结果（阻感性负载）
b.触发角α=45°，b相电流FFT分析如下
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Selected signal: 3 cycles. FFT window (in red): 1 cycles500-5000.010.020.03Time (s)0.040.050.06Fundamental (50Hz) = 61.99 , THD= 31.81%100Mag (% of Fundamental)8060402000246810Harmonic order1214161820
图29 α=75°三相电源电流Ib FFT分析结果（阻感性负载）
c.触发角α=45°，c相电流FFT分析如下
Selected signal: 3 cycles. FFT window (in red): 1 cycles500-5000.010.020.03Time (s)0.040.050.06Fundamental (50Hz) = 59.59 , THD= 37.19%100Mag (% of Fundamental)8060402000246810Harmonic order1214161820
图30 α=75°三相电源电流Ic FFT分析结果（阻感性负载）
d.触发角α=45°，负载电流Id FFT分析如下
Selected signal: 3 cycles. FFT window (in red): 1 cycles604020000.010.020.03Time (s)0.040.050.06Fundamental (50Hz) = 3.382 , THD= 325.85%800700Mag (% of Fundamental)60050040030020010000246810Harmonic order1214161820
图31 α=0°负载电流Id FFT分析结果（阻感性负载）
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e．触发角α=45°，负载电压Vd FFT分析如下
Selected signal: 3 cycles. FFT window (in red): 1 cycles600400200000.010.020.03Time (s)0.040.050.06Fundamental (50Hz) = 32.67 , THD= 588.37%12001000Mag (% of Fundamental)80060040020000246810Harmonic order1214161820
图32 α=0°负载电压Vd FFT分析结果（阻感性负载）
5 小结
本文对三相桥式全控整流电路进行了理论分析，利用MATLAB面向对象的设计思想和自带的电力系统工具箱，建立了基于MATLAB-simulink的三相桥式全控整流电路仿真模型，并对其进行比较研究。对于电路带阻感性负载时的工作情况，验证了当触发角为0°≤α≤60°时，负载电流连续；当α＞60°时，负载电流不连续且出现负的部分；同时验证了触发角α的移相范围是0°~ 90°。通过仿真分析也验证了本文所建模型的正确性。
6 谐波分析
三相整流电路，一般情况下,即使经过输入变压器原边的交流电压为正弦波,由于负载中存在电抗,以及变压器副边漏抗的影响,交流侧的输入电流也会发生畸变,成为非正弦波,从而产生谐波电流。因此,三相整流电路带感性负载时,其输入电流中谐波分量普遍较大,功率因数较低。二极管整流电路虽然相移因数接近于1,但由于电容的滤波作用,输入电流的谐波分量也很大,所以功率因数也很低。如果输入端不加校正环节,输入功率因数一般都低于0. 8。因此整流电路
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的输入电流波形通常近似为平顶波,甚至接近方波。
根据三相电源的对称性,不妨以u相为例讨论。首先,将电流波形进行傅立叶级数展开,将电流负、正两半波之间的中点作为时间零点,则有
三相电流波形相同,且依次相差120b,其有效值与直流电流的关系为:
当控制角α≠0时,只需用ωt-α代替ωt代入上式即可。由上式可得电流基波与各次谐波的有效值分别为:
由此可以得出结论:电流中仅含6k±1(k为正整数)次谐波,各次谐波有效值与谐波次数成反比,且与谐波有效值的比值为谐波次数的倒数。
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7 参考文献
[1] 洪乃刚.电力电子和电力拖动控制系统的Matlab仿真[M].北京：机械工业出版社，2006.
[3] 王兆安.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社，2009.
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