基于Multisim的三相桥式整流电路实验故障仿真

苏巧平，刘 原，孙文娟

（1.安徽新华学院 电子通信工程学院，安徽 合肥 230088；2.安徽医学高等专科学校，安徽 合肥 230000；3.安徽新华学院 信息工程学院，安徽 合肥 230088）

1 电力电子技术实验简述

《电力电子技术》课程是电气工程及相关专业的专业基础课程，是电力学、电子学和控制理论三个学科交叉而形成的综合性课程.[1]本门课程的实验由于需要利用信息电子电路控制电力电子器件开通和关断，控制上经常涉及同步问题，而电力电子器件通常又工作于大功率场合，出现故障的概率较大，因此，快速判断故障源在电力电子实验中是非常必要的.

整流电路理论是电力电子技术的一个重要分支，其最经典的电路是三相桥式整流电路，本部分内容的实验也是最经典的基础实验之一.本实验在实际实验过程中，会由于各种各样的原因导致实验数据与理论数据偏差太大，快速依据实验现象找出电路故障原因是实验课程中实验教师必备的技能之一，[2]同时，也应在实验过程中培养学生自己依据实验现象判断故障的能力，从而提高学生解决实际问题的能力.本文通过Mltisim进行整流电路故障仿真模拟，总结出基本故障发生类型，在电力电子实验中具有重要意义.

2 三相桥式全控整流电路基本故障仿真

2.1 三相桥式整流电路主电路

图1 三相桥式全控整流电路仿真电路图

三相桥式整流电路实验通常以晶闸管作为开关器件，图1为三相桥式全控整流电路的电路仿真图.电路图中涉及的各部分元器件介绍如下：三相Y星电源V0为实验过程中的三相同步信号，D1～D6为三相整流桥中的六个晶闸管，V1～V6为六个晶闸管的触发脉冲信号，S1A～S1F为六个开关，分别接到控制电路中，用于控制各个触发信号的通断，负载为纯电阻负载.三相桥式整流电路在控制上要求主电路中六个晶闸管的触发脉冲依次间隔60度，六个晶闸管触发脉冲的施加顺序依次为V1—V2—V3—V4—V5—V6，采用双窄脉冲或宽脉冲的形式，[3-4]以保证整流过程中电流断续时需要同时导通的两个晶闸管均有脉冲，保证电路可靠工作.输出整流波形为6段，假设六段波形分别用Ⅰ、II、III、IV、V、VI表示，则对于6个晶闸管的导通要求见表1.

表1 三相桥式全控整流电路电阻负载α=0°时晶闸管工作要求[1]

本次仿真过程触发脉冲采用宽脉冲，因此脉冲宽度应大于60°，因为我国工频为50Hz，即三相电源周期为20ms，因此触发脉冲宽度应大于本次仿真在无故障情况下，设置宽脉冲的宽度为6.6ms，[5-7]可保证各个晶闸管的有效触发.仿真过程中均采用触发角为0°进行故障模拟，因此V1～V6六个触发信号的延迟时间分别设置为 1.667ms，5ms，8.333ms，11.667ms，15ms，18.333ms，可保证六个触发脉冲相位上依次相差60°的要求.在开关S1A～S1F均闭合的情况下，得到的正常的整流波形见图2（a）图.通道A为三相桥式整流电路整流输出波形，通道B为晶闸管D1的触发信号.分析故障过程中，以通道B（晶闸管D1的触发信号）作为参考.

2.2 三相桥式整流电路故障仿真

结合实验过程中出现的故障问题，利用Multisim仿真以下几种故障现象：

图2 实验中各种波形图

2.2.1 整流波形一个电源周期六段波形具有四段或三段或两段连续波形

在排除其他因素的情况下，仅仿真晶闸管故障.仿真过程以控制角α=0°进行故障分析，通过示波器观测可出现图2中（b）（c）（d）三种故障类型，分别为一个电源周期中出现四段连续波形、三段连续波形、两段连续波形.图2各图形中.

首先分析图（2）中（b）图中四段连续波形情况.以D1触发信号作为参考信号，第Ⅰ、II两段波形均未出现，而第III、IV、V、VI四段波形没有问题，结合表1中对于晶闸管的导通要求可知，D2—D6这五个晶闸管必须正常工作才能保证III、IV、V、VI四段波形，可以推断晶闸管 D1为故障源，可能故障点是晶闸管损坏或触发信号未有效加到晶闸管的控制级.若故障源为D2—D6中的某一个，则整流波形缺失段及故障源的关系见表2中四段连续波形部分.

表2 三相桥式全控整流电路电阻负载α=0°时缺失波段及故障源对应关系

下面分析图2中（c）图故障.（c）图波形为三段波形，由图可知，第Ⅰ、II、VI三段波形未出现，而第 III、IV、V 三段波形没有问题，结合表1中对于晶闸管的导通要求可知，D2—D5这四个晶闸管必须正常工作，才能保证第III、IV、V三段波形没有问题，可以推断晶闸管D1、D6为故障源，两个晶闸管故障.同样可得到其余几种三段连续波形时故障晶闸管.详见表2中三段连续波形部分.

同理，可推断（d）图故障晶闸管为 D1、D2、D3，整流波形只有两段，其余的几种故障情况详见表2中二段连续波形部分.

由上述分析可知，出现连续几段波形但波形不全的情况，故障通常是某个或某几个晶闸管在需要导通的时候未导通，实验过程中，通过测试各个晶闸管的触发信号即可判断是否触发电路出现问题，如果触发电路没有问题，则需判断晶闸管是否已断路.

2.2.2 波形波段不对称

实际实验过程中，有时会出现如图3所示整流输出的六段波形不对称的情形，图3中的矩形波为D1触发信号，以此波形作为参考，可以看出，第II、IV两段波形相较于理论波形均多了一截，第III、V段波形均少了一截，最常见的原因是施加给D3、D5的触发脉冲延迟了一定角度，导致D3、D5延迟导通.解决此种故障的方法是实验前一定要事先测试及调试六个触发脉冲的相位关系，严格按照相位上依次相差60°的要求进行设置.

图3 不对称波形图

图4 某相电压缺相波形图

2.2.3 某相电压缺相

实际实验过程中，有时会出现某相电压缺相的情况，整流波形见图4.图4中通道A为整流波形，通道B为a相电压波形，如果a相电压由于线路连接问题未施加于整流电路上，则与a相相连的晶闸管D1和D4均无法工作，只有D3、D5、D6、D2 工作，供电电源为 ubc，工作原理与单相桥式整流电路类似，整流波形亦为单相桥式整流电路波形.至于具体缺相为哪一相，可分别测试图1中a、b、c三点与零线之间的电压，即可确定缺失哪一相.

3 结论

总之，由于电力电子技术实验过程中的故障类型千变万化，实验过程中尚需不断地进行实验总结，丰富经验.本文仅就实验过程中常见几种故障类型进行了Multisim仿真，总结了故障类型及故障源，给出了故障解决的方法，方便实验教师和学生对常见故障的分析与判断，从而提高在实验过程中快速解决实验故障的能力，确保实验的顺利进行.

〔1〕 王兆安，刘进军.电力电子技术[M].机械工业出版社,2013.

〔2〕 葛有根.快速判断三相桥式全控整流电路实验故障的方法[J].实验科学与技术,2017,15(02):26-27+47.

〔3〕 孙筠.Multisim10在电力电子电路仿真中的应用[J].电子世界，2014(15):183.

〔4〕 陈因,韩丽俊.基于Multisim的电力电子线路仿真与设计[J].电力学报，2010，25(04):318-320.

〔5〕 周珊.Multisim 10仿真在电力电子技术课程实验教学中的应用[J].黑龙江科技信息,2013(36):45.

〔6〕 王国强,孙红艳.Multisim在电力电子技术教学改革实践中的应用[J].实验科学与技术,2011,9(05):50-52.

〔7〕 蔡明学.基于MATLAB三相桥式全控整流电路的仿真[J].智能机器人，2016(10):43-46.