三相桥式全控整流电路Matlab/Simulink 仿真研究

巩瑞春，马兰娟，付 军

（包头师范学院信息科学与技术学院，内蒙古 包头 014030）

1 三相桥式全控整流电路基本介绍

如图1 所示，三相桥式全控整流电路主要由变压器、负载以及六个晶闸管组成，，变压器二次侧接成星形，一次侧接成三角形；晶闸管由于连接的极性不同可分为共阴极组和共阳极组，每组各三个晶闸管，即晶闸管VT1、VT3、VT5是共阴极组，晶闸管VT2、VT4、VT6是共阳极组，可将其看作两个三相半波可控整流电路的串联电路。在任意时刻，电路中必须有一个共阴极组和共阳极组的晶闸管导通才能形成回路，并且这两个晶闸管不能再同一桥臂上，这样可以避免电路短路[1]。

图1 三相桥式全控整流电路原理图

2 三相桥式全控整流电路Matlab/Simulink 仿真

传统的“电力电子技术”实验可改变的参数非常有限，示波器只能测试电压波形，无法测试电流波形；只能做验证性实验，无法做设计型和综合性实验。采用虚拟仿真实验，可以满足传统的“电力电子技术”实验的不足之处，达到了“以虚代实、以虚补实、虚实结合、以虚验实”的目的。采用的MATLAB仿真软件，可以做到许多传统实验无法做到的内容。其Simulink 仿真模块里拥有目前最先进的各种电力电子器件模型，可供随时调用；可以对电源、电阻、电感和电容的元器件进行连续参数修改；一个示波器可同时检测多路的电压和电流信号，可把多个相关联的信号在时间横坐标相同的情况下进行对比分析[2-7]。

2.1 三相桥式全控整流电路Matlab/Simulink 仿真模型

下页图2 所示为三相桥式全控整流电路仿真模型图，其主题电路结构由三相电源、六个晶闸管组成的主电路和负载组成，其中六个晶闸管中的T1、T3、T5阴极连在一起，为共阴极组，T4、T6、T2阳极连在一起，为共阳极组。T1、T4连接点对应a 相电源，T3、T6连接点对应b 相电源，T5、T2连接点对应c 相电源。晶闸管的导通顺序为T1、T2、T3。

图2 三相桥式全控整流电路仿真模型

从仿真模型图中可以看出，本案例共检测到三相电源相电压、三相电源线电压、输出电压、输出电压、输出电流、流过电源电流、晶闸管两端电压、流过晶闸管电流共26 个信号；使用电压表10 处、电流表4 处；使用示波器4 个，分别检测10 路、4 路、9 路和6 路信号，个别信号根据需要有重叠。实验室里现有条件只有双踪示波器，最多同时检测2 路信号，而且只能检测电压信号，不能检测电流信号。

2.2 三相桥式全控整流电路Matlab/Simulink 仿真

下页图3 中，三个相电压通过信号合成器合在一起，从左到右分别为ua、ub和uc；输出电压和六个线电压通过信号合成器合成在一起，加粗锯齿波包络为uo，从左到右的六个线电压正弦波分别为uab、uac、ubc、uba、uca、ucb。这样设计的目的是为了对比观测相电压和线电压的关系并以线电压为参照物，观测输出电压波形的特点，触发角是从各晶闸管的自然换相点开始算起的，使学生能够通过读图来判断触发角的大小，同时可以看出来ud一周期脉动6 次，每次脉动的波形都一样。

图3 触发角为30°时相电压、线电压及输出电压仿真波形图

如图4 触发角为30°时的仿真波形图中，从上到下检测到的信号分别为输出电压、输出电流、晶闸管T1电压和电流。从波形图中可以看出，输出电流和输出电压波形相似，可以判断为电阻性负载；晶闸管导通时电压为管压降，关断时承受线电压；晶闸管有电流，表示其导通，没有电流表示其关断，每管连续工作120 °。

图4 触发角为30°时输出电压、输出电流、T1 电压和T1 电流仿真波形图

图5 中，三相电源电流通过信号合成器合在一起，分别为ia、ib和ic；六个晶闸管电流通过信号合成器合成在一起，如图标记，从左到右分别为这样设计的目的是为了对比观测三相电源电流和六个晶闸管电流，观测各个电流波形的特点。从仿真波形图中可以看出，晶闸管T1、T4控制a相，且T1导通时a 相电流为正，T4导通时a 相电流为负；晶闸管T3、T6控制b 相，且T3导通时b 相电流为正，T6导通时b 相电流为负；晶闸管T5、T2控制c 相，且T3导通时c 相电流为正，T2导通时c 相电流为负。

图5 触发角为30°时三相电源电流、六个晶闸管电流仿真波形图

除此之外，还有对六个晶闸管电压的对比测量，输出电压平均值的测量等。

3 结论

通过对三相可控整流电路中电源电压、输出电压和输出电流的仿真测量，使学生会通过示波器波形图对比读出触发角角度和判断负载性质等；通过对晶闸管上电压和电流波形的测量，分析随着控制电路触发角的变化时各个功率开关器件的导通和关断规律。通过测量输出平均电压的大小，熟练掌握不同类型和不同大小负载情况时可控整流电路的计算公式。

通过此虚拟仿真实验，能够根据理论教学的内容和要求，设置数量多、难度不同、内容灵活的实验，更可以将理论教学中的重点、难点以形象直观的图形显示。