萧飞 河北惠仁医疗设备 2015年1月
摘要 本文在对三相桥式全控整流电路理论分析的基础上，建立了基于Simulink的三相桥式全控整流电路的仿真模型，并对其带电阻负载时的工作情况进行了仿真分析与研究。通过仿真分析也验证了本文所建模型的正确性。
关键词 Simulink建模仿真三相桥式全控整流
对于三相对称电源系统而言，单相可控整流电路为不对称负载，可影响电源三相负载的平衡性和系统的对称性。故在负载容量较大的场合，通常采用三相或多相整流电路。三相或多相电源可控整流电路是三相电源系统的对称负载，输出整流电压的脉动小、控制响应快，因此被广泛应用于众多工业场合。
本文在Simulink仿真环境下，运用PowerSystemBlockset的各种元件模型建立三相桥式全控整流电路的仿真模型，并对其进行仿真研究。
一、 MATLAB基础
MATLAB 是一种科学计算软件。MATLAB 是 Matrix Laboratory(矩阵实验
室)的缩写，这是一种以矩阵为基础的交互式程序计算语言。早期的 MATLAB 主要用于解决科学和工程的复杂数学计算问题。由于它使用方便、输入便捷、运算高效、适应科技人员的思维方式，并且有绘图功能，有用户自行扩展的空间，因此受到用户的欢迎，使它成为在科技界广为使用的软件，也是国内外高校教学和科学研究的常用软件。MATLAB 由美国 Mathworks 公司于 1984 年开始推出，历经升级，到 2001 年已经有了 6．0 版，现在 MATLAB 6.5、7.1、7.8版都已相继面世。早期的 MATLAB 在 DOS 环境下运行，1990 年推出了Windows 版本。1993年，Mathworks 公司又推出了MATLAB 的微机版,充分支持在 MicrosoftWindows 界面下的编程，它的功能越来越强大，在科技和工程界广为传播，是各种科学计算软件中用频率最高的软件。1993 年出现了 SIMULINK，这是基于框图的仿真平台，SIMULINK 挂接在 MATLAB 环境上，以 MATLAB 的强大计算功能为基础，以直观的模块框图进行仿真和计算。SIMULINK 提供了各种仿真工具，尤其是它不断扩展的、内容丰富的模块库，为系统的仿真提供了极大便利。在 SIMULINK平台上，拖拉和连接典型模块就可以绘制仿真对象的模型框图，并对模型进行仿真。在 SIMULINK 平台上，仿真模型的可读性很强，这就避免了在 MATLAB 窗口使用 MATLAB 命令和函数仿真时,需要熟悉记忆大量 M 函数的麻烦，对广大工程技术人员来说，这无疑是最好的福音。现在的 MATLAB都同时捆绑了 SIMULINK，SIMULINK 的版本也在不断地升级，从 1993 年的 MATLAB 4．0／SIMULINK 1．0 版到 2001 年的 MATLAB 6．1／SIMULINK 4．1 版，2002 年即推出了 MATLAB 6．5 ／SIMULINK 5．0 版。MATLAB 已经不再是单纯的\"矩阵实验室\"了，它已经成为一个高级计算和仿真平台。 SIMULINK 原本是为控制系统的仿真而建立的工具箱，在使用中易编程、易拓展，并且可以解决 MATLAB 不易解决
的非线性、变系数等问题。它能支持连续系统和离散系统的仿真，支持连续离散混合系统的仿真，也支持线性和非线性系统的仿真，并且支持多种采样频率(Multirate)统的仿真,也就是不同的系统能以不同的采样频率组合，这样就可以仿真较大、较复杂的系统。因此，各科学领域根据自己的仿真需要，以 MATLAB 为基础，开发了大量的专用仿真程序，并把这些程序以模块的形式都放人 SIMULINK 中，形成了模块库。SIMULINK 的模块库实际上就是用 MATLAB 基本语句编写的子程序集。现在 SIMULINK 模块库有三级树状的子目录，在一级目录下就包含了 SIMULINK最早开发的数学计算工具箱、控制系统工具箱的内容，之后开发的信号处理工具箱(DSPBlocks)、通信 系 统 工 具 箱 (Comm) 等 也 并 行 列 入 模 块 库 的 一 级 子 目 录 ， 逐 级 打 开 模 块 库 浏 览 器 (SIMULINKLibraryBrowser)的目录，就可以看到这些模块。从 SIMULINK4．1 版开始，有了电力系统模块库(Power System Blockset)，该模块库主要由加拿大 HydroQuebec 和 TECSIMInternational 公司共同开发。在 SIMULINK 环境下用电力系统模块库的模块，可以方便地进行 RLC 电路、电力电子电路、电机控制系统和电力系统的仿真。本书中电力电子电路的仿真就是在 MATLAB／SIMULINK 环境下，主要使用电力系统模块库和 SIMULINK两个模块库进行。通过电力电子电路的仿真，不仅展示了 MATLAB／SIMULINK 的强大功能，并且可以学习控制系统仿真的方法和技巧，研究电路的原理和性能。
注：本例的软件平台为MATLAB2013a，鉴于软件的版本和破解等方面问题，系统中库的模块也有差异，谨记！
二、 三相桥式全控整流电路的原理
将其中阴极连接在一起的3个晶闸管（VT1、VT3、 VT5）称为共阴极组；阳极连接在一起的3个晶闸管（VT4、VT6、VT2）称为共阳极组。此外，习惯上希望晶闸管按从1至6的顺序导通，为此将晶闸管按图示的顺序编号，即共阴极组中与a、b、c三相电源相接的3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3个晶闸管分别为VT4、VT6、VT2。从后面的分析可知，按此编号，晶闸管的导通顺序为 VT1－VT2－VT3－VT4－VT5－VT6。原理图见图1。
图1
整流电路的负载为带反电动势的阻感负载。假设将电路中的晶闸管换作二极管，这种情况也就相当于晶闸管触发角α=0o时的情况。此时，对于共阴极组的3个晶闸管，阳极所接交流电压值最高的一个导通。而对于共阳极组的3个晶闸管，则是阴极所接交流电压值最低（或者说负得最多）的一个导通。这样，任意时刻共阳极组和共阴极组中各有1个晶闸管处于导通状态，施加于负载上的电压为某一线电压。此时电路工作波形如图2所示。
图2 α=0o时波形
o
α=0时，各晶闸管均在自然换相点处换相。由图中变压器二绕组相电压与
线电压波形的对应关系看出，各自然换相点既是相电压的交点，同时也是线电压的交点。在分析ud的波形时，既可从相电压波形分析，也可以从线电压波形分析。从相电压波形看，以变压器二次侧的中点n为参考点，共阴极组晶闸管导通时，整流输出电压 ud1为相电压在正半周的包络线；共阳极组导通时，整流输出电压ud2为相电压在负半周的包络线，总的整流输出电压ud = ud1－ud2是两条包络线间的差值，将其对应到线电压波形上，即为线电压在正半周的包络线。
直接从线电压波形看，由于共阴极组中处于通态的晶闸管对应的最大（正得最多）的相电压，而共阳极组中处于通态的晶闸管对应的是最小（负得最多）的相电压，输出整流电压 ud为这两个相电压相减，是线电压中最大的一个，因此
输出整流电压ud波形为线电压在正半周的包络线。
由于负载端接得有电感且电感的阻值趋于无穷大，电感对电流变化有抗拒作用。流过电感器件的电流变化时，在其两端产生感应电动势Li，它的极性事阻止电流变化的。当电流增加时，它的极性阻止电流增加，当电流减小时，它的极性反过来阻止电流减小。电感的这种作用使得电流波形变得平直，电感无穷大时趋于一条平直的直线。
为了说明各晶闸管的工作的情况，将波形中的一个周期等分为6段，每段为60o，如图2所示，每一段中导通的晶闸管及输出整流电压的情况如表所示。由该表可见，6个晶闸管的导通顺序为VT1－VT2－VT3－VT4－VT5－VT6。
三、 三相桥式整流电路仿真模型建立和参数设置
（1）三相交流电源模块及参数设置
模块位置：Simcap/SimPowerSystem/Electrical Source/AC Voltage Source
以上三图为电源参数设置界面。三相电源的相位互差120，设置交流峰值电压为100V，频率为50HZ。
特别注意电源的默认频率为60赫兹，为适应中国电网请将其改为50赫兹。
（2）三相交流电源测量模块
模块位置：Simcap/SimPowerSystem/Measurment Three Phase V-I Measurement
本模块可以测量三相交流电源的线电压、线电流、相电压、相电流。本例中采用测量线电压，用以给锁相环模块提供合适的频率。上图为本例的设置参数。
（3）裂相变压器模块
模块位置Simcap/SimPowerSystem/Element/Three-Phase
Transformer Inductance Matrix Type(Three Windings)
：
上图为本例参数设置界面。
（4）通用桥臂模块1、2
模
块
位
置
：
Simcap/SimPowerSystem/Power
Electrics/Universal Bridge
通用变换器桥模块是由6个功率开关元件组成的桥式通用三相变换器模块。功率电子元件的类别和变换器的结构可以通过对话框进行选择。功率电子元件和变换器的类型有diode桥、thyristor桥、mosfet-diode桥、igbt-diode桥、ideal-switch桥，桥的结构有单相、两相和三相。
以上为可控硅参数设置界面。
（5）RCL串联支路模块
模块位置：Simcap/SimPowerSystem/Element/Series RLC Branch
本模块为电阻、电容和电感复合电路，可根据实际情况进行三种原件的自由组合及参数设置。上图为本例参数设置界面。
（6）电压测量模块
模块位置
Simcap/SimPowerSystem/Measurements/Voltage Measurement
：
电压测量模块用于测量电压，但更深层的含义是用来隔断电力器件和测量仪表之间的直接相连。上图为本例参数设置界面。
（7）示波器模块
模块位置：Simlink/Sinks/Scope
示波器输出模块用于实时显示系统的输出信号，无需赘言。
（8）锁相环模块
模块位置：Simcap/SimPowerSystem/Control and Measurements Library/PLL/PLL(3ph)
锁相环模块用于将测到的频率锁定并输出到6脉冲触发器。上图为本例参数设置界面。
（9）6脉冲触发器模块
模块位置：Simcap/SimPowerSystem/Control and Measurements Library/Pulse & Signal Generator/ Pulse Generator(6 pulse)
上图为本例参数设置界面。
（10）常数模块1
模块位置：Simulink/Source/Constant
本模块用于设置触发角。
（11）常数模块2
模块位置：Simulink/Source/Constant
本模块用于设置触发时间。
（12）地线模块
模块位置：Simcap/SimPowerSystems/Element/Ground
不赘述，不截图。
（13）仿真模块
模块位置：Simcap/SimPowerSystems/powergui
本模块的意义不是很明确。据资料叙述，本模块是SimPowerSystems models的环境块，允许你通过以下4种途径来求解电路：连续系统、离散系统、理想的开关连续系统及相量求解系统。本例无需设置参数，默认即可。
附一张截图。余者再行探索。
（14）系统图
四、 仿真结果
导通角=0°图像：
导通角=30°图像：
导通角=60°图像：
导通角=90°图像：
脉冲截图
五、 结论
通过调整导通角的大小，可以看出整流电压的大小。如果再加上相应平波电路则可以得到比较好的直流电源。
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