三相桥式全控整流电路仿真
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摘要：三相桥式全控整流电路在现代电力电子技术中具有非常重要的作用。本
文在研究全控整流电路理论基础上,采用Matlab的可视化仿真工具Simulink建立三相桥式全控整流电路的仿真模型,对三相电源电压、电流以及负载特性进行了动态仿真与研究，并且对三相电源电流以及负载电流、电压进行FFT分析。仿真结果表明建模的正确性,并证明了该模型具有快捷、灵活、方便、直观等一系列特点,从而为电力电子技术课程实验提供了一种较好的辅助工具。
关键词:Matlab；整流电路；动态仿真；建模
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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
VT1iaaVT3VT5d1TnidbcRudVT4VT6VT2d2
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(VT4,VT6,VT2)的串联组合。
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
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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6个管子的组合导通顺序是VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6;共阴极组VT1,VT3,VT5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=0°时,输出电压Ud一周期的波形是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1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。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的移相围是0~2π/3;当0≤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,每个晶闸管导通小于2π/3。α=π/3是电阻性负载电流连续和断续的分界点。
2 三相桥式全控整流电路建模仿真
2.1建模
根据三相桥式全控整流电路的原理可以利用Simulink的模块建立仿真模型如下图所示,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GTO构成整流桥,实现交流电压到直流电压的转换。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。
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图2 三相桥式全控整流电路仿真电路
2.2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。
（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°、30°、60°、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。
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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0.501000负载电压5000100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=30°，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4 α=30°三相桥式全控整流电路仿真结果（电阻性负载）
c.触发角α=60°，MATLAB仿真波形如下
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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5 α=60°三相桥式全控整流电路仿真结果（电阻性负载）
d.触发角α=75°，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6 α=75°三相桥式全控整流电路仿真结果（电阻性负载）
e.触发角α=90°，MATLAB仿真波形如下
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1000三相电压0-1000100三相电流0-1001脉冲信号0.5010005000-500100500-5000.010.020.030.040.050.06负载电压负载电流
图7 α=90°三相桥式全控整流电路仿真结果（电阻性负载）
4 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的移相围是0°~ 120°。通过仿真分析也验证了本文所建模型的正确性。
5 FFT分析
5.1 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
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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)80604020005101520Harmonic order25303540
图8 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)80604020005101520Harmonic order25303540
图9 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
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... . . 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)80604020005101520Harmonic order25303540 图10 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%10000Mag (% of Fundamental)8000600040002000005101520Harmonic order25303540 图11 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%10000Mag (% of Fundamental)8000600040002000005101520Harmonic order25303540 . 资料 . ..
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图12 α=0°负载电压Vd FFT分析结果（电阻性负载）
5.2 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)80604020005101520Harmonic order25303540
图13 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)80604020005101520Harmonic order25303540
图14 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
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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)80604020005101520Harmonic order25303540
图15 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)15010050005101520Harmonic order25303540
图16 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)15010050005101520Harmonic order25303540
图17 α=75°负载电压Vd FFT分析结果（电阻性负载）
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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18 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(VT4,VT6,VT2)的串联组合。
2 三相桥式全控整流电路建模仿真
2.1 建模
根据三相桥式全控整流电路的原理可以利用Simulink的模块建立仿真模型
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如下图所示,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GTO构成整流桥,实现交流电压到直流电压的转换。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。
图19 三相桥式全控整流电路仿真电路
2.2 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°、30°、45°、60°、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
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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0.501000负载电压5000100负载电流50000.010.020.030.040.050.06
图20 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=30°，MATLAB仿真波形如下
1000三相电压0-1000100三相电流0-1001脉冲信号0.501000负载电压5000100负载电流50000.010.020.030.040.050.06
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图21 α=30°三相桥式全控整流电路仿真结果（阻感性负载）
c. 触发角α=45°，MATLAB仿真波形如下
1000三相电压0-1000100三相电流0-1001脉冲信号0.501000负载电压5000100负载电流50000.010.020.030.040.050.06
图22 α=45°三相桥式全控整流电路仿真结果（阻感性负载）
d. 触发角α=60°，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23 α=60°三相桥式全控整流电路仿真结果（阻感性负载）
e. 触发角α=75°，MATLAB仿真波形如下
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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24 α=75°三相桥式全控整流电路仿真结果（阻感性负载）
f. 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25 α=90°三相桥式全控整流电路仿真结果（阻感性负载）
4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
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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的移相围是0°~ 90°。通过仿真分析也验证了本文所建模型的正确性。
5 FFT分析
5.1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)80604020005101520Harmonic order25303540
图26 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
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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)80604020005101520Harmonic order25303540
图27 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)80604020005101520Harmonic order25303540
图28 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
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... . . 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)400300200100005101520Harmonic order25303540 图29 α=0°负载电流Id FFT分析结果（阻感性负载） 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) = 0.6202 , THD= 6787.86%1200010000Mag (% of Fundamental)8000600040002000005101520Harmonic order25303540 图30 α=0°负载电压Vd FFT分析结果（阻感性负载）
5.2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
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Selected signal: 3 cycles. FFT window (in red): 1 cycles40200-20-4000.010.020.03Time (s)0.040.050.06Fundamental (50Hz) = 28.72 , THD= 59.48%100Mag (% of Fundamental)80604020005101520Harmonic order25303540
图31 α=75°三相电源电流Ia FFT分析结果（阻感性负载）
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) = 39.9 , THD= 61.99%100Mag (% of Fundamental)80604020005101520Harmonic order25303540
图32 α=75°三相电源电流Ib FFT分析结果（阻感性负载）
c.触发角α=75°，c相电流FFT分析如下
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Selected signal: 3 cycles. FFT window (in red): 1 cycles6040200-20-4000.010.020.03Time (s)0.040.050.06Fundamental (50Hz) = 40.75 , THD= 42.28%100Mag (% of Fundamental)80604020005101520Harmonic order25303540
图33 α=75°三相电源电流Ic FFT分析结果（阻感性负载）
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) = 5.45 , THD= 353.72%500Mag (% of Fundamental)400300200100005101520Harmonic order25303540
图34 α=0°负载电流Id FFT分析结果（阻感性负载）
e.触发角α=75°，负载电压Vd FFT分析如下
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Selected signal: 3 cycles. FFT window (in red): 1 cycles600400200000.010.020.03Time (s)0.040.050.06Fundamental (50Hz) = 123.8 , THD= 237.77%180160Mag (% of Fundamental)14012010080604020005101520Harmonic order25303540
图35 α=0°负载电压Vd FFT分析结果（阻感性负载）
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6谐波分析
当忽略三相桥式可控硅整流电路换相过程和电流脉动，假定交流侧电抗为零，直流电感为无穷大，延迟触发角a为零，则交流侧电流傅里叶级数展开为：
由以上公式可得以下结论：
电流中含6K±1（k为正整数）次谐波，即5、7、11、13...等各次谐波，各次谐波的有效值与谐波次数成反比，且与基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].：机械工业，2006. [3] 王兆安,进军.电力电子技术[M].:机械工业，2009.
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