三相半控桥式整流电路的仿真研究

上海市城市科技学校,上海 201601

三相半控桥式整流电路是电力电子电路中最常用的电路之一，广泛应用于一般工业、电力拖动、通信及其他领域之中[1]。此电路线路简单、调整方便，且各项指标较好，适用于较大功率的高压和不要求可逆的场合，因此对其的分析和研究具有很强的现实意义。

但是在传统的三相半控桥式整流电路的实际应用和分析研究时，大多采用了人工绘图和计算，工作量大，工作效率低，错误率高[2]。文中借用MATLAB 最重要组件Simulink 拥有的系统建模、仿真和综合分析的集成环境，构建了一套三相半控桥式整流电路仿真模型，极大的加快了电路的设计分析过程，灵活、快捷、直观，对工程实践具有一定的预测和指导作用[3-5]。

1 Sim Power Systems 模块库简介

MATLAB 的Simulink 建模仿真环境适包含了专用于电力系统的Sim Power Systems 模块库，具体包括Electrical resources（电源）、Power electronics（电力电子元器件）、Elements（一般元件）、Machines（电机）、Connectors（连接器）、Measurements（测量仪表）等功能子模块[6,7]。

2 三相半控桥式整流电路的建模仿真过程

在Simulink 环境下的电力电子电路建模仿真流程如图1 所示[8]。

2.1 仿真模型建立

三相半控桥式整流电路由三相交流电源，三个共阴极晶闸管、三个共阳极二极管、同步脉冲触发器及负载组成。在Simulink 平台上构建的仿真模型如图2 所示。

图1 电路建模仿真流程Fig.1 The simulation process of circuit modeling

图2 三相半控桥式整流电路的仿真模型Fig.2 Simulation model of three-phase half controlled bridge rectifier circuit

选取SimPowerSystem 模块库Electrical resources 子模块中的AC Voltage Source 单相交流电压源三个，作为三相交流电源的a、b、c 三相，其相位互差2π/3[9]。

在Simulink 的模块库中无同步脉冲触发器模块，因此由三相同步电源与六脉冲触发器连接组成同步脉冲触发器，并封装成一个子系统，其模型如图3 所示[10]。

图3 同步脉冲触发器子系统Fig.3 Subsystem of synchronous pulse generators

在Simulink 的模块库中也没有三相半控桥模块，因此由三个晶闸管与三个二极管连接组成三相半控桥，并封装成一个子系统，其模型如图4 所示。

图4 三相半控桥子系统Fig.4 Subsystem of three-phase half controlled bridge

2.2 仿真参数设置

根据实际需求设置仿真参数，并可以通过修改相关参数，使系统达到要求的最佳性能。

（1）设置三相交流电源参数：电压有效值Ui=220 V，频率f=50 Hz，相位互差2π/3。

（2）设置负载参数：电阻R=2 Ω，电感L=0 H。

（3）设置同步脉冲触发器参数：控制角α=π/6、α=π/2，频率f=50 Hz，脉冲宽度为3。

（4）设置晶闸管参数：电阻Ron=0.001 Ω，电感Lon=0 H，压降Vf=0.8 V。

2.3 仿真结果输出

设定仿真时长0.08 s；算法ode15 s，开始运行仿真，可以得到负载端电压ud的仿真波形、晶闸管端电压uT的仿真波形、流过负载的电id和触发脉冲ug的仿真波形[11]。当触发脉冲控制角α=π/6 和α=π/2 时的仿真结果如图5 所示。

图5 仿真结果Fig.5 Simulation results

3 仿真结果分析

晶闸管所承受的最大正、反向电压

触发脉冲控制角α的移相范围是0～π，每个晶闸管的最大导通角为2π/3。

根据理论分析，按表1 设定参数，则：

①当0<α≤π/3 时，负载端电压电压ud波形连续，由两段不同的线电压波形组成。

若α=π/6，负载端电压和流过负载的电流平均值分别为：

②当π/3<α≤π时，负载端电压ud波形断续。

若α=π/2，负载端电压和流过负载的电流平均值分别为：

式(1)、(2)、(5)分别与图7 中的仿真波形相吻合。从图2 所得的仿真数据与式(3)、(4)、(6)和式(7)的理论计算值对比如表1 所示。

表1 仿真数据与理论计算值对比Table 1 Comparison between simulation data and theoretical calculation value

从表1 可以看出，仿真数据跟理论分析计算结果基本一致。

4 结论

利用MATLAB/Simulink 仿真平台，对三相半控桥式整流电路建立了仿真模型，并对纯电阻负载时，共阴极晶闸管的触发脉冲控制角α为π/6 和π/2 的情况进行了仿真。通过理论分析的波形和数据的定量推导验证了仿真的正确性，且仿真精度高，结果准确可靠，为三相半控桥式整流电路的工程实际应用奠定了基础[12]。