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基于Simulink的三相全控整流电路的研究

发布日期:2021-02-26   来源:《变频器世界》20-12期   作者:朱必江(ZhuBi Jiang) 涂建(Tu Jian) 李良广(Li Liang Guang)   浏览次数:1265
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【摘   要】:以Matlab的Simulink模板为仿真平台,利用对电路中脉冲触发角大小的调整,通过仿真图形结果观察各触发角下各参数对应输出波形,来达到不同条件下对三相全控整流电路输出特性的研究。


 

关键词:Matlab Simulink仿真模块;晶闸管;触发角;整流逆变

Abstract: taking the Simulink template of Matlab as the simulation platform, by adjusting the pulse trigger angle in the circuit, the difference of the output wave form of each parameter under each trigger angle is observed by the simulation graphic results, so as to achieve the research of the three-phase fully controlled rectifier circuit.

Keywords: Matlab Simulink simulation module; Thyristor; Trigger angle; Rectifier inverter

 

1  引言

整流电路的作用是将交流电变为直流电供给直流用电设备。整流电路的应用十分广泛,例如直流电动机、电镀、电解电源、同步发电机励磁、通信系统电源等。当三相全控整流电路的输入触发角大于90°时,就出现与整流相对应的把直流电变成交流电的逆变情况,逆变电路的应用也非常广泛。在已有的各种电源中,蓄电池、干电池、太阳能电池等都是直流电源,当需要这些电源向交流负载供电时,就需要逆变电路。

当触发角达到逆变角时,当交流侧接在电网上,下文主要讨论交流侧接有电源时为有源逆变时的情况。

2  主电路原理

将其中阴极连接在一起的三个晶闸管(VT1,VT3、VT5,)称为共阴极组;阳极连接在-起的三个晶闸管(VT4、VT6、VT2)称为共阳极组。此外,为了使晶闸管按从1至6的顺时序导通。为此将晶闸管按图示的顺序编号,即共阴极组中与a、b、C三相电源相接的三个晶闸管分别为VT1,VT3、VT5,共阳极组中与a、b、c三相电源相接的三个晶闸管分别为VT4、VT6、VT2。通过后面的分析得知,按此排序晶闸管的导通顺序为VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6。如图1所示。

 

1  主电路原理图

3  主电路仿真图

主电路仿真图如图2所示。集成模块中有三相脉冲信号输入如图3,由图3可知该仿真图为三相全控整流电路带阻感负载时的工作运行图。

 

2  电路仿真图

 

3  集成模块subsystem

4  仿真结果

 

                                                                            

 

此时,晶闸管触发角a=0°时相当于二极管的作用,对于共阴极组的三个晶闸管,阳极所接交流电压值最大的一个导通。而对于共阳极组的三个晶闸管,则是阴极所接交流电压值最小(或者说负得最多)的一个导通。得出晶闸管的工作情况如表1所示。并通过a=0°时得出三相桥式全控整流电路有六个晶闸管的脉冲,按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序导通,相位依次差60°;共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差120°,共阳极组VT4、VT6、VT2也依次差120°。同相的上下两个桥臂,即VT1与VT4、VT3与VT6、VT5与VT2,脉冲都相差180°。每个时刻均需两个晶闸管且是不同极的同时导通,形成向负载供电的回路。

1  a=0°时晶闸管的工作情况                                                    

时段

wt0.005-wt0.01

wt0.015-wt0.02

wt0.025-wt0.03

wt0.035-wt0.04

wt0.045-wt0.05

wt0.055-wt0.06

共阴极组导通的晶闸管

VT1

VT1

VT3

VT3

VT5

VT5

共阳极组导通的晶闸管

VT6

VT2

VT2

VT4

VT4

VT6

整流输出电压ud

Ua-Ua1

Ua-Ua2

Ua1-Ua2

Ua1-Ua

Ua2-Ua

Ua2-Ua1

 

2)当触发角a=30°时,仿真结果如图5所示。

 

5  a=30°时

从图5可以看出a=30°时与a=0°时相比起来一周期中ud还是满足表1的晶闸管的导通规律,不同的是起始导通时刻晚了30°。Ud的每一段线电压也晚30°,ud的平均值降低,所以波形也发生了变化。

3)当触发角a=60°时,仿真结果如图6所示。

 

6  a=60°时

4)当触发角a=90°时,仿真结果如图7所示。

 

7  a=90°时

不难看出当a=60°时ud中出现了为零的点。而在a=90°时出现了ud为负部分的情况。由此可见当a<=60°时ud波形均连续,而a>60°时电感产生作用出现ud为负的部分,这也ud正负面积将基本相等平均值近似为零。可以看出在电感的影响下整流电路的a角移相范围是0-90°。

5)当触发角a=120°时,仿真结果如图8所示。

 

8  a=120°时

在直流电动势Ed的作用下和脉冲触发角α>90°的条件下,可以看出,输出电压ud变成了负值,电路工作在有源逆变的状态下。而通常情况下有源逆变的触发角大于90°一般用β=Π-α表示,β为逆变角。在β=60°(α=120°)时与α=60°图形类似则是ud的值互为正负,即α+β=Π。并且控制角a是以自然换相点α=0°也就是作为计量起始点的,由此向右方计量,而逆变角β和控制角a的计量方向相反,其大小自β=0的起始点向左方计量。

当然也会存在逆变失败的情况,会使仿真波形失真或者消失的情况。而逆变失败通常是外接的Ed通过晶闸管形成短路变成顺向串联,而由于电路中的电阻小,形成很大的短路电流。当β=60°时,AB两相不缺相和缺相时产生的谐波分析图分别如图9和10所示。

                             

由图9看出在AB缺相的图形中,不仅没有了换相的过程,而且谐波的数据都比不缺相大出不少说明了在逆变工作时,交流电源发生缺相或突然消失,由于直流电动势Edu的存在,晶闸管仍可导通,此时变流器的交流侧由于失去了同直流电动势极性相反的交流电压,因此直流动势将通过晶闸管使电路短路,所以出现了谐波连续且占比大的情况。

逆变失败的原因除了在逆变工作时交流电源突然发生缺相或突然消失外。也会有晶闸管阻断功能失效的情况以及触发电路不可靠的情况都会导致逆变失败。

5  结论

本文对三相全控整流电路进行了仿真研究,分析了当触发角α<90°时的整流状态以及触发角90°<α<180°时的有源逆变两种状态下,观察输出波形的变化以达到研究目的。在整流工作状态时需要注意此次研究是阻感性全控整流电路,有一个电感的影响,通过电感的调节也能观察同一触发角波形的改变。另外通过三相中任意丢掉一相观察谐波图分析逆变需要的基本条件等,此次研究产生逆变的条件要有直流电动势,其极性应与晶闸管的导通方向一样,且晶闸管控制角α>90°使ud为负值。像这种全控整流电路系统已经应用广泛的领域,具有良好的发展前景,日后还可以多加学习和研究。

 

参考文献:

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[9]石新春.电力电子技术[M].中国电力出版社,2006:34-45

 

作者简介:

朱必讲(2000-),男,本科在读研究方向:电力电子

 

项目支持:

2019年国家级大学生创新创业训练计划项目(201910513003

 
 
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