电力电子技术课程设计报告 题 目：三相桥式整流电路的MATLAB仿真 院 系 信息工程学院 专 业 自动化 班 级 学 号 学生姓名 指导教师 三相桥式整流电路的MATLAB仿真 一、 题目的要求和意义 整流电路是电力电子电路中出现最早的一种，它的作用是将交流电能变为直流电能供给直流用电设备。目前各种整流电路中，应用最广泛的是三相桥式全控整流电路。在电力电子技术课程上，我已经较全面地学习过三相桥式全控整流电路。本课程设计希望通过MATLAB平台，仿真三相桥式全控整流电路，记录不同负载下电路参数以及波形图。思考仿真的结果与理论计算结果的区别。通过课程设计让我对三相桥式全控整流电路有更深入的理解。
二、 基本原理 三相桥式整流电路的基本电路结构如图1所示。它主要由内部星形连接的三相电源，六个晶闸管，晶闸管触发电路以及负载组成。如图1，其中三个晶闸管（VT1,VT3,VT5）其阴极连接在一起，称之为共阴极组；
外三个晶闸管（VT4,VT6,VT2）其阳极连接在一起，称之为共阳极组。
图1 三相桥式全控整流电路 三相电源Ua、Ub超前于Ua120°、Uc滞后于Ua120°。在一个周期内的任意一个时刻只有一相电源电压最大，另一相电源电压为最小。精确的时间区间如表1所示。
表1 三相电源各相电压最大/最小时刻表 Ua Ub Uc 在此区间电压最大 在此区间电压最小 当把图1中的六个晶闸管全部替换成电力二极管，则变成三相不可控整流电路。电路要正常工作，任意时刻共阳极组和共阴极组必须各有一个管子处于导通状态。根据电力二极管Ua>Uk的导通原则，对于共阴极组的三个管子，阳极所接交流电压值最高的一相所在的管子导通，而对于共阳极组的三个管子，则是阴极所接交流电压值最低的一相所在的管子导通。按以上规则得出三相桥式不可控整流电路的波形，如图2所示。
图2 三相桥式不可控整流电路工作波形 从上面的分析可知，电力二极管一周期中每个管子导通120°，每隔60°在自然换相点处换相，管子承受的反电压波形为线电压波形。在一个周期内每个管子的导通情况以及输出整流电压如表2所示。
表2 三相桥式不可控整流电路电阻负载工作情况表 时段 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ 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 现在把六个电力二极管换成六个晶闸管，然后在自然换相点处依次给晶闸管加触发脉冲，让晶闸管可靠导通，此时的电路称为三相桥式全控整流电路。其工作情况和图2相同。自然换相点又称为触发角处。
当触发角时，每个晶闸管都不在自然换相点换相，而是从自然换相点向后移角开始换相。
当触发角时，由于纯电阻性负载，没有电感续流，上一个导通的晶闸管的电压已经下降到0以下，承受反压关断，而下一个晶闸管的触发脉冲还没来，在这段时间内，电压输出为0。触发角称为连续和断续的连续条件。
根据波形进行定量分析。（纯电阻负载）
电流连续的时候（）
（1）
电流断续的时候（）
（2）
负载的平均电流 （3）
下面将详细分析：纯电阻负载触发角、阻感负载触发角以及当VT5损坏（断开）触发角纯电阻负载，这三种情况。
三、 纯电阻和阻感负载仿真模型 1、 纯电阻负载 按要求作纯电阻负载仿真，输入三相电源，线电压取380v，50Hz，内阻0.008欧姆。负载为纯电阻负载，电阻阻值5。原理图如图3所示，仿真的波形图如图4所示。
图3 三相桥式全控整流电路阻性负载原理图 图4 三相桥式全控整流电路阻性负载时的工作波形 为了方便分析，下面把三相电源电压、输出电压Ud、晶闸管VT1承受的电压Uvt1放在同一个坐标系讨论，如图5所示。
三相电源频率为50Hz所以周期为0.02s。我们选取0.02s~0.04s这一个周期区间来分析。一方面，由于输出波形是周期函数，只需分析一个周期便可以知道所有时间内的波形；
另一方面，电路的稳定需要一定的时间，故不取第一个周期。
对于Ⅰ区域的前半部分，此时虽然VT5承受正偏压，但由于触发脉冲还没到来，所以整个电路输出电压为0。晶闸管VT1承受电压为Ua，Ⅰ区域的后半部分，此时VT5的触发脉冲到来，VT5导通，电流流通路径为Uc→VT5→负载→VT4→Ua，输出电压为线电压Uca，晶闸管VT1承受电压为线电压Uac。
对于Ⅱ区域的前半部分，此时VT4承受反压关断，而VT5的触发脉冲还没到来，所以整个电路的输出电压为0。晶闸管VT1承受电压为Ua，Ⅱ区域的后半部分，此时VT6的触发脉冲到来，VT6导通，电流流通路径为Uc→VT5→负载→VT6→Ub，输出电压为线电压Ucb，晶闸管VT1承受的电压为线电压Uac。
图5 三相桥式全控整流电路阻性负载 对于Ⅲ区域的前半部分，此时VT5承受反压关断，而VT1的触发脉冲还没到来，所以整个电路的输出电压为0。晶闸管VT1承受电压为Ua，Ⅲ区域的后半部分，此时VT1的触发脉冲到来，VT1导通，电流流通路径为Ua→VT1→负载→VT6→Ub，输出电压为线电压Uab，晶闸管VT1导通，压降为0。
对于Ⅳ区域的前半部分，此时VT6承受反压关断，而VT2的触发脉冲还没到来，所以整个电路的输出电压为0。晶闸管VT1承受电压为Ua，Ⅳ区域的后半部分，此时VT2的触发脉冲到来，VT2导通，电流流通路径为Ua→VT1→负载→VT2→Uc，输出电压为线电压Uac，晶闸管VT1导通，压降为0。
对于Ⅴ区域的前半部分，此时VT1承受反压关断，而VT3的触发脉冲还没到来，所以整个电路的输出电压为0。晶闸管VT1承受电压为Ua，Ⅴ区域的后半部分，此时VT3的触发脉冲到来，VT3导通，电流流通路径为Ub→VT3→负载→VT2→Uc，输出电压为线电压Ubc，晶闸管VT1承受的电压为线电压Uab。
对于Ⅵ区域的前半部分，此时VT2承受反压关断，而VT4的触发脉冲还没到来，所以整个电路的输出电压为0。晶闸管VT1承受电压为Ua，Ⅵ区域的后半部分，此时VT4的触发脉冲到来，VT4导通，电流流通路径为Ub→VT3→负载→VT4→Ua，输出电压为线电压Uba，晶闸管VT1承受的电压为线电压Uab。
参数设计与定量分析 触发角对应的触发脉冲计算，按照六个晶闸管的脉冲按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，相位一次差60°的原则，周期为0.02s，计算出各个晶闸管触发脉冲的延迟时间，具体计算过程如下：
（4）
（5）
（6）
（7）
（8）
（9）
输出电压平均值：
（10）
输出电流平均值：
（11）
2、 阻感负载 按要求作阻感负载仿真，输入三相电源，线电压取380v，50Hz，内阻0.008欧姆。负载为阻感负载，电阻阻值5，电感10mH。原理图如图6所示，仿真的波形图如图7所示。
阻感负载的触发角其计算过程与纯电阻负载完全相同。参照（4）~（9）式可以得出每个晶闸管的触发脉冲延迟时间。
阻感负载下，由于有电感的续流作用，当晶闸管承受负压时，电感续流，晶闸管内部仍然流动着正向电流，故原来导通的两个晶闸管继续导通，波形继续往下走，直到下一个晶闸管的触发脉冲来临。此时整流输出波形为线电压波形，是负值。当下一个晶闸管的触发脉冲到来时，前一个晶闸管被关断，实现换相。
图6 三相桥式全控整流电路阻感负载原理图 图7三相桥式全控整流阻感负载时的工作波形 对于阻感负载的输出电压以及第一个晶闸管的电压波形不再深入分析以免累赘，只在下图中标注每一段波形是哪一段线电压。从图7可以看出阻感负载的电压输出波形有严重的畸变，下面着重去分析阻感负载输出的畸变问题。为了更好地阐述，特将电压输出波形描绘在线电压网格中，配合第一个晶闸管的电压波形针对一个脉波的畸变进行分析。
图8 波形畸变分析 如图8所示，可以明显看出电压输出波形有尖峰，第一个晶闸管的电压波形有凹陷。从Ⅰ区域着手分析，Ⅰ区域前半部分输出的电压为线电压Uca，此时VT5和VT4导通，I区域后半部分，VT6触发脉冲来临，VT4关断，输出电压为线电压Ucb，但此时尖峰直上，输出电压逼近线电压Uab，同时可以看到晶闸管电压有凹陷，因为此时由于漏感原因换相时晶闸管电压出现缺口，产生正的，使VT1误导通，继而出现VT1，VT5，VT6同时导通的情况。同理区域Ⅱ有VT1，VT6，VT2同时导通，输出电压出现尖峰逼近Uac；
区域Ⅲ有VT1，VT6，VT2同时导通，输出电压出现尖峰逼近Ubc。
把电路看作没有漏感，感值极大，进行定量分析对于阻感负载，因为波形连续，所以其输出电压平均值可以套用（1）式：
（12）
电流平均值：
（13）
四、 故障仿真模型 按要求作故障仿真模型：三相电源线电压380V，频率为50Hz，触发角，断开第五个晶闸管，负载为纯电阻负载，其原理图如图9所示。
图9 故障波形原理图 触发角要求为，正为自然换相点。各个触发脉冲延迟时间计算如下：
（14）
（15）
（16）
（17）
（18）
（19）
仿真波形如下 图10 故障波形 从图10可以明显看出，在线电压为最高脉波为Uca和Ucb时，波形缺失。
通过一开始的基本原理分析我们可以知道，触发角时，与三相桥式不可控整流电路情形相同。，c相电压比其它两相电压都高，a相电压比其它两相电压都低情形，对照图1，此时应该是VT5和VT4导通，电流流通路径为Uc→VT5→负载→VT4→Ua，而VT5开路，电路输出电压为0，输出电流为0。
同理，此时c相电压比其它两相电压都高，b相电压比其它两相电压都低，对照图1，此时应该是VT5和VT6导通，电流流通路径为Uc→VT5→负载→VT6→Uc，而VT5开路，电路输出电压为0，输出电流为0。
五、 课程设计体会 本次课程设计，我受益良多。首先，对于三相桥式全控整流电路的理解更加深入透彻，更理解到老师上课说的，“这门课不好讲”，本来对于三相桥式的电路，自己的理解还是可以的，对于大部分的情况都能理解透彻。我很快就建立好了模型并仿真出了波形，后来才发现，对于我而言，这个课程设计的难点并不都在仿真上，而在于理解波形的每一段，更难的在于理解之后，要用书面的语言把自己的思想体面地表达出来。这的确是一门学问，在这里真切感受到了老师备课的不容易。其次，我查找资料的能力也得到了提高，本课程设计基本是在图书馆完成，我阅读了大量的参考书籍，看了别人是怎么去分析，怎么去叙述甚至怎么去排版文档。最后，我感谢老师为我们的课程设计能够真正学到东西，费尽心思为每一位同学都配置不同的题目，谢谢。
备注：以上的所有分析皆是本人通过查阅资料，独立思考得出的结果，难免有错误，希望老师指正。
六、 参考文献 [1] 黄忠霖.电力电子技术的MATLAB实践[M].北京：国防工业出版社，2008 [2] 曹戈.MATLAB在电类专业课程中的应用——教程及实训[M].北京：机械工业出版社，2016.6 [3] 赵莉华，舒欣梅.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2010.12 [4] 邱关源.电路(第四版) [M].北京：高等教育出版社，1999 [5] 王兆安，刘进军.电力电子技术 [M].北京：机械工业出版社，2009.5 说 明 一、报告应包括下列主要内容：
1． 概述所作题目的要求和意义、本人所做的工作及系统的主要功能；
2． 基本原理，应包括整流电路的电路结构图，输出电压电流的计算公式等(重点内容) 3． 仿真电路的建模，结果分析(重点内容) 4． 课程设计体会 5． 主要参考文献 二、对报告的要求：
1． 页面设置：上下左右页边距分别为2.5cm、2.0cm、2.5cm、2.0cm 2． 正文字体：宋体，小四号字，行间距最小值18磅；
数字与字母用Times new roman字体 3． 表格不能跨越两页，图和图的标题、表和表的标题不能跨页，表中字体以及图、表的标题要用五号字。整篇报告的图和表从1开始编号，比如“图1 三相桥式整流电路电路结构图（纯电阻负载）”。
4． 公式、变量要用公式编辑器书写，整篇报告的公式从1开始编号。
5． 参考文献要求如下：
论文参考文献类型标识：M-专著（书）；
C-论文集；
J-期刊文章；
D-学位论文；
R-报告；
S-标准；
P-专利；
并放在“论文标题”与“刊名（书名）”之间。文献的标题，作者（仅需给出3位），年、卷、期、起始页码均需给全。参考文献不少于3篇，并在文中备注清楚． 例如：
[1] 蔡菲娜,刘勤贤,朱根兴等. 数据融合方法在单传感器系统中的应用[J].数据采集与处理.2005，3(1)：88~90 [2] 郑少仁，王海涛，赵志峰等. Ad Hoc网络技术[M].北京:人民邮电出版社，2005 [3] 金纯，许光辰，孙睿. 蓝牙技术[M]. 北京：电子工业出版社，2001 [4] 张海滨，宋文涛. 无线通信发展与“高频电子线路”课程教学[J]. 电气电子教学学报.2004，26(2):23~26 五邑大学