基于MATLAB的三相桥式可控整流

西南科技大学 专业方向设计报告

课程名称：自动化专业方向设计-电气工程综合设计 设计名称：基于MATLAB的晶闸管三相桥式整流器的仿真 * 名： ** 学 号: ******** 班 级： 自动0801 指导教师： ** 起止日期： 11年11.7-12.01

西南科技大学信息工程学院制

方 向 设 计 任 务 书

学生班级： 自动0801 学生姓名： 刘进 学号： 20085023 设计名称： 基于MATLAB的晶闸管三相桥式整流器的仿真 起止日期： 11年11.5-12.01 指导教师： 李丽

设计要求： MATLAB是一种集数学、分析、可视化、算法开发与发布于一体的软件平台，本课题要求熟悉晶闸管三相桥式整流电路的工作原理，利用MATLAB与Simulink为基础，完成电力电子器件以及晶闸管三相桥式整流电路的建模及仿真和各种负载下的输出波形分析。并以此为基础，掌握MATLAB/Simulink对一个动态系统进行建模、仿真和分析的基本方法。

方 向 设 计 学 生 日 志

时间 11.7 11.8 11.9 11.10 11.11 11.14 11.15 11.16 11.17 11.18 11.21 11.22 11.23 11.24 12.01

设计内容 复习<>一书。 复习<>一书。 复习<>一书。 查找资料，建立MATLAB/Simulink仿真模型。 查找资料，建立MATLAB/Simulink仿真模型。 查找资料，建立MATLAB/Simulink仿真模型，及查看模型正确性。 设置参数，进行仿真，对仿真结果进行分析。 设置参数，进行仿真，对仿真结果进行分析。 设置参数，进行仿真，对仿真结果进行分析。 查阅相关资料，对结果波形进行分析，比较。 查阅相关资料，对结果波形进行分析，比较。 在对仿真结果分析熟练的情况下，结合查阅的资料及仿真结果书写论文。 在对仿真结果分析熟练的情况下，结合查阅的资料及仿真结果书写论文。 在对仿真结果分析熟练的情况下，结合查阅的资料及仿真结果书写论文。 检查论文及仿真模型。 2

基于MATLAB的晶闸管三相桥式整流器的仿真

一、 摘要（150-250字）

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。这里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，对输出电压、控制角、故障现象以及负载特性等进行了动态仿真与研究。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。从而为电力电子教学及实验提供了一种较好的辅助工具。

二、 设计目的和意义

通过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，进行

仿真，可以让我们熟悉MATLAB应用技术在电气工程与自动化中得应用，熟悉运用MATLAB及Simulink程序，熟悉三相桥式全控整流电路，通过分析输出波形，可以让我们知道在真实情况下三相桥式全控整流电路的各个器件的运行情况。

三、 设计原理

三相桥是可控整流电路原理：

习惯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。此主电路要求带反电动势负载，此反电动势E=60V，电阻R=10Ω，电感L无穷大使负载电流连续。其原理如图1所示。

图1 三相桥式全控整理电路原理图 3 为说明此原理，假设将电路中的晶闸管换作二极管，这种情况就也就相当于晶闸管触发角α=0o时的情况。此时，对于共阴极组的三个晶闸管，阳极所接交流电压值最高的一个导通。而对于共阳极组的三个晶闸管，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。

α=0o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

u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d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。

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的相电压，而共阳极组中

u处于通态的晶闸管对应的是最小的相电压，输出整流电压 d为这两个相电压相减，是线电压

u中最大的一个，因此输出整流电压d波形为线电压在正半周的包络线。

由于负载端所接的电感值无限大，会对变化的电流有抵抗作用，从而使得负载电流几乎为一条直线。其电路工作波形如图2所示。

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60，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1可见，6个晶闸管的导通顺序为VT1－VT2－VT3－VT4－VT5－VT6。

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0表1 三相桥式全控整流电路电阻负载α=0o

时晶闸管工作情况

时 段 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ 共阴极组中导通的VT1 VT1 VT3 VT3 VT5 VT5 晶闸管 共阳极组中导通的VT6 VT2 VT2 VT4 VT4 VT6 晶闸管 整流输出ua-ub ua-uc ub- uc ub- ua uc- ua uc-ub 电压ud =uab =uac =ubc =uba =uca =ucb

整流桥模型：

通用桥臂模块（Universal Bridge）

A、B、C端子：分别为三相交流电源的相电压输入端子； Pulses端子：为触发脉冲输入端子，如果选择为电力二极管，无此端子；

＋、－端子：分别为整流器的输出和输入端子，在建模时需要构成回路。

通用桥臂模块参数设置： Number of bridge arms：

桥臂数量，可以选择1、2、3相桥臂，构成不同形式的整流器。

Port configuration：端口形式设。 Snubber resistance Rs(ohms):缓冲电阻Rs。

Snubber capacitance Cs(F):缓冲电容Cs。

Resistance Ron（ohms）：晶闸管的内电阻Ron，单位为Ω。

Inductance Lon（H）：晶闸管的内电感Lon，单位为H，电感不能设置为0。 Forward voltage Vf（v）:晶闸管元件的正向管压降Vf，单位为V。

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Measurements：测量可以选择5中形式， 即无（None）

装置电压（Device voltages） 装置电流（Device currents）

三相线电压与输出平均电压（UAB UBC UCA UDC）或所有电压电流（All voltages and currents） 选择之后需要通过万用表模块（Multimeter）显示。 6脉冲同步触发器：

6脉冲同步触发器参数设置： Frequency

of

synchronization

voltages(Hz)：同步电压频率（赫兹）； Pulse width(degrees) ：触发脉冲宽度（角度）；

Double pulsing：双脉冲触发选择。 三相线电压具体实现是通过Voltage Measurement（电压测量）模块，

电压测量模块可以将电路中两个节点的电压值，并提供其他电路或者用于输出 。

四、 详细设计步骤

1):网上下载MATLAB程序，安装并确定安装成功。

2):复习<>一书，由于学习此书太久，很多知识都已经遗忘。 3）：设计仿真图：

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（1）： 打开MATLAB软件，单击Simulink图标，新建一文件，在SimPowerSystems栏下Elements子栏中选择Ground接地，3个。一个Series RLC Branch ，作为RLC负载。 在SimPowerSystems栏下Electrical Sources

子栏中选择AC交流电 源，3个。一个直 流 电源，作为反电动势。

在SimPowerSystems栏下Measurements子栏中选择Current Measurement 3个，作为电流信号的输出， Voltage Measurement 4个。作为电压信号的输出。

在Simulink栏Commonly Used Blocks 子栏中选着两个Constant，一个作为控制角输入，一个作为脉冲发生器的Block输入。再选着一个示波器Scope。

在Simulink栏Commonly Used Blocks 子栏中选择一个Mux作为向量信号的叠加。

在SimPowerSystems栏下Power Electronics子栏中选择Universal Bridge 整流电路的三项桥臂。

在SimPowerSystems栏下Control Block子栏中选择Synchronized 6-Pulse Generator作为控制脉冲 发生器。

（2）： 把示波器改成四输入形式。如图2.连接号电路图。

图2 仿真总图

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（3）：设置通用参数

三相电源设为100v/50HZ,A相相位角0度，B相相位角120度，C相相位角-120度,。控

制脉冲 发生器设置为50HZ，脉冲宽度设置为10，Block输入设置为0。整流桥臂设置如下：桥臂数量设为3，缓冲电阻1e5欧姆，缓冲电容inf，就是无穷大，晶闸管内电阻Ron设置为1e-3欧姆，晶闸管内电感Lon设为0 H，正相管压降Vf 0 v，测量方式选None。负载电容设为无穷大inf，仿真算法选着ode23s或者ode23tb，仿真时间0.05s。

五、 设计结果及分析

（1） 设置负载为R=1欧姆、L=1e-9H、反电动势V=0V，相位控制角α=0度、30度、60度、90度、。进行仿真，得如下图形

图3.1：相位控制角α=0度时，触发脉冲、ud、id、ia&ib 波形图

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图3.2：ia&ib正常常示，相位控制角α=30度时，触发脉冲、ud、id、ia&ib 波形图

图3.3：ia&ib缩小显示 ，相位控制角α=30度时，触发脉冲、ud、id、ia&ib 波形图

图3.4：ia&ib正常常示，相位控制角α=60度时，触发脉冲、ud、id、ia&ib 波形图

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图3.5：ia&ib缩小显示 ， 相位控制角α=60度，ia&ib 波形图

图3.6：ia&ib缩小显示 ，相位控制角α=90度，触发脉冲、ud、id、ia&ib 波形图

通过对三相桥式全控整流电路带全电阻负载的仿真研究，我们可以看到，整流输出电压一周期脉动六次，每次脉动波形一样，id的波形与vd波形一样，没有滞后与超前，就是id=vd/rd，vd波形随触发脉冲的相位角波形变化，触发脉冲相位角越大，vd电压向后推迟越大，平均值越小，id一样，又

结合波形可以看出，ia在VT1导通时候为正，波形与id一样，ia在VT4导通时候为负，

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波形与id波形相同，只是倒方向而已。

同理，ib 在VT3导通时候为正，波形与id一样，ib在VT6导通时候为负，波形与id波形相同，只是倒方向而已。

由波形还可以的出，id没有尖峰电流脉冲，而ia、ib在变化时有很强的尖峰电流，这是因为三相桥臂加了缓冲电路的原因，尖峰电流被缓冲电路吸收了，所以在桥臂前的相电流恩能够看到很强的尖峰电流，而桥臂后的负载电流id却没出现尖峰电流。

总之，在电阻负载的情况下，各个波形都基本与负载电压波形一致，当相位角小于60度时，波形连续，当相控角α大于60度时，波形出现不连续现象，其他分析方法一致，出现的原因是电流id不能出现负值，只要电流为零，晶闸管就关断了，而典雅波形与电流一样，所以电压不能出现负值。导致不连续现象。

当相控角α逐渐增大，增大到120度时候，负载电压电流曲线全部消失，说明在纯电阻负载情况下，相控角α大小范围是 0到120度。再把得到的波形图与电路分析波形图比较，基本没什么差别。Id、ud波形一样，相控角30°时，

峰值电压ud峰=100*1.732=173.2v 由图3.7可看出峰值电压为172.85v左右

图3.7 相控角α=30° ud波形峰值处

考虑晶闸管内阻消耗的一点电压，可以知道仿真的正确性，也可以知道采用电路分析的到的输出ud、id波形的正确性。

而由由于有波形图不能直接得到负载电压ud、id平均值，但由前面验证可知道采用电路分

纯电阻负载计算：相控角α小于60度：

相控角α60到120度： id=ud/R 。

（2） 设置负载为R=7.8欧姆、L=0.1H、反电动势V=0V，相位控制角α=0度、30度、

60度、90度。进行仿真，得如下图：

析方法计算的正确性，再结合仿真结果图形与电路分析图形相比较。我们可与得出以下结论。

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图4.0：相位控制角α=0度时，触发脉冲、ud、id、ia&ib 波形图

图4.1：ia&ib正常常示，相位控制角α=30度时，触发脉冲、ud、id、ia&ib 波形图

图4.2：ia&ib缩小比例，相位控制角α=30度时， ia&ib 波形图

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图4.3：ia&ib缩小比例，相位控制角α=60度时， ia&ib 波形图

图4.4：ia&ib正常常示，相位控制角α=60度时，触发脉冲、ud、id、ia&ib 波形图

图4.5：ia&ib正常常示，相位控制角α=90度时，触发脉冲、ud、id、ia&ib 波形图

图4.6：ia&ib缩小比例，相位控制角α=90度时， ia&ib 波形图

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由0度、30度、60度、90度仿真得出的iia&ib、id、ud、控制脉冲波形图可以看出，阻感负载与纯电阻负载有以下几个区别：

 纯电阻负载得到的负载电压波形与电流波形是一样的，而阻感负载的负载电压波

形与电流波形明显不一样。

 纯电阻负载电压波形没有负电压存在，阻感负载电压波形有负电压存在。 现在来说下阻感负载下运行情况，同样，在整流输出电压ud一周期脉动六次，每次脉动波形一样。由于电感负载有储能作用，可以阻碍电流突变，所以电流id波形与电压ud波形不一样，电流变化更加平和，当控制角较小时候，电流id都稳定时基本成一条不变化的直线，相当于加在负载两端电压为稳态电压输出电流一样，但电压变化如果相对负载电感吸收能量和释放能量变化相对较大时，就不能使电流成为一条直线，而成为一条变化相对电压变化较慢的曲线。

又阻感负载电流变化滞后电压变化，当电压变为零的时候，由于电感的储能释放，使电流还是正值，而晶闸管的关断需要电流很小或电流为零，所以电压变为零时晶闸管电流不为零，不会关断，导致负载电压ud和晶闸管电压VT会出现负值。

ia&ib变化同纯电阻负载研究方法一样，ia在VT1导通时候为正，波形与id一样，ia在VT4导通时候为负，波形与id波形相同，只是倒方向而已。

同理，ib 在VT3导通时候为正，波形与id一样，ib在VT6导通时候为负，波形与id波形相同，只是倒方向而已。

同纯电阻负载一样，id没有尖峰电流脉冲，而ia、ib在变化时有很强的尖峰电流，这是因为三相桥臂加了缓冲电路的原因，尖峰电流被缓冲电路吸收了，所以在桥臂前的相电流恩能够看到很强的尖峰电流，而桥臂后的负载电流id却没出现尖峰电流。

又

Id=ud/rd

以相控角30度来算，

ud

平均值

Ud=2.34/1.414*100cos30°

=143.3v

Id=143.3/7.8=18.4A 图5.1 id 仿真稳定后id如图5.1基本不没变电流18.1A

比较理论电流值和实际仿真电流值，我们可以看出，仿真得出结果正确，因为理论计算整流桥内阻没有计算，而仿真计算进去了，所以仿真得出结果比理论值偏小一点。

当相控角为90度时，由计算可知 Ud=2.34Ucos90°=0v 0 Id=Ud/Rd=0A

而由仿真图4.5，可以看出 ：负载电压ud正负面积基本相等，负载电流id稳定后虽然不为零，但很小，结合理论值与实际比较，可以知道仿真的正确性，和理论与实际的微小

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区别。

总之，当相控角α小于60度时负载电压ud波形与纯电阻负载波形一样，不会出现负值，只是负载电流id变化平滑，甚至成一条几乎没有变化的直线。当相控角α大于60度时，负载电压出现负值，当相控角α等于90度时，电感L足够大，负载电压ud正负面积基本相等，ud平均值近似为零。这表明，带阻感负载时，三相桥式全控整流电路的相控角α移相范围是90

（3）：加反电动势研究：

加入反电动势，反电动势不大的情况下，基本与不加反电动势出现的波形一样，只是值变小而已，通过对加了反电动势的波形研究可知，加反电动势可使得触发角取值范围减小。还有负载电压等于没加反电动势电压减去反电动势。

六、 总结

通过仿真分析，可知三相桥式整流电路的输出电压波形与输出电流波形等受控制角α和负载特性影响，本文应用MATLAB的可视化工具Simulink对三相桥式全控整流电路进行了详细的仿真及结果分析，并与相关文献中采用常规的电路分析方法所得到的输出电压、电流进行比较，进一步得到了仿真结果的正确性，采用MATLAB/Simulink对三相桥式全控整流电路进行仿真分析，避免了常规分析方法繁琐的绘图和计算过程，得到一种直观、快捷分析整流电路的新方法。采用MATLAB/Simulink进行仿真，在仿真过程中可以灵活改变仿真参数，并且能直观的观察仿真结果随参数变化情况，为进一步分析三相桥式整流电路打下了基础，是一种值得推广的研究、仿真方法，MATLAB是电力电子技术值得推广的应用软件。

七、 体会

在仿真分析中，仿真参数的设置比上面所说的多得多，上面给出的只是一些有代表性的波形，对他们进行分析能推广到大部分情况而已。在进行仿真的过程中，需要多理解，多动脑，不然出来的波形也许不理想，如带阻感负载时，如果把电感加的很大，就不能得到电流趋近于直线的情况，这是因为电感太大，其储能就大，对其储存能量的所需时间自然也要多，而我们仿真时间只设置了0.05秒，远远不够，所以出来的负载电流波形是一条一直上升的线，而没有趋近于平直状态。在仿真中还出现过很多情况，如开始时候由于三相电源的设置，相位角本该设置为0,、120、-120，我设为0、120、240，自己以为没有问题，却总出现错误波形如图5.2所示：

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图5.2：

一看就知道波形错误，因为一周期内负载电压，根本没出现六个脉动，而触发角为零时，不可能不出现六个脉动，最后查了许多资料，问了几位老师，终于知道是软件不能识别相位角为0、120、240的设置，最后相位角改为0、-120、120，成功仿真。还有MATLAB为全英文软件，很多需要在网上查找是什么意思才能做，如用到的元器件用法？元器件叫什么？等。同坐这次仿真分析，让自己对MATLAB/Simulink仿真软件有了深入的了解，大大提升了自己用MATLAB/Simulink对电力电子技术中的问题进行分析的能力，为以后的工作学习打下了坚实的基础。

八、 参考文献（递增引用，引用相关内容）

[1] 王兆安、黄俊。电力电子技术（第四版）。机械工业出版社。2010.7

[2] 王忠礼、段慧达、高玉峰。MATLAB应用技术-在电气工程与自动化专业中的应用。清华

大学出版社。2007.1

[3] 黄江波（长江师范学院,重庆,408100;重庆大学,电气工程学院,重庆,400044）。基于

Matlab的三相桥式全控整流电路的仿真研究。期刊。现代电子技术2010年第8期。

[4] 基于Matlab/Simulink的三相桥式全控整流电路的建模与仿真。。2010.6.25 [5] 桥式全控整流电路的设计（电力电子技术课程设计说明书）。。 [6] 三相整流理论。（通信/电子）。 [7] 百度搜索引擎。www.baidu.com.

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