摘要：三相橋式全控整流電路在現代電力電子技術中具有很重要的作用和很廣泛的應用。本文通過對三相橋式全控整流電路理論分析的基礎上，結合全控整流電路理論基礎，采用Matlab的仿真工具Simulink建立了基于Simulink的三相橋式全控整流電路的仿真模型，并對其帶電阻負載時的工作情況進行了仿真分析與研究。通過仿真分析也驗證了本文所設計建模型的正確性。

關鍵詞：全控整流電路；Simulink仿真；建模；電力電子

中途分類號：TP 9 文獻標識碼：B

0 前言

電力電子技術在電力系統中有著非常廣泛的應用。據估計，發達國家在用戶最終使用的電能中，有60%以上的電能至少經過一次以上電力電子變流裝置的處理。電力系統在通向現代化的進程中，電力電子技術是關鍵技術之一。可以毫不夸張地說，如果離開電力電子技術，電力系統的現代化就是不可想象的。目前，各類電力電子變換器的輸入整流電路輸入功率級一般采用不可控整流或相控整流電路。這類整流電路結構簡單，控制技術成熟，但交流側輸入功率因數低，并向電網注入大量的諧波電流。據估計，在發達國家有60%的電能經過變換后才使用，而這個數字在本世紀初達到95%。

電能的傳輸中，直流輸電在長距離、大容量輸電時有很大的優勢，其送電端的整流閥和受電端的逆變閥都采用晶閘管變各種電子裝置一般都需要不同電壓等級的直流電源供電。通信設備中的程控交換機所用的直流電源以前用晶閘管整流電源，現在已改為采用全控型器件的高頻開關電源。大型計算機所需的工作電源、微型計算機內部的電源現在也都采用高頻開關電源。在各種電子裝置中，以前大量采用線性穩壓電源供電，由于高頻開關電源體積小、重量輕、效率高，現在已逐漸取代了線性電源。因為各種信息技術裝置都需要電力電子裝置提供電源，所以可以說信息電子技術離不開電力電子技術。近年發展起來的柔性交流輸電（FACTS）也是依靠電力電子裝置才得以實現的。

隨著社會生產和科學技術的發展，整流電路在自動控制系統、測量系統和發電機勵磁系統等領域的應用日益廣泛。常用的三相整流電路有三相橋式不可控整流電路、三相橋式半控整流電路和三相橋式全控整流電路，由于整流電路涉及到交流信號、直流信號以及觸發信號，同時包含晶閘管、電容、電感、電阻等多種元件，采用常規電路分析方法顯得相當繁瑣，高壓情況下實驗也難順利進行。Matlab提供的可視化仿真工具Simulink可直接建立電路仿真模型，隨意改變仿真參數，并且立即可得到任意的仿真結果，直觀性強，進一步省去了編程的步驟。本文利用Simulink對三相橋式全控整流電路進行建模，對不同控制角、橋故障情況下進行了仿真分析，既進一步加深了三相橋式全控整流電路的理論，同時也為現代電力電子實驗教學奠定良好的實驗基礎。

1電路原理分析

晶閘管按從1至6的順序導通，為此將晶閘管按圖1所示的順序編號，即共陰極組中與a、b、c三相電源相接的3個晶閘管分別為VT1、VT3、VT5，共陽極組中與a、b、c三相電源相接的3個晶閘管分別為VT4、VT6、VT2。編號如圖1所示，晶閘管的導通順序為 VT1－VT2－VT3－VT4－VT5－VT6。

圖1 主電路原理圖

其工作特點是任何時刻都有不同組別的兩只晶閘管同時導通，構成電流通路，因此為保證電路啟動或電流斷續后能正常導通，必須對不同組別應到導通的一對晶閘管同時加觸發脈沖，所以觸發脈沖的寬度應大于π／3的寬脈沖。寬脈沖觸發要求觸發功率大，易使脈沖變壓器飽和，所以可以采用脈沖列代替雙窄脈沖；每隔π／3換相一次，換相過程在共陰極組和共陽極組輪流進行，但只在同一組別中換相。接線圖中晶閘管的編號方法使每個周期內6個管子的組合導通順序是VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6；共陰極組T1，T3，T5的脈沖依次相差2π／3；同一相的上下兩個橋臂，即VT1和VT4，VT3和VT6，VT5和VT2的脈沖相差π，給分析帶來了方便；當α=O時，輸出電壓Ud一周期內的波形是6個線電壓的包絡線。所以輸出脈動直流電壓頻率是電源頻率的6倍，比三相半波電路高l倍，脈動減小，而且每次脈動的波形都一樣，故該電路又可稱為6脈動整流電路。同理，三相半波整流電路稱為3脈動整流電路。α>0時，Ud的波形出現缺口，隨著α角的增大，缺口增大，輸出電壓平均值降低。當α=2π／3時，輸出電壓為零，所以電阻性負載時，α的移相范圍是O～2π／3；當O≤α≤π／3時，電流連續，每個晶閘管導通2π／3；當π／3≤α≤2π／3時，電流斷續，個晶閘管導通小于2π／3。23α=π／3是電阻性負載電流連續和斷續的分界點。

2 電路設計

根據三相橋式全控整流電路的原理可以利用Simulink內的模塊建立仿真模型如圖2所示，設置三個交流電壓源Va，Vb，Vc相位角依次相差120°，得到整流橋的三相電源。用Universal Bridge構成整流橋，實現交流電壓到直流電壓的轉換。Synchronized 6-Pulse Generator產生整流橋的觸發脈沖。

提取電路與器件模塊，組成電路的主要元件有三相交流電源，晶閘管，RLC負載等。三相整流電路模型主要元器件如表1所示。

表1 三相整流電路模型主要元器件

三相電源分別設置為Va：220V,相位角為0度，Vb：220V,相位角為-120度，Vc:220V,相位角為+120度，頻率都設為50Hz。脈沖發生器頻率設為50，寬度為10。Universal Bridge中橋臂設為3。負載電阻為10歐，電感為0.01H。圖2是三相橋式全控整流電路仿真模型。

圖2 三相橋式全控整流電路仿真模型

3 仿真

1) 電源參數設置：三相電源的電壓峰值為220V×

，可表示為“220*sqrt（2)”，頻率為50Hz，相位分別為0、-120°、-240°。

2）三相晶閘管整流器參數設置：使用默認值。

3）6脈沖發生器設置：頻率為50Hz，脈沖寬度取1°，取雙脈沖觸發方式。

4) 觸發角設置：可以根據需要將alph設置為30°、60°、90°。

5）采用變步長算法ode23tb(stiff／TR．BDF2)。

6）負載可以根據需要設成純電阻、純電感、阻感等，本次仿真中為電阻負載R=10Ω，阻感負載R=10Ω，L=1H 。

設置仿真時間0.06s，數值算法采用ode23tb(stiff／TR．BDF2)。啟動仿真，根據三相橋式全控整流電路的原理圖，對不同的觸發角α會影響輸出電壓進行仿真。從以下仿真波形圖可知改變不同的控制角，輸出電壓在發生不同的變化。

圖3 三相橋式全控整流電路電阻負載a=30°時的波形

圖4 三相橋式全控整流電路電阻負載a=60°時的波形

圖5 三相橋式全控整流電路電阻負載a=90°時的波形

4 結論

對于純電阻性負載，當觸發角小于等于90°時，Ud波形均為正值，直流電流Id與Ud成正比，并且電阻為10歐姆，所以直流電流波形和直流電壓波形一樣。隨著觸發角增大，在電壓反向后管子即關斷，所以晶閘管的正向導通時間減少，對應著輸出平均電壓逐漸減小，并且當觸發角大于60°后Ud波形出現斷續。而隨著觸發角的持續增大，輸出電壓急劇減小，最后在120°時幾乎趨近于0。對于晶閘管來說，在整流工作狀態下其所承受的為反向阻斷電壓。移相范圍為0~120。