晶闸管三相桥式可控整流电路的设计与仿真

晶闸管三相桥式可控整流电路的设计与仿真第一章MATLAB根底1.1MATLAB介绍MATLAB是一种科学计算软件。MATLAB是MatrixLaboratory(矩阵实验室)的缩写，这是一种以矩阵为根底的交互式程序计算语言。早期的MATLAB主要用于解决科学和工程的复杂数学计算问题。由于它使用方便、输入便捷、运算高效、适应科技人员的思维方式，并且有绘图功能，有用户自行扩展的空间，因此受到用户的欢送，使它成为在科技界广为使用的软件，也是国内外高校教学和科学研究的常用软件。MATLAB由美国Mathworks公司于1984年开始推出，历经升级，到2001年已经有了6．0版，现在MATLAB6.5、7.1、7.8版都已相继面世。早期的MATLAB在DOS环境下运行，1990年推出了Windows版本。1993年,Mathworks公司又推出了MATLAB的微机版,充分支持MicrosoftWindows界面下的编程，它的功能越来越强大，在科技和工程界广为传播，是各种科学计算软件中用频率最高的软件。1993年出现了SIMULINK，这是基于框图的仿真平台，SIMULINK挂接在MATLAB环境上，以MATLAB的强大计算功能为根底，以直观的模块框图进行仿真和计算。SIMULINK提供了各种仿真工具，尤其是它不断扩展的、内容丰富的模块库，为系统的仿真提供了极大便利。在SIMULINK平台上，拖拉和连接典型模块就可以绘制仿真对象的模型框图，并对模型进行仿真。在SIMULINK平台上，仿真模型的可读性很强，这就防止了在MATLAB窗口使用MATLAB命令和函数仿真时,需要熟悉记忆大量M函数的麻烦，对广阔工程技术人员来说，这无疑是最好的福音。现在的MATLAB都同时捆绑了SIMULINK，SIMULINK的版本也在不断地升级，从1993年的MATLAB4．0／SIMULINK1．0版到2001年的MATLAB6．1／SIMULINK4．1版，2002年即推出了MATLAB6．5／SIMULINK5．0版。MATLAB已经不再是单纯的"矩阵实验室"了，它已经成为一个高级计算和仿真平台。SIMULINK原本是为控制系统的仿真而建立的工具箱，在使用中易编程、易拓展，并且可以解决MATLAB不易解决的非线性、变系数等问题。它能支持连续系统和离散系统的仿真，支持连续离散混合系统的仿真，也支持线性和非线性系统的仿真，并且支持多种采样频率(Multirate)统的仿真,也就是不同的系统能以不同的采样频率组合，这样就可以仿真较大、较复杂的系统。因此，各科学领域根据自己的仿真需要，以MATLAB为根底，开发了大量的专用仿真程序，并把这些程序以模块的形式都放人SIMULINK中，形成了模块库。SIMULINK的模块库实际上就是用MATLAB根本语句编写的子程序集。现在SIMULINK模块库有三级树状的子目录，在一级目录下就包含了SIMULINK最早开发的数学计算工具箱、控制系统工具箱的内容，之后开发的信号处理工具箱(DSPBlocks)、通信系统工具箱(Comm)等也并行列入模块库的一级子目录，逐级翻开模块库浏览器(SIMULINKLibraryBrowser)的目录，就可以看到这些模块。从SIMULINK4．1版开始，有了电力系统模块库(PowerSystemBlockset)，该模块库主要由加拿大HydroQuebecTECSIMInternational公司共同开发。在SIMULINK环境下用电力系统模块库的模块，可以方便地进行RLC电路、电力电子电路、电机控制系统和电力系统的仿真。本书中电力电子电路的仿真就是在MATLAB／SIMULINK环境下，主要使用电力系统模块库和SIMULINK两个模块库进行。通过电力电子电路的仿真，不仅展示了MATLAB／SIMULINK的强大功能，并且可以学习控制系统仿真的方法和技巧，研究电路的原理和性能。1.2MATLAB环境在桌面上双击MATLAB快捷方式图标，或者在开始菜单里点击MATLAB的选项，即可进入MATLAB环境。进入MATLAB环境，即翻开了MATLAB窗口(见图1-3)。环境包括MATLAB标题栏、主菜单栏和常用工具栏。在默认显示状态时，在工具栏下有三个子窗口，左边上方窗口显示MATLAB联机说明书目录或工作间的内容，两者可以通过子窗口下方的LaunchPad和Workspace键切换。左边下方窗口将显示已执行的命令(CommandHistory)。右方窗口是MATLAB的命令子窗口,这是MATLAB的主要工作窗口，在这个窗口中，在提示符">>"后逐行输入MATLAB命令，回车后，命令就能立即得到执行。第二章MATLAB/Simulink/PowerSystem工具箱简介2．1模型窗口工具栏模型窗口中主菜单下面是工具栏(见图)，工具栏有15个按钮，用来执行最常用的15个功能，归纳起来可分为5类。图所示的Simulink模型窗口工具栏自左到右有15个按钮，其功能分述如下。1．文件管理类文件管理类包括4个按钮：第1个按钮：单击该按钮将创立一个新模型文件，相当于在主菜单"File''中执行"New''命令。第2个按钮：单击该按钮将翻开一个已存在的模型文件，相当于在主菜单"File''中执行"Open''命令。第3个按钮：单击该按钮将保存模型文件，相当于在主菜单"File''中执行"Save"命令。第4个按钮：单击该按钮将打印模型文件，相当于在主菜单"File''中执行"Print"命令。2．对象管理类对象管理类包括以下3个按钮：第5个按钮：单击该按钮，将选中的模型文件剪切到剪贴板上，相当于在主菜单"Edit"中执行"Cut"命令。第6个按钮：单击该按钮，将选中的模型文件复制到剪贴板上，相当于在主菜单"Edit"中执行"Copy"命令。第7个按钮：单击该按钮，将剪贴板上的内容粘贴到模型窗口的指定位置，相当于在主菜单"Edit''中执行"Paste''命令。3．命令管理类命令管理类包括以下两个按钮：第8个按钮：单击该按钮将撤销前次操作，相当于在主菜单"Edit''中执行"UndoDelete"命令。第9个按钮：单击该按钮将重复前次操作，相当于在主菜单"Edit''中执行"RedoDelete"命令。4．仿真控制类仿真控制类包括以下两个按钮：第14个按钮：单击该按钮将启动或暂停仿真，相当于在主菜单项"Simulation"中执行"Star/Pause"命令；第15个按钮：单击该按钮将停止仿真，相当于在主菜单项"Simulation"中执行"Stop"命令。Simulink和PowerSystem模块的根本操作是相同的。2．2模块的选定、复制、移动与删除等1．模块的选定模块选定(即选中)是许多其他操作如删除、剪切、复制的"前导性"操作。选中模块的方法有以下两种：〔1〕用鼠标左键单击待选模块，当模块的四个角处出现小黑块时，表示模块被选中。〔2〕如果要选择一组模块，可以按住鼠标左键拉出一个矩形虚线框，将所有要选的模块框在其中，然后松开鼠标左键，当矩形里所有模块的四个角处都出现小黑块时，表示所有模块被同时选中。关于模块的选取还有以下两点需说明：1)如果在被选中模块的图标上再次单击左键，取消了对该模块的选取。2)如果想选取不连续的多个模块，但是用拖曳方框的方式又会选取到我们不想要的模块此时可以按住<Shift，键，再按住鼠标左键来拖动一个矩形虚线框，这样一个一个地选取。2．模块的复制从模块组中复制模块的操作方法是：在模块组中将鼠标箭头指向待选模块，用鼠标左键单击它，当待选模块四个角处出现小黑块时，表示已经被选中，校住鼠标左键不放，将所选模块拖动到"untitled"模型窗门里的目标位置，松开鼠标左键，那么在"untitled'，模型窗口里的某个位置上就有一个与待选模块完全相向的模块图标，这样就完成了从模块组中复制模块的操作。在"untitled''模型窗口里复制模块的方法有以下两种：〔1〕首先选中待复制模块，运行"Edit"菜单中的"Copy''命令；然后将光标移到要粘贴的地方，控—下鼠标左键；看到选定的模块恢复原状，在选定的位督上再运行"Edit''菜单中的"Paste''命令即可：新复制的模块和原装模块的名称会自动编号，以示区别。〔2〕另一种简单的复制操作是先按下<ctrl>键不放，然后将鼠标移到需复制的模块上，注意鼠标指针的变化，如果多厂一个小小的"加号"，就表示可以复制了。把鼠标光标拖动到目的位置后，松开鼠标左键，这样就完成了复制工作。3．模块的移动模块移动操作非常简单：将光标置于待移动模块的图标上，然后按住鼠标左键不放，将模块图标拖动到目的地放开鼠标左键，模块的移动即可完成，、注意：模块移动时，它与其他模块的连线也随之移动，4．模块的删除和粘贴对选中模块的删除和粘贴可以按如下方法操作：〔1〕按"Delete"键，把选定模块删除。〔2〕选择"Edit"菜单中的"Cut"命令将选定的模块移到剪贴板后，重新粘贴。5．改变模块对象的大小用鼠标选样对象模块图标，再将鼠标移到模块对象四周的控制小块处，鼠标指针将会变成双箭头的"＼"，"／"、"／•或"＼"形状，此时按住鼠标左键不放，拖曳鼠标，待对象图标大小符合要求时放开鼠标左键，这样就可改变模块对象田标的大小。6．改变模块对象的方向一个标准功能模块就是一个控制环节。在绘制控制系统模迎方框图即连接模块时，要特别注意模块的输入、输出口模块间的信号流向。在Siamlink／PowerSystem中，总是由模块的输入端口接受信号，其端口位于模块左侧；输出端口发送(出)信号，其端口位于模块右侧。但是在绘制反应通道时那么会有相反的要求，即输入端口在模块右侧，输出端口在模块左侧。这时可按以下操作步骤来实现：用鼠标选中模块对象，利用"untitled"的主菜单项"Format"下拉菜中的"FlipBlock"或者"RotateBlock"命令，如果选择"FlipBlock"或者直接按<Ctrl+I>键，即可将功能模块旋转180度；如果选择"RotateBlock''或者直接按<Ctrl+R>健，即可将功能模块顺时针旋转90度。2．3模块的连接当把组成一个控制系统所需的环节模块都复制到"untitled''模型窗口后，如果不用信号线将这些模块图标连接起来，那么它并不描述一个控制系统。当用信号线将各个模块图标连接成一个控制系统后，即得到所谓的系统模型。要说明模块的连接首先需要介绍信号线的使用。1．信号线的使用信号线的作用是连接功能模块。在模型窗口里，拖动鼠标箭头．可以在模块的输入与输出之间连接信号线。为了连接两个模块的端口，可撞住鼠标的左健，单击输入或输出端口，看到光标变为"+"字形以后．拖曳"+"字图形符号到另外一个端口，鼠标指针将变成双"+"字形状．然后放开鼠标左健。那么一根最简单的信号线就连成了，带连线的箭头表示信号的流向。对信号线的操作和对模块操作一样，也需先选中信号线(鼠标左健单击该线)，被选中的信号线的两端出现两个小黑块，这样就可以对读信号线进行其他操作了，如改变其粗细、对其设置标签，也可以把信号线折弯、分支，甚至删除。2．向量信号线与线型设定对于向量信号线．在"untitled"模型窗口里，可选中主菜单"Format"下的"signaldimensions"命令，对模型执行完"Simulation"下的"Start'命令后，传输向量的信号线就会变粗。变粗了的线段表示诙连接线上的信号为向量形式。3．信号线的标签设置在信号线上双击鼠标左键，即可在信号线的下部拉出一个矩形框，在矩形框内的光标处可输入该信号线的说明标签，既可输入西文字符，也可辖入汉字字符。标签的信息内容如果很多，还可以用<Enter>键换行输人。如果标签信息有错或者不妥，可以重新选中再进行编辑修改。4．信号线折弯选中信号线，按住<shift>键，再用鼠标左健在要折弯的地方单击一下现一个小圆圈，表示折点,利用折点就可以改变信号线的形状。选中信号线．将鼠标指到线段端头的小黑块上，直到箭头指针变为"O"形，按住鼠标左键。拖曳线段，即可将线段以直角的方式折弯。如果不想以直角的方式折弯，也可以在线段的任一位置将线段以任意角度折弯。5．信号线分支选中信号线，按住<ctrl>健，在要建立分支的地方按住鼠标左键并拉出即可。另外一种方法是：将鼠标指到要引出分支的信号线段上，按住鼠标右健拖曳鼠标，即可拉出分支线。6．信号线的平行移动将鼠标指到要平行移动的信号线段上，按住鼠标左健不放．鼠标指针变为十字箭头形水平成垂直方向拖曳鼠标移到目的位置，松开鼠标左健，信号线的平行移动即完成。7．信号线与模块别离将鼠标指针放在想要别离的模块上，按住(Shift)健不放，再用鼠标把模块拖曳到别处，即可把模块与连接线别离。8．信号线的删除选定要删除的信号线，按(delete)键，即可把选中的信号线删除。2．4模块内部参数设置在模型窗口中，双击待修改参数的模块图标，翻开功能模块内部参数设置对话框，然后通过改变对话框相关栏目中的数据便可。第三章三相桥式全控整流电路的原理3.1主电路原理说明图3.1根本电路整流电路的负载为带反电动势的阻感负载。假设将电路中的晶闸管换作二极管，这种情况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3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3个晶闸管，那么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。此时电路工作波形如图2所示。图3.2α=0o时波形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ud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。直接从线电压波形看，由于共阴极组中处于通态的晶闸管对应的最大〔正得最多〕的相电压，而共阳极组中处于通态的晶闸管对应的是最小〔负得最多〕的相电压，输出整流电压ud为这两个相电压相减，是线电压中最大的一个，因此输出整流电压ud波形为线电压在正半周的包络线。由于负载端接得有电感且电感的阻值趋于无穷大，电感对电流变化有抗拒作用。流过电感器件的电流变化时，在其两端产生感应电动势Li，它的极性事阻止电流变化的。当电流增加时，它的极性阻止电流增加，当电流减小时，它的极性反过来阻止电流减小。电感的这种作用使得电流波形变得平直，电感无穷大时趋于一条平直的直线。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60o，如图3-2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。由该表可见，6个晶闸管的导通顺序为VT1－VT2－VT3－VT4－VT5－VT6。表1三相桥式全控整流电路电阻负载α=0o时晶闸管工作情时段ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ共阴极组中导通的晶闸管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共阳极组导通的晶闸管VT6VT2VT2VT4VT4VT6整流输出电压UdUa-Ub=UabUa-Uc=UacUb-Uc=UbcUb-Ua=UbaUc-Ua=UcaUc-Ub=Ucb图3-3

给出了α=30o时的波形。从ωt1角开始把一个周期等分为6段，每段为60o与α＝0o时的情况相比，一周期中ud波形仍由6段线电压构成，每一段导通晶闸管的编号等仍符合表1的规律。区别在于，晶闸管起始导通时刻推迟了30o,组成

ud

的每一段线电压因此推迟30o，ud平均值降低。晶闸管电压波形也相应发生变化如下图。图中同时给出了变压器二次侧a相电流

ia

的波形，该波形的特点是，在VT1处于通态的120o期间，ia为正，由于大电感的作用，ia波形的形状近似为一条直线，在VT4处于通态的120o期间，ia波形的形状也近似为一条直线，但为负值。图3-3α=30o时的波形由以上分析可见，当α≤30o时，ud波形均连续，对于带大电感的反电动势，id波形由于电感的作用为一条平滑的直线并且也连续。当α＞60o时，如α＝90o时电阻负载情况下的工作波形如图3-4所示，ud平均值继续降低，由于电感的存在延迟了VT的关断时刻，使得ud的值出现负值，当电感足够大时，ud中正负面积根本相等，ud平均值近似为零。这说明带阻感的反电动势的三相桥式全控整流电路的α角的移相范围为90度。第四章单元电路设计4.1主电路主电路为带阻感负载的三相桥式电路图4.1主电路图4.2触发电路触发脉冲的宽度应保证晶闸管开关可靠导通〔门极电流应大于擎柱电流〕，触发脉冲应有足够的幅度，不超过门极电压、电流和功率，且在可靠触发区域之内，应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离晶闸管可控整流电路，通过控制触发角a的大小即控制触发脉冲起始相位来控制输出电压大小。为保证相控电路正常工作，很重要的是应保证按触发角a的大小在正确的时刻向电路中的晶闸管施加有效的触发脉冲。晶闸管相控电路，习惯称为触发电路。大、中功率的变流器广泛应用的是晶体管触发电路，其中以同步信号为锯齿波的触发电路应用最多。可靠性高，技术性能好，体积小，功耗低，调试方便。晶闸管触发电路的集成化已逐渐普及，已逐步取代分立式电路。此处就是采用集成触发产生触发脉冲。KJ004组成分为同步、锯齿波形成、移相、脉冲形成、脉冲分选及脉冲放大几个环节。KJ004触发电路为模拟的触发电路,其组成为：3个KJ004集成块和1个KJ041集成块，可形成六路双脉冲，再由六个晶体管进行脉冲放大,即可得到完整的三相全控桥触发电路，如下所示：图完整触发电路图4.3保护电路我们不可能从根本上消除生产过程过电压的根源，只能设法将过电压的副值抑制到平安限度之内，这是过电压保护的根本思想。抑制过电压的方法不外乎三种：用非线性元件限制过电压的副度，用电阻消耗生产过电压的能量，用储能元件吸收生产过电压的能量。对于非线性元件，不是额定电压小，使用麻烦，就是不宜用于抑制频繁出现过电压的场合。所以我们选用用储能元件吸收生产过电压的能量的保护。使用RC吸收电路，这种保护可以把变压器绕组中释放出的电磁能量转化为电容器的电场能量储存起来。由于电容两端电压不能突变，所以能有效抑制过电压，串联电阻消耗局部产生过电压的能量，并抑制LC回路的震动。如图4.3.1图4.3.1RC吸收电路(1)晶闸管的过电压保护晶闸管的过电压能力比一般的电器元件差，当它承受超过反向击穿电压时，也会被反向击穿而损坏。如果正向电压超过管子的正向转折电压，会造成晶闸管硬开通，不仅使电路工作失常，且屡次硬开关也会损坏管子。因此必须抑制晶闸管可能出现的过电压，常采用简单有效的过电压保护措施。对于晶闸管的过电压保护可参考主电路的过电压保护，我们使用阻容保护，电路图如图4.3.2图4.3.2阻容保护电路(2)晶闸管的过电流保护在整流中造成晶闸管过电流的主要原因是：电网电压波动太大负载超过允许值，电路中管子误导通以及管子击穿短路等。所以我们要设置保护措施，以防止损害管子。常见的过电流保护有：快速熔断器保护，过电流继电器保护，限流与脉冲移相保护，直流快速开关过电流保护。快速熔断器保护是最有效，使用最广泛的一种保护措施；快速熔断器的接法有三种：桥臂串快熔，这是一种最直接可靠的保护；交流侧快熔，直流侧快熔，这两种保护接法虽然简单，但保护效果不好。过电流继电器保护中过电流继电器开关时间长〔约几百毫秒〕只有在短路电流不大时才有用。限流与脉冲移相保护电路保护比拟复杂。直流快速开关过电流保护功能很好，但造价高，体积大，不宜采用。总结的结果：最正确方案是选用快速熔断器保护，并采用桥臂串快熔接法。如图：第五章三相桥式整流电路仿真模型建立和参数设置5.1三相桥式整流电路的仿真带阻感性负载的仿真启动MATLAB7.1，进入SIMLINK后新建文档，根据晶闸管三相桥式整流电路的结构，在模型窗口建立主电路仿真模型，绘制参加同步装置和脉冲触发器等的三相桥式整流系统模型如图2所示。双击各模块，在建立的对话框内设置相应的参数。图5.1三相桥式系统模型整流〔1〕交流电压源的参数设置三相电源的相位互差120，设置交流峰值电压为220V，频率为50HZ。A相电源B相电源C相电源〔2〕负载参数的设置R=10欧姆，L=100mh,C=inf通用桥臂参数的设置三相全控桥电路图与其参数如下：电路图参数设定〔4〕同步脉冲触发电路脉冲电路由6个单脉冲构成，与6个晶闸管一一对应，脉冲之间角度依次相差60度，脉冲1参数如下：参数设定5.2带阻感性负载三相桥式全控整流电路的仿真分析波形分析：〔如下图〕从上到下依次是Ud,Id,I2,Ivt1的波а=0时波形а=30时波形а=60时波形а=90时波形图2为a=30°时带阻感性负载的波形，如果假定负载中的电感足够大，负载电流保持连续且根本平直〔近似为一条直线〕，电路已处于稳态。可以看出，各晶闸管的通断情况，Ud波形以及晶闸管所承受的电压波形同电阻负载是一样。二者的区别在于，在阻感性是，由于电感的作用，使得负载电流保持连续且根本平直。因此流过变压器二次绕组的电流波形在顶部根本都是平直的这和电阻性负载是不一样。当触发角a改变时，电路的工作情况也将会发生变化，如图3给出a=60°是电路的波形。总之其工作特点是任何时刻都有不同组别的两只晶闸管同时导通，构成电流通路，因此为保证电路启动或电流断续后能正常