三相6脉波整流和12脉波整流电路分析.pdf

发布时间：2022-06-01 发布人：admin 分类：说明书资料大小：1.11M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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三相六脉波整流和十二脉波整流电路分析

0 引言

1 MATLAB建模分析

1.1六脉波电阻性负载

1.1六脉波感性性负载

1.3十二脉波阻性负载

1.3.1 仿真参数设置

1.4十二脉波感性负载

2 谐波含量对比分析

2.1 六脉波和十二脉波谐波分析对比

3 变压器对比分析

4 总结

参考文献

三相六脉波整流和十二脉波整流电路分析 XXX （武汉理工大学自动化学院，武汉市洪山区，430000） Analysis of Three-phase 6-pulse Rectification and 12-pulse Rectification Circuits XXX (School of Automation, Wuhan University of Technology, Hongshan District, Wuhan 430000, China) ABSTRACT: At present, electricity is one of the most common industrial energy sources. It has a critical impact on the normal operation of industrial production and daily life. The three-phase six-pulse wave and twelve-pulse rectifier circuit technologies have a huge effect on power transmission. Based on this, understanding and discussing the rectifier circuit has a huge role. For this reason, this article will model and and twelve-pulse rectifier circuits based on MATLAB, and analyze the two rectifier circuits based on the simulation results. Perform analysis and comparison. three-phase six-pulse simulate the three-phase .KEY WORDS: six-pulse wave; three-phase twelve-pulse wave; MATLAB; rectifier circuit 摘要：目前，电力是最常见的工业能源之一，其对工业生产、日常生活的正常运行具有关键性影响，三相六脉波和十二脉波整流电路技术对电力输送有着巨大作用。基于此，理解并论述整流电路有着巨大的作用，为此，此文将基于 MATLAB 对三相六习惯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;阳极连接在一起的三个晶闸管(VT4、VT6、VT2)称为共阳极组。三相整流变压器采用DY联结，由于共阳极组在电源正半周导通，流经变压器二次绕组的是正向电流，共阴极组在电源负半周导通，流经变压器二次绕组的是反向电流，因此一个周期中，变压器绕组中没有了直流磁动势，有利于减小变压器磁通、电动势中的谐波。此外，习惯上希望晶闸管按从1~6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、e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、e三相电源相接的三个晶闸管分别为VT4、VT6、VT2。三相桥式全控整流电路必须用双窄脉冲或宽脉冲触发，其移相范围为 0°~120°，最大导通角为120°[1]。它主要用于电压控制要求高或要求逆变的场合 [2]。而对于三相十二脉波电路，如果将两个三相桥式整流串联输出，就得到了十二脉波整流。其原理图如下图2所示。脉波和十二脉波整流电路进行建模和仿真分析，并本文将利用 MATLAB 对两种电路进行建就仿真结果对两种整流电路进行分析和对比。关键词：三相六脉波；三相十二脉波；MATLAB；整流电路 0 引言三相桥式整流电路是工业中应用最为广泛的一种整流电路，以三相六脉波电路为基础，可以拓展到十二脉波电路、十八脉波电路和二十四脉波电路等。三相六脉波的实质是一组共阴极与一组共阳极的三相半波可控整流电路的串联，原理如下图 1 所示。模和仿真，分析 2 种电路的实现与控制方法，根据输出电压的特性从谐波含量、开关器件要求、变压器要求等方面对比分析两种电路的特性。图 1 三相六脉波整流电路图

加触发脉冲，6 个晶闸管的脉冲按 VT1－ VT2－VT3－VT4－VT5－VT6 的顺序，相位依次差 60°；共阴极组 VT1、VT3、VT5 的脉冲依次差 120o，共阳极组 VT4、VT6、 VT2 也依次差 120o；同一相的上下两个桥臂，即 VT1 与 VT4，VT3 与 VT6，VT5 与 VT2，脉冲相差 180°。 1 α=0° 设置 6 脉冲发生器的频率 50Hz，脉冲宽度为 10；三相电压大小 310V。 α=0°时，晶闸管在自然换流点得到触发脉冲。波形图如下图 4 所示。图 4 α=0°6 脉波阻性负载仿真图设从第一个自然换流点算起的电角度为φ。在φ=0°时，VT1 和 VT5 得到触发脉冲。此时线电压的最大值为 Uab，即 VT1 的阳极电位最高、VT5 的阴极电位最低，所以 VT1 和 VT5 导通。忽略 VT1 和 VT5 的导通压降，输出电压 Ud=Uab。在此后 60°期间，VT1 和 VT5 保持导通，此输出保持 60°。在φ=60°时，VT1 和 VT6 得到触发脉冲，由右图可看出，此时线电压的最大值变为 Uac，所以 VT1 保持导通，VT6 导通，输出电压 Ud=Ubc。此输出保持 60°。在φ=120°时，VT2 和 VT6 得到触发脉冲，此时线电压的最大值变为 Ubc，所以 VT2 导通，VT6 保持导通，输出电压 Ud=Ubc。此输出保持 60°。同理，此后输出电压依次等于 Uba、Uca、Ucb。此时的工作情况和输出电压波形与三相桥式不控整流电路完全一样,整流电路处于全导通状态。图 2 三相十二脉波整流电路图 1 MATLAB 建模分析在建模过程中，为简化，省略了变压器将分别测量负载为阻性和感性的情况，并对其进行简易分析。 1.1 六脉波电阻性负载在 MATLAB 中双击 Series RLC Branch，将 Branch type 设置为电阻，阻值为 10 欧姆。三相桥式全控整流电路由六只晶闸管组成， VT1、VT3、VT5 为共阴极组,VT2、VT4、 VT6 为共阳极组。电阻性负载的三相桥式全控整流电路如下图 3 所示。图 3 三相六脉波阻性负载建模图在交流电源的一个周期内，晶闸管在正向阳极电压作用下不导通的电角度称为控制角或移相角，用α表示；导通的电角度称为导通角，用θ表示。在三相可控整流电路中，控制角的起点，不是在交流电压过零点处，而是在自然换流点(又称自然换相点)，即三相相电压的交点。采用双窄脉冲触发时，触发电路每隔 60°依次同时给两个晶闸管施

当α>0 时,品闸管导通要推迟α角,但品闸管的触发、导通顺序不变。 α=90°时，晶闸管在自然换流点得到触发脉冲。波形图如下图 6 所示。 2 α=60° 设置 6 脉冲发生器的频率 50Hz，脉冲宽度为 20；三相电压大小 310V。 α=60°时，晶闸管在自然换流点得到触发脉冲。波形图如下图 5 所示。图 6 α=90°6 脉波阻性负载仿真图在φ=90°时, VT1 和 VT5 得到触发脉冲, 由右图可看出,此时线电压 Uab 大于零,所以 VT1 和 VT5 导通,输出电压 Ud=Uab。但经过了 30°,Uab 变为零, VT1 和 VT5 截止,输出电压变为 0。在φ=150°时，VT1 和 VT6 得到触发脉冲，由右图可看出，此时线电压 Uac 大于零，所以 VT1 和 VT6 导通，输出电压 Ud=Uac 。但经过了 30°，Uac 变为零，VT1 和 VT6 截止，输出电压变为 0。在φ=210°时，VT2 和 VT6 得到触发脉冲，由右图可看出，此时线电压 Ubc 大于零，所以 VT2 和 VT6 导通，输出电压 Ud=Ubc。但经过了 30°，Ubc 变为零，VT2 和 VT6 截止，输出电压变为 0[3]。其余类推。 1.1 六脉波感性性负载在 MATLAB 中双击 Series RLC Branch，将 Branch type 设置为电感，电感为 10H。电感性负载的三相桥式全控整流电路如下图 7 所示。图 7 三相六脉波感性负载建模图图 5 α=60°6 脉波阻性负载仿真图在φ=60°时,VT1 和 VT5 得到触发脉冲, 由右图可看出,此时线电压的最大值为 Uac, 由于 VT6 没有得到触发脉冲不能导通,而 Uab 大于零, 所以 VT1 和 VT5 导通, 输出电压 Ud=Uab。此输出保持 60°。在φ=120°时, VT1 和 VT6 得到触发脉冲, 由右图可看出,此时线电压的最大值变为 Ubc, 由于 VT2 没有得到触发脉冲不能导通,而 Uac 大于零,所以 VT1 保持导通, VT6 导通,输出电压 Ud=Uac。此输出保持 60°。在φ=180°时,VT2 和 VT6 得到触发脉冲, 此时线电压的最大值变为 Uba,由于 VT4 没有得到触发脉冲不能导通,而 Ubc 大于零,所以 VT2 导通,VT6 保持导通,输出电压 Ud=Ubc。此输出保持 60°。同理,此后输出电压依次等于 Uba、Uca、Ucb。 α在 0~60°范围内,输出电压 Ud 的波形是连续的,晶间管的导通角θ=120°保持不变(不随控制角α变化而变化)。 3 α=90° 设置 6 脉冲发生器的频率 50Hz，脉冲宽度为 20；三相电压大小 310V。

当 0≤α≤60°时,输出电压 Ud波形同电阻性负载时一样。当α>60°时,在线电压过零变负时,负载电感产生感应电势维持电流的存在,所以原来导通的晶闸管不会截止,继续保持导通状态。此时,输出电压 Ud 波形中有负电压。当α=90°时,电感为 20H 时波形图如下图 8 所示。可以明显发现测量电流与电压波形不在相似。图 8 α=90°6 脉波感性负载仿真图当改变电感大小时，可以明显发现测量电流曲线逐渐趋近于一条直线，如下，当 α=90°时,电感为 100H 时波形图如下图 9 所示。图 9 α=90°6 脉波感性负载较大仿真图在实际应用中,三相桥式全控整流电路控制角α的变化范围不宜宽(通常α<60°),因为控制角太大会使输入功率因数小、输入电流谐波分量大，对电网产生比较严重的干扰。 1.3 十二脉波阻性负载为更好理解十二脉波电路在阻性和感性负载下的电流电压波形变化，将分别改变负载类型观察。根据电路原理图 2，在 simulink 中作出相应的串联十二脉波整流阻性负载下的电路仿真模型如下图 10 所示。图 10 串联十二脉波整流阻性负载仿真模型 1.3.1 仿真参数设置三相电源电压设置为 310V，相位差分别为 0°、-120°、-240°，频率为 50Hz。变压器一次侧为 Y 型，二次侧分别为 Y 型和 D 型。同步 12 脉冲发生器频率为 50Hz，带宽为 20[4]。阻值为 100 欧姆。仿真时间设置为 0.05s。则电流与电压的波形如下图 11 所示。图 11 12 脉波阻性负载电流电压波形图若增加带宽大小，可发现波形有明显变化，若将带宽设为 50，则波形如下图 12 所示。图 12 12 脉波阻性负载增加带宽波形图十二脉波电路可近似看作是将将两个 6 脉波电路串联。在阻性负载下，由图 11 与图

12 可明显看出电流与电压在一定范围内会随着时间慢慢便稳定，而通过两图对比，若在一定范围内增加脉宽，在平稳时期电流与电压的变化范围会变小。 1.4 十二脉波感性负载在 simulink 中双击 Series RLC Branch，将 Branch type 设置为电感，电感大小为 0.5H。其相关仿真模型如下图 13 所示。图 15 12 脉波感性负载 20H 波形图十二脉波在感性负载下，电流呈现出逐渐增加的趋势，电压逐渐减小，但减小趋势会随着电感的增加而逐渐变得平缓。而且当电感增加到一定大小后，电流会显现出直线增长的趋势。此外电压变化会显得更加的稳定。 2 谐波含量对比分析图 13 串联十二脉波整流感性负载仿真模型在原本设定参数不变的情况下，将电感大小设置为 1H，带宽设置为 5。则电流电压波形如下图 14 所示。谐波含量（THD）指从交流量中减去基波分量后所得到的量。THD 也是功率比例关系，各次谐波功率值和与基波功率之比的百分比表示： ݑ炔݊떠떠炔⾬떠݁ݑ떠炔襠ּ⾬떠⾬= ⾬떠ּ炔咇襠ּ⾬떠⾬炔 THD 等效关系公式为： , THD= ʹ͵炔 t THD=ʹʹʹ͵ʹ炔ʹ tʹ THD=֐ʹ tʹ tʹ 。 , 图 14 12 脉波感性负载电流电压波形图若增加电感大小为 20H，则电流电压波形如下图 15 所示。 THD 近似测量公式为：随着电力电子应用的日益增加，大量谐波电流进入电网，会给电力系统带来大量危害，比如： ①造成继电保护误动作，危害电力系统稳定运行； ②造成电压畸变，引起电机振动和噪声，影响寿命； ③造成通讯电磁干扰。

由此便可看出探索谐波含量对电力统发展有着重要作用。 2.1 六脉波和十二脉波谐波分析对比由上文建模仿真分析，可知其中 12 脉波整流电路利用了整流压器输出侧电压相差 30°的特点，利用两个整流桥，使得输出整流电压在一个周期内脉动 12 次。由于各系统中引入大量非线性元件，仿真时使用了 OTB 刚性递推算法，加快了运算速度，减少了仿真时间。在并联 12 脉波运行时使用了平波电抗器，主要作用是将两个三项全控桥输出的电压解耦，各自承担部分电压，使得两个全控桥都能正常运行[5]。经过仿真得到了两种 THD 数据，均取自变压器进线侧：6 脉波 THD 为 0．124,12 脉波 THD 为 0．031；6 脉波整流桥的谐波总畸变率为 12．4％，而 12 脉波仅有 3．1％。由仿真波形图可以看出，12 脉动整流变压器侧电流更接近于正弦波形状，所含谐波电流较少；而 6 脉动整流变压器侧电流有明显的脉动形状。由仿真波形还可得出，六脉波对三的倍数次谐波有很好的抑制作用，对 6n+1 次谐波无抑制作用。总之，对于 12 脉波整流系统对主要次数谐波电流有着很好的抑制作用[6]。 3 变压器对比分析如果输出的电流是直流，则一般是软开关电源或逆变电源。脉波越多说明电压波动越小，每个周期有 12 个波峰。 (1)对于 6 脉波整流电路 ①供电的变压器是双绕组变压器,其二次线圈有 U、V、W 三个引出极。 ②6 脉波的是输出 3 相的变压器，相间相差 360/3=120 度 (2)对于 12 脉波整流电路 ①有专为 12 脉动波整流供电的变压器是三绕组变压器，二次线圈有六个引出极脉波整流电路，实际是二个绕组，一个绕组接成“Y”型接线，有一组 U、V、W 引出，另一个绕组接成“△"型接线，还有一组 U、 V、W 引出，该六个引出线与后面的整流装置结合组成 12 脉动波整流。 ②除此之外，还有用两台接线组别不同的变压器（如 Y,Yn0 和 Yd11），并列运行组成 12 脉动波整流变压器的情况。 ③12 脉冲的是输出 6 相的变压器，相间相差 360/6=60 度。有两种方式可以实现。 a：用两台输出三相的变压器组合成 6 相，原边相同，副边是一台星，一台角 b：直接用一台变压器，最简单的方式，副边两个绕组，一个绕组接星，一个绕组接三角。也可以用移相的方式得到 6 相。当然，也有用二台接线组别不同的变压器(如 Y， yn0 和 Yd11)并列运行组成 12 脉动波整流变压器组的情况。 4 总结本文利用 MATLAB 中的 simulink 对六脉波和十二脉波进行建模仿真，并改变带宽、阻性负载大小、感性负载大小和移向角大小等，得出不同波形图。并在电路的实现、控制方法，开关器件要求、谐波含量和变压器要求等方面对两种波形图进行了对比分析，并得出了相关结论。在整个论文的设计完成中，个人收益颇多，而对 MATLAB 的操作也有了进一步的提升，相信通过本次论文书写，必将获得与众不同的收获。参考文献 References: [1]. 何志朋, 三相十二脉波整流电路的技术分析. 科技经济导刊, 2018. 26(18): 第64-65 页. [2]. 杜华副主编孙克军主编, 电工入门七步走电工基础知识入门. 2015: 北京：中国电力出版社. [3]. 黄济清编著, 通信电源. 1995: 北京：北京邮电大学出版社. [4]. 王宇, 基于Matlab/Simulink的12脉波整流

电路谐波分析. 电气技术, 2013(10): 第25-27 页. [5]. 王剑超, 基于MATLAB的十二脉波整流与六脉波整流仿真电路的谐波比较. 机械管理开发, 2012(05): 第83-84+86页. [6]. 伍祚等, 三相十二脉波整流电路的技术研究. 电子技术, 2017. 46(5): 第9-10页.

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