第27卷第3期 南昌大学学报·工科版 Vol 27 Na 3 2005年9月 Joumal ofN anchang Un versity(Engneering Techno bgy) Sept 2005 文章编号：1006-0456(2005)03-0096-03 整流电路输出特性的分析与仿真 王淳，张忠城，朱玉梅 (南昌大学信息工程学院，江西南昌330029 摘要：整流电路是同步发电机励磁系统中的一个重要环节，它对电力系统运行有着极其重要的影响.本文在对 三相桥式全控整流电路的输出电压与导通角及负载特性的关系进行分析的基础上，采用Mtlb的可视化的仿真工 具Smuk对其进行了仿真研究.结果表明：仿真的输出电压波形与电路分析方法得到的结果具有很好的一致性； 采用M athb/S iu link的可视化仿真可以使复杂电路的分析变得非常直观、快捷、方便，它可以替代实际的电路实 验，并可将其应用于电路的设计、调试等过程中 关键词：整流电路：输出电压；导通角：负载特性：仿真 中图分类号：TM13 文献标识码：A 同步发电机励磁系统中整流电路的主要任务是 将交流电压整流成直流电压供给发电机励磁绕组或 励磁机的励磁绕组.整流电路是励磁系统中必备的 本本本 部件，它对电力系统运行有着重要的影响1).常用 3/ 的整流电路有：三相桥式不可控整流电路、三相桥式 半控整流电路、三相桥式全控整流电路山.从原理 上来说，可认为三相桥式不可控整流电路和三相桥 4本6本本 式半控整流电路是三相桥式全控整流电路的特例 图1三相桥式全控整流电路的原理图 (例如三相桥式不可控整流电路是三相桥式全控整 时的输出电压波形如图2中的(b)~(d)所示，输出 流电路导通角α为0时的特例).整流得到的直流 电压的平均值U4与导通角a的关系如式(1)所示. 电压的质量取决于整流环节的元件特性及参数，因 输出电压的平均值随a增大而减小.在a90时，输出平均电压为负，三相全控桥工作在逆 阻、电容、电感和晶闸管等多种元件，传统的电路分 变状态 析方法显得相当繁琐，应该尝试采用新的分析手段. Ua 1 35E cosa (1) 1整流电路的工作原理 式中：E为输入的线电压；U:为输出电压的平均值. 输出电压波形不仅受控于导通角α同时负载 图1为三相桥式全控整流电路的原理图.e 的特性也会影响输出电压的波形.对电感性负载来 e。e.分别代表三相输入电压.按1-2-3-4-5- 说由于其自身的储能作用，在0≤a≤π的整个区 6-1的顺序依次给6个晶闸管发触发脉冲，两个触 发脉冲之间互差60°，晶闸管受控于触发脉冲及两 间，其输出电压都连续对电阻性负载而言，α时输出电压波形出现间断其 全控整流电路通过调节导通角α控制输出电 输出电压平均值计算如(2)式图2中的(e)给出了 压.图2中的()给出了输入的三相电压波形，在纯 纯电阻性负载、导通角ā=90时的输出电压波形. 感性负载的情况下，对应着导通角a=0°、60°、90° U.=L35E[1+cs(3+a)1 (2) 收搞日期：2004-11-08 c芳荷手淳(9之男，刷教授，博土ecro Publishing House..All rights reserved..t http://www.cnki.net
收稿日期: 2004- 11- 08 作者简介: 王淳 ( 1963- ), 男, 副教授, 博士 文章编号: 1006- 0456( 2005) 03- 0096- 03 整流电路输出特性的分析与仿真 王淳, 张忠城, 朱玉梅 (南昌大学 信息工程学院, 江西 南昌 330029) 摘要: 整流电路是同步发电机励磁系统中的一个重要环节, 它对电力系统运行有着极其重要的影响. 本文在对 三相桥式全控整流电路的输出电压与导通角及负载特性的关系进行分析的基础上, 采用 M atlab的可视化的仿真工 具 S imu link对其进行了仿真研究. 结果表明: 仿真的输出电压波形与电路分析方法得到的结果具有很好的一致性; 采用 M atlab /S imu link的可视化仿真可以使复杂电路的分析变得非常直观、快捷、方便, 它可以替代实际的电路实 验, 并可将其应用于电路的设计、调试等过程中. 关键词: 整流电路; 输出电压; 导通角; 负载特性; 仿真 中图分类号: TM13 文献标识码: A 同步发电机励磁系统中整流电路的主要任务是 将交流电压整流成直流电压供给发电机励磁绕组或 励磁机的励磁绕组. 整流电路是励磁系统中必备的 部件, 它对电力系统运行有着重要的影响 [ 1, 2] . 常用 的整流电路有: 三相桥式不可控整流电路、三相桥式 半控整流电路、三相桥式全控整流电路 [ 1] . 从原理 上来说, 可认为三相桥式不可控整流电路和三相桥 式半控整流电路是三相桥式全控整流电路的特例 (例如三相桥式不可控整流电路是三相桥式全控整 流电路导通角 为 0时的特例 ). 整流得到的直流 电压的质量取决于整流环节的元件特性及参数, 因 此有必要对它们之间的关系进行分析研究. 由于整 流电路牵涉到交流、直流及触发信号; 同时包含着电 阻、电容、电感和晶闸管等多种元件, 传统的电路分 析方法显得相当繁琐, 应该尝试采用新的分析手段. 1 整流电路的工作原理 图 1为三相桥式全控整流电路的原理图. ea, eb, ec分别代表三相输入电压. 按 1- 2- 3- 4- 5- 6- 1的顺序依次给 6个晶闸管发触发脉冲, 两个触 发脉冲之间互差 60, 晶闸管受控于触发脉冲及两 极的电压. 整流后的电压加在负载 R、L 两端. 2 输出电压与导通角及负载特性关系 全控整流电路通过调节导通角 控制输出电 压. 图 2中的 ( a)给出了输入的三相电压波形, 在纯 感性负载的情况下, 对应着导通角 = 0、60、90 图 1 三相桥式全控整流电路的原理图 时的输出电压波形如图 2中的 ( b) ~ ( d)所示, 输出 电压的平均值 Ud 与导通角 的关系如式 ( 1)所示. 输出电压的平均值随 增大而减小. 在 90时, 输出平均电压为负, 三相全控桥工作在逆 变状态. Ud = 1. 35E cos ( 1) 式中: E为输入的线电压; Ud 为输出电压的平均值. 输出电压波形不仅受控于导通角 , 同时负载 的特性也会影响输出电压的波形. 对电感性负载来 说, 由于其自身的储能作用, 在 0 的整个区 间, 其输出电压都连续. 对电阻性负载而言, 3 时输出电压波形连续, 其输出电压平均值可按式 ( 1)进行计算; > 3 时输出电压波形出现间断, 其 输出电压平均值计算如 ( 2)式. 图 2中的 ( e)给出了 纯电阻性负载、导通角 = 90时的输出电压波形. Ud = 1. 35E [ 1+ cos( 3 + ) ] ( 2) 第 27卷第 3期 2005年 9月 南昌大学学报 工科版 Journal o fN anchang Un iversity( Eng ineering& Techno logy) Vo.l 27 No. 3 Sept. 2005
第3期 王淳等：整流电路输出特性的分析与仿真 ·97 3 M atlab/S in ulink仿真 Matb除了强大的数值计算功能外，还有强大 的仿真功能，即Simnu link建模与仿真.Sinulink是 M atlab软件中的一个附加组件，这个组件提供了一 个系统的建模与动态仿真工具平台，其中包含了丰 富的仿真模块到.可用于电力系统仿真的Power System Bbck Library(电力系统元件库)模块就位于 其中，该模块包括了电力系统的许多元件.以下详述 如何利用Pow er System Block L brary模块进行三相 全控整流电路的仿真 3.1仿真模型及参数设置 仿真模型的建立：从电力系统元件库中把三相 交流电源、通用整流桥、六脉冲信号发生器、常量等 元件拖出来，并按照图1所示的工作原理将它们连 接起来将万用表、示波器、电压测量器等一些测量 用器件从元件库中拖出来并连接到需要测量的端 口.通过上述两个步骤建立的全控整流电路的仿真 模型如图3所示 参数设置：三相电源是由三个单相交流电源组 成、每个单相幅值相同(1000V)、相角差为120°、频 率为50Hz通用整流桥选用三个桥臂晶闸管，ABC 为输入端，Snubber resistance(缓冲阻抗)：1O002, Snubber Capac itance(缓冲电容)片01e-3F,Rom(电 阻)：Ie-62,Lon(电感)：H,Forw ard voltage(正 图2三相桥式全控整流电路输出电压与 控制角及负载特性的关系 向电压：O9V,Pow er Electonic device(电力电子 设备)：Thyristors信号发生器的频率与三相电源相 (a)输入电压； (b)a=0°、纯电感负载时输出电压； 同，宽度为20 degrees负载的阻抗(Resistance)、电 (c)a=60、,纯电感负载时输出电压； 感(Inductance)、电容(Capacitance)为l2、4e-3H、 (d)α=90°、纯电感负载时输出电压； nf另外每一元件都有M easurements只要选择要测 (e)a=90、纯电阻负载时输出电压 量的参数（电压、电流等），在万用表中把要测量的 参数移到Selected M easurm en ts(选择测量)，则与万 pulse alphe_deg 30 AB Universal Bridge BC palse CA Block Synchronized Scope l 6-Pulse Generator Multimeter Scope2 图3全控整流电路的仿真图 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved. http://www.cnki.net
图 2 三相桥式全控整流电路输出电压与 控制角及负载特性的关系 ( a) 输入电压; ( b) = 0、纯电感负载时输出电压; ( c) = 60、纯电感负载时输出电压; ( d) = 90、纯电感负载时输出电压; ( e) = 90、纯电阻负载时输出电压 3 M atlab /S imulink仿真 M atlab除了强大的数值计算功能外, 还有强大 的仿真功能, 即 Simu link 建模与仿真. S imulink 是 M a tlab软件中的一个附加组件, 这个组件提供了一 个系统的建模与动态仿真工具平台, 其中包含了丰 富的仿真模块 [ 3] . 可用于电力系统仿真的 Pow er System B lock Library (电力系统元件库 )模块就位于 其中, 该模块包括了电力系统的许多元件. 以下详述 如何利用 Pow er System B lock L ibrary模块进行三相 全控整流电路的仿真. 31 仿真模型及参数设置 仿真模型的建立: 从电力系统元件库中把三相 交流电源、通用整流桥、六脉冲信号发生器、常量等 元件拖出来, 并按照图 1所示的工作原理将它们连 接起来. 将万用表、示波器、电压测量器等一些测量 用器件从元件库中拖出来并连接到需要测量的端 口. 通过上述两个步骤建立的全控整流电路的仿真 模型如图 3所示. 参数设置: 三相电源是由三个单相交流电源组 成、每个单相幅值相同 ( 1 000 V )、相角差为 120、频 率为 50 Hz. 通用整流桥选用三个桥臂晶闸管, ABC 为输入端, Snubber resistance(缓冲阻抗 ): 1 000 , Snubber Capac itance(缓冲电容 ): 0. 1e- 3F, Ron(电 阻 ): 1e- 6 , Lon(电感 ): 0H, Forw ard vo ltage(正 向电压 ): 0. 9 V, Pow er E lectronic device(电力电子 设备 ): Thyristo rs. 信号发生器的频率与三相电源相 同, 宽度为 20 degrees. 负载的阻抗 ( Resistance)、电 感 ( Inductance)、电容 ( Capacitance)为 1、4e- 3H、 in.f 另外每一元件都有 M easurements, 只要选择要测 量的参数 (电压、电流等 ), 在万用表中把要测量的 参数移到 SelectedM easuremen ts(选择测量 ), 则与万 图 3 全控整流电路的仿真图 第 3期 王淳等: 整流电路输出特性的分析与仿真 97
·98 南昌大学学报·工科版 2005年 图4中的(e)给出了电阻性负载、导通角a= 90°时的输出电压仿真波形，这个波形与采用电路 (输入电压波形 分析得出的波形（图2中的（©）)相一致，即导通和 截止时间各一半.根据式(2)计算得到的输出电压 平均值为2558V(线电压为1000/2V,导通角a= b)=O°，纯电感负载时输出电压被形 90°)也能在图4(e)中观察到. 4结论 (©)=60°，纯电感负载时输出电压波形 本文在对三相桥式全控整流电路的输出电压与 N 导通角以及负载特性的关系进行分析的基础上，成 da=90纯电感负载时输出电压波形 功地运用M atlab/Smu link可视化的仿真环境，仿真 和分析了三相桥式全控整流电路的导通角和负载特 性对输出电压的影响.通过对两者的结果比较，验证 @):=90°纯电阻负载时输出电压波形 了仿真结果的正确性.同时得到了以下二点启示： 图4仿真的输入输出电压波形 I)运用M atlab/Siu lnk仿真可避免常规电路 用表连接的示波器就会显示出该参数的波形，因此 分析方法的繁琐计算和绘图过程，提高工作效率. 要想得到某一元件的波形只要改变万用表的参数设 2)与其它仿真软件相比，M atlab/Siulink具有 置即可.最后在Simnulation下拉菜单中选择运行时 直观、方便、灵活、人机界面友好等优点.在仿真中可 间(01s和所用计算积分类型(ode15【1. 以灵活改变仿真参数，并能形象直观地观察到仿真 结果随参数的变化情况 3.2仿真结果 321输出电压与导通角的关系 参考文献： 按照上述设置的参数，当负载固定不变且为纯 电感，将导通角a分别设置为0°60°、90时得出的 [1]杨冠城.电力系统自动装置原理M.上海：上海交 通大学出版社，1994 仿真输出电压波形与导通角α的关系如图4中的 [2]赵良炳.现代电力电子技术基础[M].北京：清华大 (b)~（d)所示.从图4与图2相应图的对比中可以 学出版社，2003 清楚地看到：图4的仿真结果与图2的分析结果非 [3】姚俊，马松辉.Sinu link建模与仿值[M1.西安：西安 常一致.另外，根据式(1)，取线电压为1000J2V,在 电子科大出版社，2002 导通角a=0°、60°、90时，其输出电压的平均值U4 [4]吴天明，谢小竹，彭彬.MATALB电力系统设计与分 依次为1908995450V,这一计算结果也与图4 析[M].北京：国仿工业出版社，2004 中观察到的结果相吻合 [5]王学辉，张明辉.M ATLAB61最新应用详解[M] 北京：中国水利水电出版社，2002 322输出电压与负载特性的关系 Analysis and Siulation of Output Characteristics of a Rectifier Circuit WANG Chun ZHANG Zhong-cheng ZHU Yu-mei (School of Infomation Eng neering,Nanchang University,Nanchang 330029 China) Abstract The rectifier circuit is an iportant part of he excitation system n a synchronous generator It has sgnificant effect on pow er systen.In his paper on the basis of circuit ana lysis the relationsh ps bet een the out put voltage and flw angle and load characteristics n the three-phase brilge fu lly con trolled rectifier circuitwere stud ied usng siulation so fw are Siulink based on MATLAB The resu lts sho hat vo ltagew avefom of both si- u lation and c ircu it analysis is ilentical M atlab/Siulink prov ides an effective and conven ien tme hod for siu lation and ana lysis of the complicated circuits And it can be used to rep lace circuit experin ent and app lied in the design and adjusment of circuits Key Words efer ciuu puput ophoad chracertit http://www.cnki.net
图 4 仿真的输入输出电压波形 用表连接的示波器就会显示出该参数的波形, 因此 要想得到某一元件的波形只要改变万用表的参数设 置即可. 最后在 S imulation 下拉菜单中选择运行时 间 ( 0. 1 s)和所用计算积分类型 ( ode15) [ 4, 5] . 32 仿真结果 3. 2. 1 输出电压与导通角的关系 按照上述设置的参数, 当负载固定不变且为纯 电感, 将导通角 分别设置为 0、60、90时得出的 仿真输出电压波形与导通角 的关系如图 4中的 ( b) ~ ( d)所示. 从图 4与图 2相应图的对比中可以 清楚地看到: 图 4的仿真结果与图 2的分析结果非 常一致. 另外, 根据式 ( 1), 取线电压为 1000 2V, 在 导通角 = 0、60、90时, 其输出电压的平均值 Ud 依次为 1 908. 9、954. 5、0 V, 这一计算结果也与图 4 中观察到的结果相吻合. 3. 2. 2 输出电压与负载特性的关系 图 4中的 ( e) 给出了电阻性负载、导通角 = 90时的输出电压仿真波形, 这个波形与采用电路 分析得出的波形 (图 2中的 ( e) )相一致, 即导通和 截止时间各一半. 根据式 ( 2 )计算得到的输出电压 平均值为 255. 8 V (线电压为 1 000 2V, 导通角 = 90)也能在图 4( e)中观察到. 4 结论 本文在对三相桥式全控整流电路的输出电压与 导通角以及负载特性的关系进行分析的基础上, 成 功地运用 M atlab /S imu link可视化的仿真环境, 仿真 和分析了三相桥式全控整流电路的导通角和负载特 性对输出电压的影响. 通过对两者的结果比较, 验证 了仿真结果的正确性. 同时得到了以下二点启示: 1) 运用 M atlab /S imu link 仿真可避免常规电路 分析方法的繁琐计算和绘图过程, 提高工作效率. 2) 与其它仿真软件相比, M atlab /Simu link具有 直观、方便、灵活、人机界面友好等优点. 在仿真中可 以灵活改变仿真参数, 并能形象直观地观察到仿真 结果随参数的变化情况. 参考文献: [ 1] 杨冠城. 电力系统自动装置原理 [M ]. 上海: 上海交 通大学出版社, 1994. [ 2] 赵良炳. 现代电力电子技术基础 [M ]. 北京: 清华大 学出版社, 2003. [ 3] 姚俊, 马松辉. S imu link建模与仿值 [M ]. 西安: 西安 电子科大出版社, 2002. [ 4] 吴天明, 谢小竹, 彭彬. MATALB 电力系统设计与分 析 [M ] . 北京: 国仿工业出版社, 2004 [ 5] 王学辉, 张明辉. MATLAB 6. 1 最新应用详解 [M ]. 北京: 中国水利水电出版社, 2002 Analysis and Simulation of Output Characteristics of a Rectifier C ircuit WANG Chun, ZHANG Zhong- cheng, ZHU Yu- mei ( School of Information Eng ineering, Nanchang University, Nanchang 330029, China ) Abstract: The rectifier c ircuit is an important part of the excitation system in a synchronous genera tor. It has significan t e ffect on pow er system. In th is paper, on the basis of c ircuit ana lysis, the relationsh ips betw een the out put vo ltage and flow ang le and load characteristics in the three- phase bridge fu lly con tro lled rectifier circuitw ere stud ied using simulation so ftw are S imulink based on MATLAB. The resu lts show that vo ltagew aveform of both sim u lation and c ircu it ana lysis is identica.l M atlab /S imulink prov ides an effective and conven ien tme thod fo r simu lation and ana lysis o f the complicated c ircuits. And it can be used to rep lace circuit experim ent and app lied in the design and adjustmen t o f circuits. K ey W ords: rectifier circui;t output vo ltage; flow angle; load characteristics; simulation 98 南昌大学学报 工科版 2005年