三相桥式半控整流电路研究

0 前言

三相桥式全控整流电路时整流电路中最复杂，最难理解的部分。它不容易一次掌握，所以结合Simulink仿真，来分析一下这种整流电路的工作原理。

1 Simulink仿真模型的搭建

首先，需要在Matlab中下载Simulink，除此之外，还需要下载Simscape以及Simscape Electrical，这两个是Matlab中自带的仿真模型，用来模拟各种电路。本仿真主要使用Simscape Electrical中的Specialized Power Electronics模块来模拟三相桥式全控整流电路。

以上是本电路的拓扑结构，需要从库中获得6个晶闸管（Detailed Thyristor），5个脉冲信号（Pulse Generator），三个交流电压源（AC source），一个电阻（RLC Branch Series）。

三个交流电压源是用来模拟三相电压的，所以要设置他们的相位依次相差120°。

将基本电路如图搭建之后，就可以加上一些测量装置，用于测量电流、输出电压、脉冲信号等等的波形，最后用示波器来观察。整体的模型如下图所示。

2 电阻负载情况下，触发角为0度时

若想要触发角为0度，首先对脉冲信号做如下的设置，注意1-2-3-4-5-6的相位延迟依次差60°

• 30/360*0.02存在的原因是，触发应该在A相的30°相位之后才开始

之后打开示波器，点击运行仿真，就可以看到波形了。

从上到下的四个图依次表示：

• 线电压
• 相电压
• 输出电压$u_d$
• 输出电流$i_d$和触发信号

0触发角的情况，可以把晶闸管视为二极管

2.1 共阴极组换相分析

只分析稳态过程，从第二个周期第一次的换相（图中游标1）开始前，B和C的线电压是输出电压，导通的管子是$VT_5$和$VT_6$，将已经导通的管子视为导线，1、3、5三根管子的阴极电压此时均为$u_c$。在游标1所指示的时刻之后一点，出现$u_a > u_c$，所以此时$VT_1$具备了导通的条件，加上此时正好有一触发信号（第四张图蓝色信号），$VT_1$导通。导通后，1、3、5三管阴极处电压都变成了$u_a$，刚刚导通的$VT_5$开始承受反压，所以关断。这就是共阴极组的关断过程。

2.2 共阳极组换相分析

现在关注游标2，晶闸管2、4、6此时的阳极电压相同。在游标2之时时刻前一点时间，$u_c > u_b$，此时$VT_2$和$VT_6$谁开通（$VT_4$由于阴极电压为正，阳极电压为负，所以不可能导通），谁关断呢。可以通过假设的办法分析一下。假设$VT_2$是导通的，那么他就可以被看作导线，这也就使得$VT_6$的阳极电压为$u_c$，根据之前得到的电压关系，所以$VT_6$也具备开通条件，此时会导致线路短路，造成矛盾，因此这种假设错了。所以，触发之前是$VT_6$在导通（另一种假设同理）。

现在在游标2的时刻之后一点点，出现$u_c < u_b$，我们依然可以通过假设分析哪个管子应该导通或关断。假设$VT_2$导通了，那么共阳极组的阳极电压均为$u_c$，根据先前的电压关系，$VT_6$承受反压关断，这是合理的结论，因此此时$VT_2$开通。这就是$VT_6 -> VT_2$的换相过程。

2.3 $\alpha = 0$ 时的特点总结

主要有以下三点：

• 每个时刻都有两个晶闸管同时导通，一个来自共阴极组，一个来自共阳极组 不能为同一相
• 按1-2-3-4-5-6的顺序，晶闸管依次导通，相位相差60
• 观察输出电压，一个周期脉动六次（六脉波整流电路）

总结：共阴极组总是相电压最大的导通，共阳极组总是相电压最小的导通，总的输出电压时共阳极、共阴极包络线的差值，就是线电压的包络线。

3 电阻负载情况下，改变触发角为30、60、90度时

3.1 仿真出现问题——电流断续的处理方法

如果仅仅给触发角加30的相位，会发现结果与期望不符：

这里需要考虑暂态问题。第一次触发的时候，只有一个管子导通，整个电路处于断路。当第二个触发信号来到时，第一个晶闸管由于没有触发信号，也不能导通。导致电路始终是断路状态，不能正常工作。

需要保证同时导通的两个晶闸管都有脉冲，这时有两种办法。

• 宽脉冲触发：使脉冲宽度大于60°
• 双脉冲触发：用两个窄脉冲触发，前沿差为60°

3.2 30度触发角分析

这里采用窄脉冲触发，如下配置脉冲信号即可，修改脉冲宽度比（60°为17），同时修改触发角。

然后点击运行可以得到结果：

现在分析游标1 -> 2时刻的换相过程。1时刻迎来了触发信号1，所以$VT_1$导通，此后，根据之前的分析，共阳极管相电压最小的导通，所以此时输出电压应该是$u_{ab} = u_a - u_b$，接下来来到了自然换相点，，由于$VT_2$此时没有门极触发，所以不能导通，所以此时依然使相电压最小的$u_b$对应的$VT_6$导通，输出电压继续沿着$U_{ab}$继续向下，直到游标2，此时触发了$VT_2$，共阳极组的最小相电压立刻就变为了$u_c$，此时输出电压也就变成了$u_{ac} = u_a - u_c$。这就是它的换相过程以及波形原理。

3.3 60度触发角分析

调整参数到60度，同理可以得到类似的结果，分析方法一样。

此时，电流出现了等于0的点。接下来再看看将触发角增加到九十度会怎样。

3.4 90度触发角分析

调整参数后结果如下：

可以看出电流处于断续状态。注意，当电流低于擎住电流时，晶闸管也会自动关断。

3.5 电阻负载情况下的移相范围

如果继续增加触发角至120度，整流电压的输出波形就会变为全0，所以，阻感负载情况下的移相范围是 0 ~ 120°。

4 阻感负载情况

将RLC Branch series 的R修改为RL，设定为某一值，然后继续观察波形。

4.1 $\alpha<=60$时

电感主要起到续流作用，当 $\alpha<=60$ 时，电流处于连续工作状态，输出电压波形不会发生改变，与电阻负载情况一致。但是负载电流波形会受到影响，电感足够大时，负载电流会近似一根直线。下图是 $\alpha=30°$ 时的波形。

4.2 $60<\alpha<90$时

在这个区间，若为电阻负载，电流会出现断续，而由于电感的储能作用，此时电流不会发生突变，使得晶闸管继续开通，负载电压瞬时值出现负的部分。当$\alpha=90$时，正负抵消，电压输出的平均值为0，不再具有整流作用，所以阻感情况下的移相范围时0 ~ 90°。

增大一些电感得到下面的结果：

5 三相桥式全控整流电路分析技巧

无论是电阻负载，还是阻感负载，我们只需要记住：

• 无论是共阴极还是共阳极组，都是相电压大的导通
• 而相电压能不能加到负载上，取决于是否触发与何时触发（触发角）
• 电阻负载存在电流断续的情况，而阻感负载则不存在
• 输出电压平均值（面积）为0时就是移相范围的最值

6 结语

希望本文能够为大家加深理解三相桥式全控整流电路的工作原理起到帮助！