基于MATLAB的整流电路仿真分析设计.docx

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基于MATLAB的整流电路仿真分析设计

基于MATLAB的整流电路仿真分析设计

密级：

公开

科学技术学院

NANCHANGUNIVERSITYCOLLEGEOF

SCIENCEANDTECHNOLOGY

学士学位论文

THESISOFBACHELOR

（2008—2012年）

题目基于MATLAB的整流电路仿真分析

学科部：

专业：

班级：

学号：

学生姓名：

指导教师：

起讫日期：

摘要Ⅰ

AbstractⅡ

第一章三相桥式全控整流电路的仿真1

1.1电路的构成及工作特点1

1.2建模及仿真2

1.3参数设置及仿真3

1.4故障分析4

1.5小结5

第二章基于MATLAB的单相桥式整流电路仿真分析6

2.1　单相桥式半控整流电路6

2.2单相桥式半控整流电路带纯电阻性负载情况8

2.3单相桥式全控整流电路12

2.4单相桥式全控整流电路带纯电阻性负载情况14

2.5单相桥式全控整流电路带电阻电感性负载情况16

结论18

参考文献：

19

致谢20

基于MATLAB的整流电路仿真分析

专业：

　　学号：

　姓名：

　　指导老师：

摘要：

随着社会生产和科学技术的发展，整流电路在自动控制系统、测量系统和发电机励磁系统等领域的应用日益广泛。

常用的整流电路有三相桥式全控整流电路和单相桥式可控电路。

由于整流电路涉及到交流信号、直流信号以及触发信号，同时包含晶闸管、电容、电感、电阻等多种元件，采用常规电路分析方法显得相当繁琐，高压情况下实验也难顺利进行。

Ｍatlab提供的可视化仿真工具Simulink可直接建立电路仿真模型，随意改变仿真参数，并且立即可得到任意的仿真结果，直观性强，进一步省去了编程的步骤。

本文利用Simulink对三相桥式全控整流电路进行建模，对不同控制角、桥故障情况下进行了仿真分析。

对单相桥式可控整流电路的相关参数和不同性质负载的工作情况进行对比分析与研究，既进一步加深了三相桥式全控整流电路和单相桥式可控整流电路的理论，同时也为现代电力电子实验教学奠定良好的实验基础。

关键词：

三相桥式全控整流电路，单相桥式半控整流，单相桥式全控整流，建模，仿真　

MATLAB-basedsimulationanalysisoftherectifiercircuit

Abstract:

Withthesocialproductionandscientificandtechnologicaldevelopment,therectifiercircuitintheautomaticcontrolsystem,measurementsystemandgeneratorexcitationsystem,andotherfieldsincreasinglywidespread.Commonlyusedthree-phasebridgerectifiercircuitwithfull-controlledsingle-phasebridgerectifiercircuitandcontrolcircuit.Astherectifiercircuitinvolvestheexchangeofsignals,DCsignalsandtriggersignals,includingthyristors,capacitors,inductors,resistorsandothercomponents,usingconventionalcircuitanalysismethodappearedtobequitecomplicated,high-pressuresituationsisdifficulttoexperimentscarriedoutsmoothly.MatlabprovidesavisualsimulationtoolSimtlinkcircuitsimulationmodelcanbedirectlysetup,freetochangesimulationparametersandimmediatelyavailabletoanyofthesimulationresults,intuitive,eliminatingtheneedforfurtherprogrammingsteps.Inthispaper,Simulinkfullcontrolofthree-phasebridgerectifiercircuitmodel,fordifferentcontrolangle,thebridgeunderfaultconditionsweresimulatedanalysis.Controlledsingle-phasebridgerectifiercircuitparametersandthedifferentnatureoftheworkloadofthecomparativeanalysisandresearch,bothtofurtherdeepenthethree-phasefull-controlledbridgerectifiercircuitandcontrolledsingle-phasebridgerectifiercircuittheory,whileformodernpowerelectronicsexperimentexperimentalteachinglayagoodfoundation.

Keywords:

Fully-controlled,three-phase,bridge,rectifier,circuit,single-phase,half-controlledrectifierbridge,single-phasefull-controlledbridge,rectifiermodeling,simulation

第一章三相桥式全控整流电路的仿真

　　随着社会生产和科学技术的发展，整流电路在自动控制系统、测量系统和发电机励磁系统等领域的应用日益广泛。

常用的三相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和三相桥式全控整流电路，由于整流电路涉及到交流信号、直流信号以及触发信号，同时包含晶闸管、电容、电感、电阻等多种元件，采用常规电路分析方法显得相当繁琐，高压情况下实验也难顺利进行。

Matlab提供的可视化仿真工具Simtlink可直接建立电路仿真模型，随意改变仿真参数，并且立即可得到任意的仿真结果，直观性强，进一步省去了编程的步骤。

本文利用Simulink对三相桥式全控整流电路进行建模，对不同控制角、桥故障情况下进行了仿真分析，既进一步加深了三相桥式全控整流电路的理论，同时也为现代电力电子实验教学奠定良好的实验基础。

1.1电路的构成及工作特点　　

三相桥式全控整流电路原理图如图1所示。

三相桥式全控整流电路是由三相半波可控整流电路演变而来的，它由三相半波共阴极接法（VT1，VT3，VT5）和三相半波共阳极接法（VT1，VT6，VT2）的串联组合。

图1三相桥式全控整流电路原理图

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导通，必须对不同组别应到导通的一对晶闸管同时加触发脉冲，所以触发脉冲的宽度应大于π／3的宽脉冲。

宽脉冲触发要求触发功率大，易使脉冲变压器饱和，所以可以采用脉冲列代替双窄脉冲；每隔π／3换相一次，换相过程在共阴极组和共阳极组轮流进行，但只在同一组别中换相。

接线图中晶闸管的编号方法使每个周期内6个管子的组合导通顺序是VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6；共阴极组T1，T3，T5的脉冲依次相差2π／3；同一相的上下两个桥臂，即VT1和VT4，VT3和VT6，VT5和VT2的脉冲相差π，给分析带来了方便；当α=O时，输出电压Ud一周期内的波形是6个线电压的包络线。

所以输出脉动直流电压频率是电源频率的6倍，比三相半波电路高l倍，脉动减小，而且每次脉动的波形都一样，故该电路又可称为6脉动整流电路。

同理，三相半波整流电路称为3脉动整流电路。

α>0时，Ud的波形出现缺口，随着α角的增大，缺口增大，输出电压平均值降低。

当α=2π／3时，输出电压为零，所以电阻性负载时，α的移相范围是O～2π／3；当O≤α≤π／3时，电流连续，每个晶闸管导通2π／3；当π／3≤α≤2π／3时，电流断续，个晶闸管导通小于2π／3。

23α=π／3是电阻性负载电流连续和断续的分界点。

1.2建模及仿真

根据三相桥式全控整流电路的原理可以利用Simulink内的模块建立仿真模型如图2所示。

设置三个交流电压源Va，Vb，Vc相位角依次相差120°，得到整流桥的三相电源。

用6个Thyristor构成整流桥，实现交流电压到直流电压的转换。

6个pulsegenerator产生整流桥的触发脉冲，且从上到下分别给1～6号晶闸管触发脉冲。

图2三相桥式全控整流电路仿真模型

1.3参数设置及仿真

三相电源的相位互差120°，交流峰值电压为l00V，频率为50Hz。

晶闸管的参数为：

Rn=0．001Ω，Lon=0．0001H，Vf=0V，Rs=50Ω，Cs=250×10-9。

负载电阻性设R=45Ω，电感性负载设L=1H。

脉冲发生器脉冲宽度设置为脉宽的50％，脉冲高度为5V，脉冲周期为0．0167s，脉冲移相角随着控制角的变化对“相位角延迟”进行设置。

根据三相桥式全控整流电路的原理图，对不同的触发角α会影响输出电压进行仿真，负载为阻感特性。

从以上仿真波形图可知改变不同的控制角，输出电压在发生不同的变化。

（1）当触发角α=0°时的输出电压波形如图3所示。

图3触发角α=0°时的输出电压波形图

（2）当触发角α=60°时的输出电压波形如图4所示。

图4触发角α=60°时的输出电压波形图

（3）当触发角α=90°时的输出电压波形如图5所示。

图5触发角α=90°时的输出电压波形图

1.4故障分析

由于高压强电流的情况，整流电路晶闸管很容易出现故障。

假设以下情况对故障现象进行仿真分析，当α=30°，负载为阻感性时，仿真分析故障产生的波形情况。

（1）只有一个晶闸管故障波形如图6所示。

图6 一个晶闸管故障波形图

（2）同一相的两个晶闸管故障波形如图7所示。

图7同一相的两个晶闸管故障波形图

（3）不同桥且不同相的两个晶闸管发生故障时的仿真波形如图8所示。

图8不同桥但不同相的两个晶闸管故障波形图

从以上故障仿真波形图来看，不同的晶闸管出现故障时，产生的波形图是不一样的，所以，通过动态仿真能有效知道整流电路出现故意时候的工作情况，同时也加深对三相全控整流电路的理解和运用。

1.5小结　　

通过仿真和分析，可知三相桥式全控整流电路的输出电压受控制角α和负载特性的影响，文中应用Matlab的可视化仿真工具simulink对三相桥式全控整流电路的仿真结果进行了详细分析，并与相关文献中采用常规电路分析方法所得到的输出电压波形进行比较，进一步验证了仿真结果的正确性。

采用Matlab／Simulink对三相桥式全控整流电路进行仿真分析，避免了常规分析方法中繁琐的绘图和计算过程，得到了一种直观、快捷分析整流电路的新方法。

应用Matlab／Simulink进行仿真，在仿真过程中可以灵活改变仿真参数，并且能直观地观察到仿真结果随参数的变化情况。

第2章　基于MATLAB的单相桥式整流电路仿真分析

整流电路尤其是单相桥式可控整流电路是电力电子技术中最为重要，也是应用得最为广泛的电路，不仅应用于一般工业，也广泛应用于交通运输、电力系统、通信系统、能源系统等其他领域。

因此对单相桥式可控整流电路的相关参数和不同性质负载的工作情况进行对比分析与研究具有很强的现实意义，不仅是电力电子电路理论学习的重要一环，而且对工程实践的实际应用具有预测和指导作用。

2.1　单相桥式半控整流电路

图9中VT1和VT2为触发脉冲相位互差180◦的晶闸管，VD1和VD2为整流二极管，由这四个器件组成单相桥式半控整流电路。

电阻R和电感L为负载，若假定电感L足够大，即ωL≥R，由于电感中电流不能突变，可以认为负载电流在整个稳态工作过程中保持恒值。

由于桥式结构的特点，只要晶闸管导通，负载总是加上正向电压，而负载电流总是单方向流动，因此桥式半控整流电路只能工作在第一象限，因为ωL≥R，所以不论控制角α为何值，负载电流id的变化很小。

图9单相桥式半控整流电路原理

在u2正半周，触发角α处给晶闸管VT1施加触发脉冲，u2经VT1和VD4向负载供电。

u2过零变负时，因电感作用电流不再流经变压器二次绕组，而是由VT1和VD2续流。

此阶段若忽略器件的通态压降则负载压降ud不会出现负的情况。

在u2负半周触发角α时刻，VT2与VD3触发导通，同时向VT1施加反向电压并使之关断，u2经VT2和VD3向负载供电。

u2过零变正时，VD4导通，VD3关断。

VT1和VD4续流，负载压降ud又变为零。

根据上述分析，可求出输出负载电压平均值为：

（1）

α角的移相范围为180°。

输出电流的平均值为：

（2）

流过晶闸管的电流平均值只有输出直流平均值的一半，即：

（3）

流过晶闸管的电流有效值：

（4）

单相桥式半控整流电路的仿真模型如图10所示。

图10单相桥式半控整流电路的仿真模型

2.2单相桥式半控整流电路带纯电阻性负载情况

相应的参数设置：

①交流电压源参数U=100V，f=50Hz；②晶闸管参数Rn=0.001Ω，Lon=0H，Vf=0.8V，Rs=10Ω，Cs=250e-6F；③负载参数R=10Ω，L=0H，C=inf；④脉冲发生器触发信号1、2的振幅为5V，周期为0.02s（即频率为50Hz），脉冲宽度为15%。

  设置触发信号1的初相位为0s（即0◦），触发信号2的初相位为0.01s（即180◦），此时的仿真结果如图11（a）所示；设置触发信号1的初相位为0.0025s（即45◦），触发信号2的初相位为0.0125s（即225◦），此时的仿真结果如图11（b）所示。

图11带纯电阻性负载单相桥式半控整流电路的仿真模型

（a）控制角为0◦

图11带纯电阻性负载单相桥式半控整流电路的仿真模型

（b）控制角为45◦

2.3单相桥式半控整流电路带电阻电感性负载情况

带电阻电感负载的仿真与带纯电阻负载的仿真方法基本相同，只需将RLC串联分支负载参数设置为R=1Ω，L=0.01H，C=inf。

此时的仿真结果分别如图12（a）、图12（b）所示。

图12带电阻电感性负载单相桥式半控整流电路的仿真模型

（a）控制角为0◦

图12带电阻电感性负载单相桥式半控整流电路的仿真模型

（b）控制角为45◦

2.3单相桥式全控整流电路

单相可控整流电路中应用最多的是单相桥式全控整流电路，如图13所示。

在单相桥式全控整流电路中，每一个导电回路中有2个晶闸管，即用2个晶闸管同时导通以控制导电的回路。

图13单相桥式全控整流电路

上文已经就单相桥式半控整流电路在纯电阻性负载时进行了较为详尽的分析，而且全控电路与半控电路在纯电阻性负载时的工作情况基本一致，同时晶闸管承受的最大正向电压和反向电压也同前述电路相同，分别为

和

。

   以下重点分析带电阻电感负载时的工作情况。

   VT1和VT4组成一对桥臂，在u2正半周（即a点电位高于b点电位）承受电压u2，若在触发角α处给晶闸管VT1和VT4施加触发脉冲使其开通，电流从电源a端经VT1、R、VT4流回电源b端，ud=u2。

在u2过零时关断。

假设电路已工作于稳态，id的平均值不变。

负载中有电感时电流不能突变，电感对负载电流起平波作用，假设负载电感很大，负载电流id连续且近似为一水平直线，u2过零变负时，由于电感的作用晶闸管VT1和VT4中仍流过电流id，并不关断。

   VT2和VT3组成另一对桥臂，在u2正半周承受电压-u2，至ωt=π+α时刻，给VT2和VT3施加触发脉冲，因为VT2和VT3本已经承受正向电压，故两管导通。

在u2过零时关断。

VT2和VT3导通后，分别给VT4和VT1施加反向电压使其关断。

流过VT1和VD4的电流迅速转移到VT2和VT3上，此过程称为换相，亦称换流。

在下一周期重复相同过程，如此循环。

若4个晶闸管均不导通，则负载电流id为零，负载电压ud也为零。

根据上述分析，可求出输出负载电压平均值为：

（5）

晶闸管移相范围为90°。

晶闸管承受的最大正反向电压均为。

晶闸管导通角θ与α无关，均为180°。

电流的平均值和有效值分别为：

（6）

（7）

变压器二次侧电流i2的波形为正负各180°的矩形波，其相位由α决定，有效值i2=id。

带电阻电感性负载单相桥式全控整流电路的仿真模型如图14所示。

图14单相桥式半控整流电路的仿真模型

2.4单相桥式全控整流电路带纯电阻性负载情况

带纯电阻性负载情况相应的参数设置与前述单相桥式半控整流电路相同。

设置触发信号1和触发信号4的初相位为0s（即0◦），触发信号2和触发信号3的初相位为0.01s（即180◦），此时的仿真结果如图15（a）所示；设置触发信号1和触发信号4的初相位为0.005s（即90◦），触发信号2和触发信号3的初相位为0.015s（即270◦），此时的仿真结果如图15（b）所示。

图15带纯电阻性负载单相桥式半控整流电路的仿真模型

（a）控制角为0◦

图15带纯电阻性负载单相桥式半控整流电路的仿真模型

（b）控制角为90◦

2.5单相桥式全控整流电路带电阻电感性负载情况

带电阻电感负载的仿真与带纯电阻负载的仿真方法基本相同，只需将RLC串联分支设置为电阻电感性负载，即负载参数设置为R=1Ω，L=0.01H，C=inf。

此时的仿真结果分别如图16（a）、图（b）所示。

图16带电阻电感性负载单相桥式半控整流电路的仿真模型

（a）控制角为0◦

图16带电阻电感性负载单相桥式半控整流电路的仿真模型

（b）控制角为90◦

2.6小结

本章在对单相桥式可控整流电路理论分析的基础上，利用MATLAB面向对象的设计思想和自带的电力系统工具箱，建立了基于MATLAB/Simulink的单相桥式可控整流电路的仿真模型，并对其进行了对比分析研究。

对于电路带纯电阻性负载时的工作情况，验证了触发角α的移相范围是0～180◦，负载电流不连续；对于电路带电阻电感性负载时的工作情况，验证了触发角α的移相范围是0～90◦，负载电流是连续的；在应用单相桥式半控整流电路时应注意避免失控现象。

通过仿真分析也验证了本文所建模型的正确性。

结论

本设计通过仿真和分析，可知三相桥式全控整流电路的输出电压受控制角α和负载特性的影响，文中应用Matlab的可视化仿真工具simulink对三相桥式全控整流电路的仿真结果进行了详细分析，并与相关文献中采用常规电路分析方法所得到的输出电压波形进行比较，进一步验证了仿真结果的正确性。

文中在对单相桥式可控整流电路理论分析的基础上，利用MATLAB面向对象的设计思想和自带的电力系统工具箱，建立了基于MATLAB/Simulink的单相桥式可控整流电路的仿真模型，并对其进行了对比分析研究。

对于电路带纯电阻性负载时的工作情况，验证了触发角α的移相范围是0～180◦，负载电流不连续；对于电路带电阻电感性负载时的工作情况，验证了触发角α的移相范围是0～90◦，负载电流是连续的；在应用单相桥式半控整流电路时应注意避免失控现象。

通过仿真分析也验证了本文所建模型的正确性。

采用Matlab／Simulink对三相桥式全控整流电路进行仿真分析，避免了常规分析方法中繁琐的绘图和计算过程，得到了一种直观、快捷分析整流电路的新方法。

应用Matlab／Simulink进行仿真，在仿真过程中可以灵活改变仿真参数，并且能直观地观察到仿真结果随参数的变化情况。

参考文献：

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电子工业出版社.2007.

[14]王兆安,黄俊.电力电子技术[M].北京:

机械工业出版社.2006.

致谢

本设计在选题及仿真过程中得到老师的悉心指导。

王老师多次询问研究进程，并为我指点迷津，帮助我开拓研究思路，精心点拨、热忱鼓励。

王老师一丝不苟的作风，严谨求实的态度，踏踏实实的精神，不仅授我以文，而且教我做人，给以终生受益无穷之道。

对王老师的感激之情是无法用言语表达的。

在此，我要向老师深深地鞠上一躬。

　感谢我的同学卢毅，吴永胜，邓鑫，吴文杰四年来对我学习、生活的关心和帮助。

最后，向我的父亲、母亲、姐姐致谢，感谢他们对我的理解与支持。