基于MATLAB的整流電路仿真分析畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、 密級(jí)： 公開 科學(xué)技術(shù)學(xué)院nanchang university college ofscience and technology 學(xué) 士 學(xué) 位 論 文 thesis of bachelor（2008 2012年）題 目 基于matlab的整流電路仿真分析 學(xué) 科 部： 專 業(yè)： 班 級(jí)： 學(xué) 號(hào)： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 起訖日期： 目 錄摘要abstract第一章 三相橋式全控整流電路的仿真11.1 電路的構(gòu)成及工作特點(diǎn)11.2 建模及仿真21.3參數(shù)設(shè)置及仿真31.4 故障分析41.5 小結(jié)5第二章 基于matlab的單相橋式整流電路仿真分析62.1單相橋式半控整流電路62.2 單相

2、橋式半控整流電路帶純電阻性負(fù)載情況82.3 單相橋式全控整流電路122.4 單相橋式全控整流電路帶純電阻性負(fù)載情況142.5 單相橋式全控整流電路帶電阻電感性負(fù)載情況16結(jié)論18參考文獻(xiàn)：19致謝20基于matlab的整流電路仿真分析專業(yè)： 學(xué)號(hào)： 姓名： 指導(dǎo)老師： 摘要：隨著社會(huì)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，整流電路在自動(dòng)控制系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。常用的整流電路有三相橋式全控整流電路和單相橋式可控電路。由于整流電路涉及到交流信號(hào)、直流信號(hào)以及觸發(fā)信號(hào)，同時(shí)包含晶閘管、電容、電感、電阻等多種元件，采用常規(guī)電路分析方法顯得相當(dāng)繁瑣，高壓情況下實(shí)驗(yàn)也難順利進(jìn)行。atlab提

3、供的可視化仿真工具simulink可直接建立電路仿真模型，隨意改變仿真參數(shù)，并且立即可得到任意的仿真結(jié)果，直觀性強(qiáng)，進(jìn)一步省去了編程的步驟。本文利用simulink對(duì)三相橋式全控整流電路進(jìn)行建模，對(duì)不同控制角、橋故障情況下進(jìn)行了仿真分析。對(duì)單相橋式可控整流電路的相關(guān)參數(shù)和不同性質(zhì)負(fù)載的工作情況進(jìn)行對(duì)比分析與研究，既進(jìn)一步加深了三相橋式全控整流電路和單相橋式可控整流電路的理論，同時(shí)也為現(xiàn)代電力電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)奠定良好的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：三相橋式全控整流電路，單相橋式半控整流，單相橋式全控整流，建模，仿真matlab-based simulation analysis of the rectifier

4、 circuitabstract:with the social production and scientific and technological development, the rectifier circuit in the automatic control system, measurement system and generator excitation system, and other fields increasingly widespread. commonly used three-phase bridge rectifier circuit with full-

5、controlled single-phase bridge rectifier circuit and control circuit. as the rectifier circuit involves the exchange of signals, dc signals and trigger signals, including thyristors, capacitors, inductors, resistors and other components, using conventional circuit analysis method appeared to be quit

6、e complicated, high-pressure situations is difficult to experiments carried out smoothly. matlab provides a visual simulation tool simtlink circuit simulation model can be directly set up, free to change simulation parameters and immediately available to any of the simulation results, intuitive, eli

7、minating the need for further programming steps. in this paper, simulink full control of three-phase bridge rectifier circuit model, for different control angle, the bridge under fault conditions were simulated analysis. controlled single-phase bridge rectifier circuit parameters and the different n

8、ature of the work load of the comparative analysis and research, both to further deepen the three-phase full-controlled bridge rectifier circuit and controlled single-phase bridge rectifier circuit theory, while for modern power electronics experiment experimental teaching lay a good foundation.keyw

9、ords: fully-controlled, three-phase, bridge, rectifier, circuit, single-phase, half-controlled rectifier bridge, single-phase full-controlled bridge, rectifier modeling, simulation第一章 三相橋式全控整流電路的仿真隨著社會(huì)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，整流電路在自動(dòng)控制系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。常用的三相整流電路有三相橋式不可控整流電路、三相橋式半控整流電路和三相橋式全控整流電路，由于整流電路涉及到

10、交流信號(hào)、直流信號(hào)以及觸發(fā)信號(hào)，同時(shí)包含晶閘管、電容、電感、電阻等多種元件，采用常規(guī)電路分析方法顯得相當(dāng)繁瑣，高壓情況下實(shí)驗(yàn)也難順利進(jìn)行。matlab提供的可視化仿真工具simtlink可直接建立電路仿真模型，隨意改變仿真參數(shù)，并且立即可得到任意的仿真結(jié)果，直觀性強(qiáng)，進(jìn)一步省去了編程的步驟。本文利用simulink對(duì)三相橋式全控整流電路進(jìn)行建模，對(duì)不同控制角、橋故障情況下進(jìn)行了仿真分析，既進(jìn)一步加深了三相橋式全控整流電路的理論，同時(shí)也為現(xiàn)代電力電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)奠定良好的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。 1.1 電路的構(gòu)成及工作特點(diǎn) 三相橋式全控整流電路原理圖如圖1所示。三相橋式全控整流電路是由三相半波可控整流電路演變而

11、來的，它由三相半波共陰極接法(vt1，vt3，vt5)和三相半波共陽極接法(vt1，vt6，vt2)的串聯(lián)組合。圖1 三相橋式全控整流電路原理圖其工作特點(diǎn)是任何時(shí)刻都有不同組別的兩只晶閘管同時(shí)導(dǎo)通，構(gòu)成電流通路，因此為保證電路啟動(dòng)或電流斷續(xù)后能正常導(dǎo)通，必須對(duì)不同組別應(yīng)到導(dǎo)通的一對(duì)晶閘管同時(shí)加觸發(fā)脈沖，所以觸發(fā)脈沖的寬度應(yīng)大于3的寬脈沖。寬脈沖觸發(fā)要求觸發(fā)功率大，易使脈沖變壓器飽和，所以可以采用脈沖列代替雙窄脈沖；每隔3換相一次，換相過程在共陰極組和共陽極組輪流進(jìn)行，但只在同一組別中換相。接線圖中晶閘管的編號(hào)方法使每個(gè)周期內(nèi)6個(gè)管子的組合導(dǎo)通順序是vt1-vt2-vt3-vt4-vt5-vt6

12、；共陰極組t1，t3，t5的脈沖依次相差23；同一相的上下兩個(gè)橋臂，即vt1和vt4，vt3和vt6，vt5和vt2的脈沖相差，給分析帶來了方便；當(dāng)=o時(shí)，輸出電壓ud一周期內(nèi)的波形是6個(gè)線電壓的包絡(luò)線。所以輸出脈動(dòng)直流電壓頻率是電源頻率的6倍，比三相半波電路高l倍，脈動(dòng)減小，而且每次脈動(dòng)的波形都一樣，故該電路又可稱為6脈動(dòng)整流電路。同理，三相半波整流電路稱為3脈動(dòng)整流電路。0時(shí)，ud的波形出現(xiàn)缺口，隨著角的增大，缺口增大，輸出電壓平均值降低。當(dāng)=23時(shí)，輸出電壓為零，所以電阻性負(fù)載時(shí)，的移相范圍是o23；當(dāng)o3時(shí)，電流連續(xù)，每個(gè)晶閘管導(dǎo)通23；當(dāng)323時(shí)，電流斷續(xù)，個(gè)晶閘管導(dǎo)通小于23。23

13、=3是電阻性負(fù)載電流連續(xù)和斷續(xù)的分界點(diǎn)。1.2 建模及仿真 根據(jù)三相橋式全控整流電路的原理可以利用simulink內(nèi)的模塊建立仿真模型如圖2所示。設(shè)置三個(gè)交流電壓源va，vb，vc相位角依次相差120，得到整流橋的三相電源。用6個(gè)thyristor構(gòu)成整流橋，實(shí)現(xiàn)交流電壓到直流電壓的轉(zhuǎn)換。6個(gè)pulse generator產(chǎn)生整流橋的觸發(fā)脈沖，且從上到下分別給16號(hào)晶閘管觸發(fā)脈沖。圖2 三相橋式全控整流電路仿真模型1.3參數(shù)設(shè)置及仿真三相電源的相位互差120，交流峰值電壓為l00 v，頻率為50 hz。晶閘管的參數(shù)為：rn=0001 ，lon=0000 1 h，vf=0 v，rs=50 ，cs

14、=25010-9。負(fù)載電阻性設(shè)r=45 ，電感性負(fù)載設(shè)l=1 h。脈沖發(fā)生器脈沖寬度設(shè)置為脈寬的50 ，脈沖高度為5 v，脈沖周期為0016 7 s，脈沖移相角隨著控制角的變化對(duì)“相位角延遲”進(jìn)行設(shè)置。根據(jù)三相橋式全控整流電路的原理圖，對(duì)不同的觸發(fā)角會(huì)影響輸出電壓進(jìn)行仿真，負(fù)載為阻感特性。 從以上仿真波形圖可知改變不同的控制角，輸出電壓在發(fā)生不同的變化。(1) 當(dāng)觸發(fā)角=0時(shí)的輸出電壓波形如圖3所示。圖3 觸發(fā)角=0時(shí)的輸出電壓波形圖(2) 當(dāng)觸發(fā)角=60時(shí)的輸出電壓波形如圖4所示。圖4 觸發(fā)角=60時(shí)的輸出電壓波形圖(3) 當(dāng)觸發(fā)角=90時(shí)的輸出電壓波形如圖5所示。圖5 觸發(fā)角=90時(shí)的輸出

15、電壓波形圖1.4 故障分析由于高壓強(qiáng)電流的情況，整流電路晶閘管很容易出現(xiàn)故障。假設(shè)以下情況對(duì)故障現(xiàn)象進(jìn)行仿真分析，當(dāng)=30，負(fù)載為阻感性時(shí)，仿真分析故障產(chǎn)生的波形情況。(1) 只有一個(gè)晶閘管故障波形如圖6所示。圖6一個(gè)晶閘管故障波形圖 (2) 同一相的兩個(gè)晶閘管故障波形如圖7所示。圖7 同一相的兩個(gè)晶閘管故障波形圖 (3) 不同橋且不同相的兩個(gè)晶閘管發(fā)生故障時(shí)的仿真波形如圖8所示。圖8 不同橋但不同相的兩個(gè)晶閘管故障波形圖從以上故障仿真波形圖來看，不同的晶閘管出現(xiàn)故障時(shí)，產(chǎn)生的波形圖是不一樣的，所以，通過動(dòng)態(tài)仿真能有效知道整流電路出現(xiàn)故意時(shí)候的工作情況，同時(shí)也加深對(duì)三相全控整流電路的理解和運(yùn)用

16、。1.5 小結(jié)通過仿真和分析，可知三相橋式全控整流電路的輸出電壓受控制角和負(fù)載特性的影響，文中應(yīng)用matlab的可視化仿真工具simulink對(duì)三相橋式全控整流電路的仿真結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)分析，并與相關(guān)文獻(xiàn)中采用常規(guī)電路分析方法所得到的輸出電壓波形進(jìn)行比較，進(jìn)一步驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性。采用matlabsimulink對(duì)三相橋式全控整流電路進(jìn)行仿真分析，避免了常規(guī)分析方法中繁瑣的繪圖和計(jì)算過程，得到了一種直觀、快捷分析整流電路的新方法。應(yīng)用matlabsimulink進(jìn)行仿真，在仿真過程中可以靈活改變仿真參數(shù)，并且能直觀地觀察到仿真結(jié)果隨參數(shù)的變化情況。第2章 基于matlab的單相橋式整流電路仿

17、真分析整流電路尤其是單相橋式可控整流電路是電力電子技術(shù)中最為重要，也是應(yīng)用得最為廣泛的電路，不僅應(yīng)用于一般工業(yè)，也廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、電力系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、能源系統(tǒng)等其他領(lǐng)域。因此對(duì)單相橋式可控整流電路的相關(guān)參數(shù)和不同性質(zhì)負(fù)載的工作情況進(jìn)行對(duì)比分析與研究具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義，不僅是電力電子電路理論學(xué)習(xí)的重要一環(huán)，而且對(duì)工程實(shí)踐的實(shí)際應(yīng)用具有預(yù)測(cè)和指導(dǎo)作用。2.1單相橋式半控整流電路圖9中vt1和vt2為觸發(fā)脈沖相位互差180的晶閘管，vd1和vd2為整流二極管，由這四個(gè)器件組成單相橋式半控整流電路。電阻r和電感l(wèi)為負(fù)載，若假定電感l(wèi)足夠大，即lr，由于電感中電流不能突變，可以認(rèn)為負(fù)載電流在整個(gè)穩(wěn)態(tài)

18、工作過程中保持恒值。由于橋式結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，只要晶閘管導(dǎo)通，負(fù)載總是加上正向電壓，而負(fù)載電流總是單方向流動(dòng)，因此橋式半控整流電路只能工作在第一象限，因?yàn)閘r，所以不論控制角為何值，負(fù)載電流id的變化很小。 圖9 單相橋式半控整流電路原理在u2正半周，觸發(fā)角處給晶閘管vt1施加觸發(fā)脈沖，u2經(jīng)vt1和vd4向負(fù)載供電。u2過零變負(fù)時(shí)，因電感作用電流不再流經(jīng)變壓器二次繞組，而是由vt1和vd2續(xù)流。此階段若忽略器件的通態(tài)壓降則負(fù)載壓降ud不會(huì)出現(xiàn)負(fù)的情況。在u2負(fù)半周觸發(fā)角時(shí)刻，vt2與vd3觸發(fā)導(dǎo)通，同時(shí)向vt1施加反向電壓并使之關(guān)斷，u2經(jīng)vt2和vd3向負(fù)載供電。u2過零變正時(shí)，vd4導(dǎo)通，vd

19、3關(guān)斷。vt1和vd4續(xù)流，負(fù)載壓降ud又變?yōu)榱?。根?jù)上述分析，可求出輸出負(fù)載電壓平均值為： (1) 角的移相范圍為180。輸出電流的平均值為： (2)流過晶閘管的電流平均值只有輸出直流平均值的一半，即： （3）流過晶閘管的電流有效值： （4）單相橋式半控整流電路的仿真模型如圖10所示。圖10 單相橋式半控整流電路的仿真模型2.2 單相橋式半控整流電路帶純電阻性負(fù)載情況相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置： 交流電壓源參數(shù)u=100v，f=50hz； 晶閘管參數(shù)rn=0.001，lon=0h，vf=0.8v，rs=10，cs=250e-6f； 負(fù)載參數(shù)r=10，l=0h，c=inf； 脈沖發(fā)生器觸發(fā)信號(hào)1、2的振幅

20、為5v，周期為0.02s（即頻率為50hz），脈沖寬度為15%。 設(shè)置觸發(fā)信號(hào)1的初相位為0s（即0），觸發(fā)信號(hào)2的初相位為0.01s（即180），此時(shí)的仿真結(jié)果如圖11（a）所示；設(shè)置觸發(fā)信號(hào)1的初相位為0.0025s（即45），觸發(fā)信號(hào)2的初相位為0.0125s（即225），此時(shí)的仿真結(jié)果如圖11（b）所示。圖11 帶純電阻性負(fù)載單相橋式半控整流電路的仿真模型（a） 控制角為0圖11 帶純電阻性負(fù)載單相橋式半控整流電路的仿真模型（b）控制角為452.3 單相橋式半控整流電路帶電阻電感性負(fù)載情況帶電阻電感負(fù)載的仿真與帶純電阻負(fù)載的仿真方法基本相同，只需將rlc串聯(lián)分支負(fù)載參數(shù)設(shè)置為r=1，l

21、=0.01h，c=inf。此時(shí)的仿真結(jié)果分別如圖12(a)、圖12（b）所示。圖12 帶電阻電感性負(fù)載單相橋式半控整流電路的仿真模型(a)控制角為0圖12 帶電阻電感性負(fù)載單相橋式半控整流電路的仿真模型(b)控制角為452.3 單相橋式全控整流電路單相可控整流電路中應(yīng)用最多的是單相橋式全控整流電路，如圖13所示。在單相橋式全控整流電路中，每一個(gè)導(dǎo)電回路中有2個(gè)晶閘管，即用2個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通以控制導(dǎo)電的回路。圖13 單相橋式全控整流電路上文已經(jīng)就單相橋式半控整流電路在純電阻性負(fù)載時(shí)進(jìn)行了較為詳盡的分析，而且全控電路與半控電路在純電阻性負(fù)載時(shí)的工作情況基本一致，同時(shí)晶閘管承受的最大正向電壓和反向電

22、壓也同前述電路相同，分別為 和。 以下重點(diǎn)分析帶電阻電感負(fù)載時(shí)的工作情況。 vt1和vt4組成一對(duì)橋臂，在u2正半周(即a點(diǎn)電位高于b點(diǎn)電位)承受電壓u2，若在觸發(fā)角處給晶閘管vt1和vt4施加觸發(fā)脈沖使其開通，電流從電源a端經(jīng)vt1、r、vt4流回電源b端，ud=u2。在u2過零時(shí)關(guān)斷。假設(shè)電路已工作于穩(wěn)態(tài)，id的平均值不變。負(fù)載中有電感時(shí)電流不能突變，電感對(duì)負(fù)載電流起平波作用，假設(shè)負(fù)載電感很大，負(fù)載電流id連續(xù)且近似為一水平直線，u2過零變負(fù)時(shí)，由于電感的作用晶閘管vt1和vt4中仍流過電流id，并不關(guān)斷。 vt2和vt3組成另一對(duì)橋臂，在u2正半周承受電壓-u2，至t=+時(shí)刻，給vt2

23、和vt3施加觸發(fā)脈沖，因?yàn)関t2 和vt3本已經(jīng)承受正向電壓，故兩管導(dǎo)通。在u2過零時(shí)關(guān)斷。vt2 和vt3導(dǎo)通后，分別給vt4 和vt1施加反向電壓使其關(guān)斷。流過vt1和vd4的電流迅速轉(zhuǎn)移到vt2 和vt3上，此過程稱為換相，亦稱換流。在下一周期重復(fù)相同過程，如此循環(huán)。若4個(gè)晶閘管均不導(dǎo)通，則負(fù)載電流id為零，負(fù)載電壓ud也為零。根據(jù)上述分析，可求出輸出負(fù)載電壓平均值為： (5)晶閘管移相范圍為90。晶閘管承受的最大正反向電壓均為 。晶閘管導(dǎo)通角與無關(guān)，均為180。電流的平均值和有效值分別為： (6) (7)變壓器二次側(cè)電流i 2的波形為正負(fù)各180的矩形波，其相位由決定，有效值i 2=

24、id。帶電阻電感性負(fù)載單相橋式全控整流電路的仿真模型如圖14所示。圖14 單相橋式半控整流電路的仿真模型2.4 單相橋式全控整流電路帶純電阻性負(fù)載情況帶純電阻性負(fù)載情況相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置與前述單相橋式半控整流電路相同。設(shè)置觸發(fā)信號(hào)1和觸發(fā)信號(hào)4的初相位為0s（即0），觸發(fā)信號(hào)2和觸發(fā)信號(hào)3的初相位為0.01s（即180），此時(shí)的仿真結(jié)果如圖15（a）所示；設(shè)置觸發(fā)信號(hào)1和觸發(fā)信號(hào)4的初相位為0.005s（即90），觸發(fā)信號(hào)2和觸發(fā)信號(hào)3的初相位為0.015s（即270），此時(shí)的仿真結(jié)果如圖15（b）所示。圖15 帶純電阻性負(fù)載單相橋式半控整流電路的仿真模型（a） 控制角為0圖15 帶純電阻性負(fù)載單

25、相橋式半控整流電路的仿真模型（b）控制角為902.5 單相橋式全控整流電路帶電阻電感性負(fù)載情況帶電阻電感負(fù)載的仿真與帶純電阻負(fù)載的仿真方法基本相同，只需將rlc串聯(lián)分支設(shè)置為電阻電感性負(fù)載，即負(fù)載參數(shù)設(shè)置為r=1，l=0.01h，c=inf。此時(shí)的仿真結(jié)果分別如圖16(a)、圖(b)所示。圖16 帶電阻電感性負(fù)載單相橋式半控整流電路的仿真模型（a） 控制角為0圖16 帶電阻電感性負(fù)載單相橋式半控整流電路的仿真模型（b）控制角為902.6 小結(jié)本章在對(duì)單相橋式可控整流電路理論分析的基礎(chǔ)上，利用matlab面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想和自帶的電力系統(tǒng)工具箱，建立了基于matlab/simulink的單相橋式

26、可控整流電路的仿真模型，并對(duì)其進(jìn)行了對(duì)比分析研究。對(duì)于電路帶純電阻性負(fù)載時(shí)的工作情況，驗(yàn)證了觸發(fā)角的移相范圍是0180，負(fù)載電流不連續(xù)；對(duì)于電路帶電阻電感性負(fù)載時(shí)的工作情況，驗(yàn)證了觸發(fā)角的移相范圍是090，負(fù)載電流是連續(xù)的；在應(yīng)用單相橋式半控整流電路時(shí)應(yīng)注意避免失控現(xiàn)象。通過仿真分析也驗(yàn)證了本文所建模型的正確性。結(jié)論本設(shè)計(jì)通過仿真和分析，可知三相橋式全控整流電路的輸出電壓受控制角和負(fù)載特性的影響，文中應(yīng)用matlab的可視化仿真工具simulink對(duì)三相橋式全控整流電路的仿真結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)分析，并與相關(guān)文獻(xiàn)中采用常規(guī)電路分析方法所得到的輸出電壓波形進(jìn)行比較，進(jìn)一步驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性。文中在

27、對(duì)單相橋式可控整流電路理論分析的基礎(chǔ)上，利用matlab面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想和自帶的電力系統(tǒng)工具箱，建立了基于matlab/simulink的單相橋式可控整流電路的仿真模型，并對(duì)其進(jìn)行了對(duì)比分析研究。對(duì)于電路帶純電阻性負(fù)載時(shí)的工作情況，驗(yàn)證了觸發(fā)角的移相范圍是0180，負(fù)載電流不連續(xù)；對(duì)于電路帶電阻電感性負(fù)載時(shí)的工作情況，驗(yàn)證了觸發(fā)角的移相范圍是090，負(fù)載電流是連續(xù)的；在應(yīng)用單相橋式半控整流電路時(shí)應(yīng)注意避免失控現(xiàn)象。通過仿真分析也驗(yàn)證了本文所建模型的正確性。采用matlabsimulink對(duì)三相橋式全控整流電路進(jìn)行仿真分析，避免了常規(guī)分析方法中繁瑣的繪圖和計(jì)算過程，得到了一種直觀、快捷分析整流電路的新方法。應(yīng)用matlabsimulink進(jìn)行仿真，在仿真過程中可以靈活改變仿真參數(shù)，并且能直觀地觀察到仿真結(jié)果隨參數(shù)的變化情況。參考文獻(xiàn)：1 嚴(yán)小軍，趙妮，秦泓江，等，基于matlab的iir數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)與仿真j，計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化，2007（6）：110-112.2 潘文霞，范永威，陸小花，等，matlab在電路教學(xué)中的三種應(yīng)用方法j，電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2006,18（1）：108-112