基于MATLAB的單相橋式整流電路的仿真

1、基于MATLAB的單相橋式整流電路的仿真 姓名 亓菲菲（華南理工大學(xué)電力學(xué)院）The Simulation on Single Phase Bridge Controlled Rectifier Circuit on the Base of MATLABName Qi Feifei(South China university of technology Electricity institute )Abstract： This paper introduces the theory of Single Phase Bridge Semi-Controlled Rectifier . A te

2、chnique is presented in setting up the models on the base of the MATLAB/Simulink software and the voltage and current timing waveforms support this technique. Numerous associated equations of the electric circuit with pure resistance load or inductive and resistance load which are also analysed by c

3、ontrasting method are listed. At last a simulation using the tool of power system of this rectifier will be provided and the results are included.Key words: Single Phase Bridge Semi-Controlled Rectifier, Single Phase Bridge Full-Controlled Rectifier, Model set up, Simulink摘要：本文在對單相橋式半控整流電路和單相橋式全控整流電

4、路進(jìn)行理論分析的基礎(chǔ)上，建立了基于MATLAB/Simulink的單相橋式整流電路的仿真模型，并對其帶純電阻負(fù)載及電阻電感性負(fù)載時的工作情況進(jìn)行對比分析與研究。用MATLAB軟件自帶的Power System工具箱進(jìn)行仿真，給出了仿真結(jié)果，驗證了本文所建模型的正確性。關(guān)鍵詞：單相橋式半控整流 單相橋式全控整流 建模 仿真引言 電力電子技術(shù)是20世紀(jì)后半葉誕生而發(fā)展的一門嶄新的技術(shù)，廣泛用于電氣工程中，是電氣工程學(xué)科中的一個最為活躍的分支。整流電路（Rectifier）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)用于交通運輸、電力系統(tǒng)

5、、通信系統(tǒng)、能源系統(tǒng)等其他領(lǐng)域。因此對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)行對比分析與研究具有很強的現(xiàn)實意義，不僅是電力電子電路理論學(xué)習(xí)的重要一環(huán)，而且對工程實踐的實際應(yīng)用具有預(yù)測和指導(dǎo)作用。1 電力電子技術(shù)與MATLAB11 電力電子變流技術(shù)及應(yīng)用電力電子變流技術(shù)是以電子器件實現(xiàn)的電能變換，包括電壓、電流與頻率的變換技術(shù)。變流也稱換流，變流過程也稱換流過程。111 換流概念與換流方式變流技術(shù)首要分析的是主電路與控制電路的結(jié)構(gòu)方式，其次要研究變流電路的換流過程。變流電路工作時，電力器件輪流導(dǎo)通向負(fù)載傳遞電能。流向負(fù)載的電能從一個或一組器件轉(zhuǎn)移的過程稱為換流或換相，變流電路常

6、有三種換流方式：電源換流，負(fù)載換流和強迫換流。112 電能轉(zhuǎn)換的基本類型電能變換主要指電壓、電流與頻率的變換。所以電能轉(zhuǎn)換的基本類型有四種，即AC/DC變換、DC / AC變換、DC/DC變換、AC/AC變換。12 電力電子技術(shù)MATLAB實踐的特點電力電子技術(shù)中有關(guān)電能的變換與控制過程，有各種電路原理的分析與研究、大量的計算、電能變換的波形測量、繪制與分析等，這些工作特別適合MATLAB的使用。首先，MATLAB運算功能強大，它提供的向量、復(fù)數(shù)運算、符號運算、常微分方程的數(shù)值積分運算等，這些都是在交流電的可控整流、直流電的有源逆變與無源逆變里大量存在的：整流輸出直流的平均值、有效值與電路功率

7、因數(shù)計算、控制角、導(dǎo)通角與最小逆變角的計算等課題，用MATLAB求解既簡單方便又精確快捷。其次，MATLAB的SimPowerSystems實體圖形化仿真模型系統(tǒng)，把代表晶閘管等各種實物的特有圖形符號，連接成一個整流裝置電路、一個逆變裝置或是一個系統(tǒng)。這種實體圖形化模型的仿真更具有簡單、方便、節(jié)省設(shè)計制作時間與低成本等特點。再有，變流技術(shù)討論的電能轉(zhuǎn)換與控制，需要對各種電壓與電流波形進(jìn)行測量、繪制與分析，MATLAB提供的功能強大且使用方便的圖形函數(shù)，特別適合完成此項任務(wù)。坐標(biāo)體系完整，線性類別豐富，顏色絢麗多彩，MATLAB繪制的圖形尤其準(zhǔn)確、清晰、精美，可以用來對電路的工作原理進(jìn)行討論和分

8、析。最后，MATLAB界面友好，使得從事自動控制的科技工作者樂于接觸它，愿意使用它。2 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（Single Phase Bridge Full-Controlled Rectifier），如圖1所示。在單相橋式全控整流電路中，每一個導(dǎo)電回路中有2個晶閘管，即用2個晶閘管同時導(dǎo)通以控制導(dǎo)電的回路。首先分析帶純電阻負(fù)載的工作情況： 圖1 單相全控橋帶電阻負(fù)載時的電路及波形在單相橋式全控整流電路中，晶閘管VT1和VT4組成一對橋臂，VT2和VT3組成另一對橋臂。在u2正半周（即a點電位高于b點電位），若4個晶閘管均不導(dǎo)通，負(fù)載電流id

9、為零，ud也為零，VT1、 VT4承受電壓u2，設(shè)VT1和VT4的漏電阻相等，則各承受u2的一半。若在觸發(fā)角a處給VT1和VT4加觸發(fā)脈沖，VT1和VT4即導(dǎo)通，電流從電源a端經(jīng)VT1、 R、VT4流回電源b端。當(dāng)u2過零時，流經(jīng)晶閘管的電流也降到零，VT1和VT4關(guān)斷。在u2負(fù)半周，仍在觸發(fā)角a處觸發(fā)VT2和VT3，VT2和VT3即導(dǎo)通，電流從電源b端經(jīng)VT3、 R、VT2流回電源a端。當(dāng)u2過零時，流經(jīng)晶閘管的電流又降為零，VT2和VT3關(guān)斷。此后又是VT1和VT4導(dǎo)通，如此循環(huán)地工作下去。晶閘管承受的最大正向電壓和反向電壓分別為 和。整流電壓平均值為: 角的移相范圍為180°。

10、向負(fù)載輸出的直流電流平均值為: 晶閘管VT1，VT4和VT2，VT3輪流導(dǎo)電，流過晶閘管的電流平均值只有輸出直流電流平均值的一半，即: 流過晶閘管的電流有效值為:以下再分析帶電阻電感負(fù)載時的工作情況。    圖2 單相全控橋帶阻感負(fù)載時的電路及波形VT1和VT4組成一對橋臂，在u2 正半周(即a點電位高于b點電位)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)載中有電感時電流不能突變，電感對負(fù)載電流起平波作用，假設(shè)負(fù)載電感

11、很大，負(fù)載電流id連續(xù)且波形近似為一水平直線，u2過零變負(fù)時，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組成另一對橋臂，在u2正半周承受電壓- u2，至t=+時刻，給VT2 和VT3施加觸發(fā)脈沖，因為VT2 和VT3本已經(jīng)承受正向電壓，故兩管導(dǎo)通。在u2過零時關(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。至下一周期重復(fù)上述過程，如此循環(huán)下去。若4個晶閘管均不導(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：晶閘管移相

12、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：         變壓器二次側(cè)電流i2的波形為正負(fù)各180°的矩形波，其相位由決定，有效值I2=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3所示。 圖3 單相橋式全控整流電路的仿真模型21 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=4.7e-

13、6F； 負(fù)載參數(shù)R=1，L=0H，C=inf； 脈沖發(fā)生器觸發(fā)信號1、2的振幅為1.1V，周期為0.02s（即頻率為50Hz），脈沖寬度為0.001。設(shè)置觸發(fā)信號1的初相位為0.0025s（即45°），觸發(fā)信號2的初相位為0.0125s（即225°），此時的仿真結(jié)果如圖4（a）所示；設(shè)置觸發(fā)信號1的初相位為0.005s（即90°），觸發(fā)信號2的初相位為0.015s（即270°），此時的仿真結(jié)果如圖4（b）所示。（a）（b）圖4 帶純電阻負(fù)載單相橋式全控整流電路的仿真模型:（a）控制角為45°；（b）控制角為90° 22 帶電

14、阻電感性負(fù)載的情況設(shè)置觸發(fā)信號1的初相位為0s（即0°），觸發(fā)信號2的初相位為0.01s（即180°），此時的仿真結(jié)果如圖5（a）所示；設(shè)置觸發(fā)信號1的初相位為0.005s（即90°），觸發(fā)信號2的初相位為0.015s（即270°），此時的仿真結(jié)果如圖5（b）所示。（a）（b）圖5 帶阻感性負(fù)載單相橋式全控整流電路的仿真模型 :（a）控制角為0°；（b）控制角為90°3 單相橋式半控整流電路單相全控橋中，每個導(dǎo)電回路中有2個晶閘管，為了對每個導(dǎo)電回路進(jìn)行控制，只需1個晶閘管就可以了，另1個晶閘管可以用二極管代替，從而簡化整個電路。如此

15、即成為單相橋式半控整流電路(Single Phase Bridge Full-Controlled Rectifier)（先不考慮VDR）。半控電路與全控電路在電阻負(fù)載時工作情況相同，這里無需討論。以下針對電感負(fù)載進(jìn)行討論。圖6 單相橋式半控整流電路，有續(xù)流二極管，阻感負(fù)載時的電路及波形與全控橋相似，假設(shè)負(fù)載中電感很大，且電路已工作于穩(wěn)態(tài)。在u2正半周，觸發(fā)角a處給晶閘管VT1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，因電感作用使電流連續(xù)，VT1繼續(xù)導(dǎo)通。但因a點電位低于b點電位，使得電流從VD4轉(zhuǎn)移至VD2，VD4關(guān)斷，電流不再流經(jīng)變壓器二次繞組，而是由VT1和VD2續(xù)流。

16、此階段，忽略器件的通態(tài)壓降，則ud=0，不像全控橋電路那樣出現(xiàn)ud為負(fù)的情況。在u2負(fù)半周觸發(fā)角時刻觸發(fā)VT3，VT3導(dǎo)通，則向VT1加反壓使之關(guān)斷，u2經(jīng)VT3和VD2向負(fù)載供電。u2過零變正時，VD4導(dǎo)通，VD2關(guān)斷。VT3和VD4續(xù)流，ud又為零。此后重復(fù)以上過程。該電路實用中需加設(shè)續(xù)流二極管VDR，以避免可能發(fā)生的失控現(xiàn)象。實際運行中，若無續(xù)流二極管，則當(dāng)突然增大至180°或觸發(fā)脈沖丟失時，會發(fā)生一個晶閘管持續(xù)導(dǎo)通而兩個二極管輪流導(dǎo)通的情況，這使ud成為正弦半波，即半周期ud為正弦，另外半周期ud為零，其平均值保持恒定，稱為失控。有續(xù)流二極管VDR時，續(xù)流過程由VDR完成，晶

17、閘管關(guān)斷，避免了某一個晶閘管持續(xù)導(dǎo)通從而導(dǎo)致失控的現(xiàn)象。同時，續(xù)流期間導(dǎo)電回路中只有一個管壓降，有利于降低損耗。根據(jù)上述分析，可求出輸出負(fù)載電壓平均值為：   當(dāng)=0°時，Ud最大，等于0.9U2；當(dāng)=180°時，Ud最小，等于0，可見角的移相范圍為180°。輸出電流的平均值為:  流過晶閘管的電流平均值只有輸出直流平均值的一半，即：流過晶閘管的電流有效值： 單相橋式半控整流電路的仿真模型如圖7所示。圖7單相橋式半控整流電路的仿真模型 31 帶純電阻性負(fù)載情況相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置與前述單相全控橋式整流電路相同。設(shè)置觸發(fā)信號1的初相

18、位為0.0025s（即45°），觸發(fā)信號2的初相位為0.0125s（即225°），此時的仿真結(jié)果如圖8（a）所示；設(shè)置觸發(fā)信號1的初相位為0.005s（即90°），觸發(fā)信號2的初相位為0.015s（即270°），此時的仿真結(jié)果如圖8（b）所示。（a） （b）圖8 帶純電阻負(fù)載單相橋式半控整流電路仿真模型：（a）控制角為45°；（b）控制角為90° 32 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=0.01H，C=inf。設(shè)置觸發(fā)信號1的初相位為0s（即0°），觸發(fā)信號2的初相位為0.01s（即180°），此時的仿真結(jié)果如圖9（a）所示；設(shè)置觸發(fā)信號1的初相位為0.005s（即90°），觸發(fā)信號2的初相位為0.015s（即270°），此時的仿真結(jié)果如圖9（b）所示。（a）（b）圖9  帶阻感性負(fù)載單相橋