优质毕业设计基于MATLAB的整流电路仿真分析.doc

密级： 公开
科学技术学院
NANCHANG UNIVERSITY COLLEGE OF
SCIENCE AND TECHNOLOGY
学 士 学 位 论 文
THESIS OF BACHELOR
（— ）

题 目 基于MATLAB整流电路仿真分析

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目 录
摘要 Ⅰ
Abstract Ⅱ
第一章 三相桥式全控整流电路仿真 1
1.1 电路组成及工作特点 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
参考文件： 19
致谢 20

基于MATLAB整流电路仿真分析
专业： 　　学号： 　姓名： 　　指导老师：
摘要：伴随社会生产和科学技术发展，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应用日益广泛。常见整流电路有三相桥式全控整流电路和单相桥式可控电路。因为整流电路包含到交流信号、直流信号和触发信号，同时包含晶闸管、电容、电感、电阻等多个元件，采取常规电路分析方法显得相当繁琐，高压情况下试验也难顺利进行。Ｍatlab提供可视化仿真工具Simulink可直接建立电路仿真模型，随意改变仿真参数，而且立即可得到任意仿真结果，直观性强，深入省去了编程步骤。本文利用Simulink对三相桥式全控整流电路进行建模，对不一样控制角、桥故障情况下进行了仿真分析。对单相桥式可控整流电路相关参数和不一样性质负载工作情况进行对比分析和研究，既深入加深了三相桥式全控整流电路和单相桥式可控整流电路理论，同时也为现代电力电子试验教学奠定良好试验基础。

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-based simulation analysis of the rectifier circuit

Abstract: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-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 quite 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, eliminating 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 nature 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.

Keywords: Fully-controlled, three-phase, bridge, rectifier, circuit, single-phase, half-controlled rectifier bridge, single-phase full-controlled bridge, rectifier modeling, simulation

第一章 三相桥式全控整流电路仿真

　　伴随社会生产和科学技术发展，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应用日益广泛。常见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，因为整流电路包含到交流信号、直流信号和触发信号，同时包含晶闸管、电容、电感、电阻等多个元件，采取常规电路分析方法显得相当繁琐，高压情况下试验也难顺利进行。Matlab提供可视化仿真工具Simtlink可直接建立电路仿真模型，随意改变仿真参数，而且立即可得到任意仿真结果，直观性强，深入省去了编程步骤。本文利用Simulink对三相桥式全控整流电路进行建模，对不一样控制角、桥故障情况下进行了仿真分析，既深入加深了三相桥式全控整流电路理论，同时也为现代电力电子试验教学奠定良好试验基础。

1.1 电路组成及工作特点 　　
三相桥式全控整流电路原理图图1所表示。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，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)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全部有不一样组别两只晶闸管同时导通，组成电流通路，所以为确保电路开启或电流断续后能正常导通，必需对不一样组别应到导通一对晶闸管同时加触发脉冲，所以触发脉冲宽度应大于π／3宽脉冲。宽脉冲触发要求触发功率大，易使脉冲变压器饱和，所以能够采取脉冲列替换双窄脉冲；每隔π／3换相一次，换相过程在共阴极组和共阳极组轮番进行，但只在同一组别中换相。接线图中晶闸管编号方法使每个周期内6个管子组合导通次序是VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6；共阴极组T1，T3，T5脉冲依次相差2π／3；同一相上下两个桥臂，即VT1和VT4，VT3和VT6，VT5和VT2脉冲相差π，给分析带来了方便；当α=O时，输出电压Ud一周期内波形是6个线电压包络线。所以输出脉动直流电压频率是电源频率6倍，比三相半波电路高l倍，脉动减小，而且每次脉动波形全部一样，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波形出现缺口，伴随α角增大，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分界点。

1.2 建模及仿真
依据三相桥式全控整流电路原理能够利用Simulink内模块建立仿真模型图2所表示。设置三个交流电压源Va，Vb，Vc相位角依次相差120°，得到整流桥三相电源。用6个Thyristor组成整流桥，实现交流电压到直流电压转换。6个pulse generator产生整流桥触发脉冲，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
三相电源相位互差120°，交流峰值电压为l00 V，频率为50 Hz。晶闸管参数为：Rn=0．001 Ω，Lon=0．000 1 H，Vf=0 V，Rs=50 Ω，Cs=250×10-9。负载电阻性设R=45 Ω，电感性负载设L=1 H。脉冲发生器脉冲宽度设置为脉宽50 ％，脉冲高度为5 V，脉冲周期为0．016 7 s，脉冲移相角伴随控制角改变对“相位角延迟”进行设置。
依据三相桥式全控整流电路原理图，对不一样触发角α会影响输出电压进行仿真，负载为阻感特征。
从以上仿真波形图可知改变不一样控制角，输出电压在发生不一样改变。

(1) 当触发角α=0°时输出电压波形图3所表示。

图3 触发角α=0°时输出电压波形图

(2) 当触发角α=60°时输出电压波形图4所表示。

图4 触发角α=60°时输出电压波形图

(3) 当触发角α=90°时输出电压波形图5所表示。

图5 触发角α=90°时输出电压波形图

1.4 故障分析
因为高压强电流情况，整流电路晶闸管很轻易出现故障。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，仿真分析故障产生波形情况。

(1) 只有一个晶闸管故障波形图6所表示。

图6 一个晶闸管故障波形图

(2) 同一相两个晶闸管故障波形图7所表示。

图7 同一相两个晶闸管故障波形图

(3) 不一样桥且不一样相两个晶闸管发生故障时仿真波形图8所表示。

图8 不一样桥但不一样相两个晶闸管故障波形图

从以上故障仿真波形图来看，不一样晶闸管出现故障时，产生波形图是不一样，所以，经过动态仿真能有效知道整流电路出现有意时候工作情况，同时也加深对三相全控整流电路了解和利用。

1.5 小结　　
经过仿真和分析，可知三相桥式全控整流电路输出电压受控制角α和负载特征影响，文中应用Matlab可视化仿真工具simulink对三相桥式全控整流电路仿真结果进行了具体分析，并和相关文件中采取常规电路分析方法所得到输出电压波形进行比较，深入验证了仿真结果正确性。采取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绘图和计算过程，得到了一个直观、快捷分析整流电路新方法。应用Matlab／Simulink进行仿真，在仿真过程中能够灵活改变仿真参数，而且能直观地观察到仿真结果随参数改变情况。

第二章 　基于MATLAB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关键，也是应用得最为广泛电路，不仅应用于通常工业，也广泛应用于交通运输、电力系统、通信系统、能源系统等其它领域。所以对单相桥式可控整流电路相关参数和不一样性质负载工作情况进行对比分析和研究含有很强现实意义，不仅是电力电子电路理论学习关键一环，而且对工程实践实际应用含有估计和指导作用。

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◦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，因为电感中电流不能突变，能够认为负载电流在整个稳态工作过程中保持恒值。因为桥式结构特点，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，所以桥式半控整流电路只能工作在第一象限，因为ωL≥R，所以不管控制角α为何值，负载电流id改变很小。

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。此阶段若忽略器件通态压降则负载压降ud不会出现负情况。在u2负半周触发角α时刻，VT2和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。
依据上述分析，可求出输出负载电压平均值为：

(1)
α 角移相范围为180°。输出电流平均值为：

(2)

流过晶闸管电流平均值只有输出直流平均值二分之一，即：
（3）
流过晶闸管电流有效值：
（4）
单相桥式半控整流电路仿真模型图10所表示。

图10 单相桥式半控整流电路仿真模型

2.2 单相桥式半控整流电路带纯电阻性负载情况
对应参数设置：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初相位为0s（即0◦），触发信号2初相位为0.01s（即180◦），此时仿真结果图11（a）所表示；设置触发信号1初相位为0.0025s（即45◦），触发信号2初相位为0.0125s（即225◦），此时仿真结果图11（b）所表示。

图11 带纯电阻性负载单相桥式半控整流电路仿真模型
（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
带电阻电感负载仿真和带纯电阻负载仿真方法基础相同，只需将RLC串联分支负载参数设置为R=1Ω，L=0.01H，C=inf。此时仿真结果分别图12(a)、图12（b）所表示。

图12 带电阻电感性负载单相桥式半控整流电路仿真模型
(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是单相桥式全控整流电路，图13所表示。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分析，而且全控电路和半控电路在纯电阻性负载时工作情况基础一致，同时晶闸管承受最大正向电压和反向电压也同前述电路相同，分别为 和。
    以下关键分析带电阻电感负载时工作情况。
    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，因为电感作用晶闸管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电流快速转移到VT2 和VT3上，此过程称为换相，亦称换流。在下一周期反复相同过程，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。
依据上述分析，可求出输出负载电压平均值为：
(5)
晶闸管移相范围为90°。晶闸管承受最大正反向电压均为 。
晶闸管导通角θ和α无关，均为180°。
电流平均值和有效值分别为：
(6)
(7)

变压器二次侧电流i 2波形为正负各180°矩形波，其相位由α决定，有效值i 2= id。带电阻电感性负载单相桥式全控整流电路仿真模型图14所表示。

图14 单相桥式半控整流电路仿真模型

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对应参数设置和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初相位为0s（即0◦），触发信号2和触发信号3初相位为0.01s（即180◦），此时仿真结果图15（a）所表示；设置触发信号1和触发信号4初相位为0.005s（即90◦），触发信号2和触发信号3初相位为0.015s（即270◦），此时仿真结果图15（b）所表示。

图15 带纯电阻性负载单相桥式半控整流电路仿真模型
（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
带电阻电感负载仿真和带纯电阻负载仿真方法基础相同，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。此时仿真结果分别图16(a)、图(b)所表示。

图16 带电阻电感性负载单相桥式半控整流电路仿真模型
（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基础上，利用MATLAB面向对象设计思想和自带电力系统工具箱，建立了基于MATLAB/Simulink单相桥式可控整流电路仿真模型，并对其进行了对比分析研究。对于电路带纯电阻性负载时工作情况，验证了触发角α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工作情况，验证了触发角α移相范围是0～90◦，负载电流是连续；在应用单相桥式半控整流电路时应注意避免失控现象。经过仿真分析也验证了本文所建模型正确性。

结论
本设计经过仿真和分析，可知三相桥式全控整流电路输出电压受控制角α和负载特征影响，文中应用Matlab可视化仿真工具simulink对三相桥式全控整流电路仿真结果进行了具体分析，并和相关文件中采取常规电路分析方法所得到输出电压波形进行比较，深入验证了仿真结果正确性。文中在对单相桥式可控整流电路理论分析基础上，利用MATLAB面向对象设计思想和自带电力系统工具箱，建立了基于MATLAB/Simulink单相桥式可控整流电路仿真模型，并对其进行了对比分析研究。对于电路带纯电阻性负载时工作情况，验证了触发角α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工作情况，验证了触发角α移相范围是0～90◦，负载电流是连续；在应用单相桥式半控整流电路时应注意避免失控现象。经过仿真分析也验证了本文所建模型正确性。采取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绘图和计算过程，得到了一个直观、快捷分析整流电路新方法。应用Matlab／Simulink进行仿真，在仿真过程中能够灵活改变仿真参数，而且能直观地观察到仿真结果随参数改变情况。

参考文件：
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致谢
本设计在选题及仿真过程中得到 老师悉心指导。王老师数次问询研究进程，并为我指点迷津，帮助我开拓研究思绪，精心点拨、热忱激励。王老师一丝不苟作风，严谨求实态度，踏扎实实精神，不仅授我以文，而且教我做人，给以终生受益无穷之道。对王老师感激之情是无法用言语表示。在此，我要向老师深深地鞠上一躬。　感谢我同学卢毅，吴永胜，邓鑫，吴文杰四年来对我学习、生活关心和帮助。最终，向我父亲、母亲、姐姐致谢，感谢她们对我了解和支持。