基于matlab半波整流电路.doc

江苏经贸职业技术学院毕业设计（论文）题目： 基于MATLAB的三相半波可控整流电路原理仿真系 （院） 工程技术系 专业班级 09应用电子 学 号 0907031103 学生姓名 刘旭 指导教师 刘保彬 职 称 讲师 二零一二年 四月 二十日摘 要整流电路就是把交流电能转换为直流电能的电路。大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成。它在直流电动机的调速、发电机的励磁调节、电解、电镀等领域得到广泛应用。整流电路通常由主电路、滤波器和变压器组成。20世纪70年代以后，主电路多用硅整流二极管和晶闸管组成。滤波器接在主电路与负载之间，用于滤除脉动直流电压中的交流成分。变压器设置与否视具体情况而定。变压器的作用是实现交流输入电压与直流输出电压间的匹配以及交流电网与整流电路之间的电隔离（可减小电网与电路间的电干扰和故障影响）。整流电路的种类有很多，有半波整流电路、单相桥式半控整流电路、单相桥式全控整流电路、三相桥式半控整流电路、三相桥式全控整流电路等。本文重点介绍了半波整流电路，运用MATLAB进行仿真分析。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对三相半波整流电路进行建模，对不同控制角下进行了仿真分析，既进一步加深对三相桥式半波整流电路的理论认识。关键词：MATLAB 仿真 三相半波可控整流电路 Based on the MATLAB three phase half wave controllable rectifier circuit simulationAbstract：Rectifier circuit is the alternating current can be converted to DC power circuit. The majority of rectifying circuit composed of a transformer, rectifier main circuit and filter. It is in the speed of DC motor, generator excitation regulator, electrolysis, electroplating and other fields are widely used. Rectifier circuit usually consists of a main circuit, filter and a transformer. Since the nineteen seventies, the main circuit for silicon rectifier diodes and thyristors. Filter is connected with the main circuit and load, is used for filtering a pulsating DC voltage of the AC component. The transformer is arranged or not depending on the specific circumstances. Transformer is the role of AC input voltage and the output voltage of the DC and AC power grid and the matching between the rectifier circuit ( can reduce the electrical isolation between the power grid and the circuit between the electrical interference and failure effect ). There are many types of rectifier circuit, a half wave rectifier circuit, rectifier circuit, single phase full controlled bridge rectification circuit, a three phase half controlled bridge rectifier circuit, three-phase full-bridge controlled rectifier circuit.This paper focuses on the half wave rectifier circuit, use of MATLAB simulation and analysis. MATLAB provides visualization of the simulation tool Simtlink can directly establish the circuit simulation model, change the simulation parameters, and simulation results can be obtained with any of the immediate, strong visualizability, further eliminating the programming steps. This paper uses Simulink on three phase half wave rectifier circuit model, the different control angle are simulated and analyzed, not only further deepens to the three-phase half wave rectifier circuit theory.Keywords : MATLAB simulation Three-phase half-wave controlled rectifier circuit目 录基于MATLAB的三相半波可控整流电路原理仿真1摘 要2Abstract2目 录3引言4一、MATLAB软件的简单介绍5二、三相半波整流电路原理62.1 电阻性负载72.1.1 纯电阻性半波整流电路原理组成82.1.2 电路原理分析92.1.3 三相半波可控整流电路电阻性负载输出电压公式102.2 电感性负载102.2.1 电感性半波整流电路原理组成112.2.2 三相半波整流电感性负载加整流二极管电路11三、 MATLAB软件电脑仿真123.1 MATLAB软件运用电脑仿真电路模型123.2 纯阻性负载三相半波可控整流电路=0和=60仿真图像133.3电感性负载三相半波可控整流电路=0和=60仿真图像13四、总结14五、参考文献15 引言基于 Matlab 的应用范围非常广，包括在信号和图像处理、通讯、控制系统设计、测试和测量、财务建模和分析以及计算生物学等众多应用领域。运用 Matlab 软件的处理能力，我们对三相桥式整理电路进行仿真分析，对纯电阻性负载及电阻电感性负载时的工作情况进行对比分析与研究，用Matlab 软件自带的 Power System 工具箱进行仿真，给出仿真结果，检验所建模型的正确性。一、三相半波整流电路原理分析1.1电阻性负载1.1.1 纯电阻性半波整流电路原理组成三相半波可控整流电路纯电阻性负载，如图所示（1-1）。图中T为整流变压器，为了得到中性线，整流变压器的二次接成星形，一次绕组接成三角形，使三次谐波都能够通过，减少了高次谐波对电网的影响。3个晶闸管的阳极分别和变压器的二次绕组连接在一起，它们的阴极相连接在一起，这种接法称为共阴极接法。负载电阻接在共阴极点和变压器中性点之间。共阴极接法触发电路有公共端，连接方便，应用非常广泛。纯电阻性半波整流电路电路图（1-1）图一是三相半波可控整流电路，可以看成是3个单相半波可控整流电路的组合。因此，如果任意封锁两个晶闸管的触发脉冲，则另一个晶闸管就可以实现单相半波可控整流。对于三相半波可控整流电路，则需要结合三相交流电的变化规律分别施加触发脉冲，以满足晶闸管的导通条件。1.1.2 电路原理波形分析纯电阻性半波整流电路波形图（1-2）上图 （1-2），（b）（c）（d）（e）（f）是变压器二次侧输出电压的波形图理论波形。（C）图是=00时的触发脉冲波形。从图中我们可以发现，在 wt1wt2期间，整流变压器二次侧输出电压中U相电压比 V、W 相都要高，即只有VT1承受着正向的电压。如果在wt1时刻触发晶闸管VT1，则可使VT1导通，负载上得到U相电压，即ud=uw;在wt2wt3 期间，V相电压是最高的，在wt2时刻触发晶闸管VT2即导通。此时VT1因承受反向电压而关断，所以ud=uw。以后，各晶闸管都按同样的规律依次触发导通同时并关断前一个已经导通的晶闸管。Ud的波形图就如图（d)所示，它是三相交流电压正半周的包络线。在一个周期内有三次波动，因此ud脉动频率是3*50HZ=150HZ。从图中，各晶闸管上的触发脉冲依次间隔120o。在一个周期内，三相电源轮流向负载供电，每相晶闸管各导电120o。因为是电阻性负载，所以负载电流id波形与ud相同，并且是连续的波形。以上分析的结果我们可以看出，在相电压的焦点wt1、wt2、和 wt3 ，是各相晶闸管能触发导通的最早的时刻。所以，把它作为计算控制角的起点，即该处的=00。这个交点也叫做自然换相点。这是因为如果把晶闸管换成不可控的二极管时，相电压的交点也就是二极管的自然换相点。流过晶闸管VT1的电流ivt1 波形和变压器U相绕组电流i2U相同，如上图（e）所示，其它两相得电流波形形状形同，彼此相位依次滞后120。由于=0时负载电流id的波形是连续的，故晶闸管VT1上的电压波形uVT1,可分为3部分：VT1导通时期,uVT1 = 0;VT2导通期，VT1承受线电压uVT1=uUV ,是反向电压；VT3导通期，VT1承受的是线电压 uVT1 = uUW 。如图（f），在=0时，晶闸管仅承受反向电压，以后随着的增加，晶闸管开始承受正向电压。其它两个晶闸管上的电压波形相同，只是相位依次相差120。若增大的角度，=30，输出电压、输出电流处于连续喝断流的临界状态，各相仍能导通120。当大于60时，此时导通的那相的相电压过零变负时，该相晶闸管关断。而下一相虽然承受着正向电压，但触发脉冲还没有到达，所以不会导通。故输出电压和电流都是零，直到下一相触发脉冲到来为止。显然负载电流连续，各晶闸管导通电角120。当=150时，=0，整流输出电压为零。故电阻负载时，角的移相范围只能在150之内，才可保证有输出电压。1.2 电感性负载1.2.1 电感性半波整流电路原理组成三相半波整流电路电感性负载电路图（1-3）1.2.2 电感性半波整流电路原理波形分析如上图（1-3）所示，负载为电阻电感负载时，如果L值很大，整流电流 id 的波形将近似是一条直线。30时，整流电压波形与电阻负载时相同，因为两种负载情况下，负载电流均连续变化。如下图（1-4）：30三相半波整流电路电阻电感性负载波形图（1-4）30时，例如=60时的波形如图（1-5）。当u2 过零时，由于电感要阻止电流的下降，因而通过感应电动势使VT1继续导通，直到下一个相晶闸管VT2的触发脉冲到来，才发生换流，由VT2导通向负载供电，同时向VT1施加反向的电压迫使其关断。这时ud 波形中出现负值，若增大，ud 波形中负电压的部分将增多，到=90时，ud 波形中正负面积相等，ud 的平均值为零。可见电感负载时的移相范围最大为90。30三相半波可控整流电路电感性负载a60时的波形（1-5）1.3三相半波整流电感性负载加续流二极管电路组成三相半波可控整流电路带电感性负载时，可以通过加续流二极管来解决因控制角接近90时，输出电压波形出现正、负面积相等而使其输出电压的平均值近似为零的问题。电路形成如下图（2-1），如图所示是加了续流二极管VD后的波形图。当=60时电路输出的电压和电流将如下所示。以U相为例，当U相电压过零使电流有减少的趋势时，由于电感器件L自身的作用产生自感电动势EL，方向与电流的方向一致，因此使续流二极管VD导通，此时电路输出电压ud为二极管两端的电压，近似等于零，电感L释放出的能量使输出电流id保持连续，U相电流为零，使VT1管关断截止。当VT2管的触发脉冲uG2使VT2导通后，V相相电压使二极管VD承受反向电压而截止，电路输出V相相电压，重复上述过程。(2-1)二、三相半波整流电路数量分析2.1 三相半波整流电路电阻性负载数量分析 30，负载电流连续变化，各相晶闸管每周期轮流导通120，即导通角（2-1）公式中 U2 为变压器次级相电压有效值。30，负载电流续断，输出电压平均值为（2-2）=150，Ud =0 。其它参数的计算分别为：负载电流的平均值 （2-3）流过每个晶闸管的平均值IdT =Id （2-4）流过每个晶闸管电流的有效值（ 030）（2-5） （ 30150）（2-6）晶闸管承受到的最大反向电压为电源线电压峰值，即 U2 。2.2 三相半波整流电路电感性负载数量分析 由于电感作用，使各相晶闸管导通均为120，即T =120，保证了电流的连续，整流输出电压的平均值为（2-7）负载平均电流为 （2-8）变压器二次侧电流即晶闸管电流的平均值和有效值为 （2-9） （2-10）从上面的可求出晶闸管的额定电流 （2-11）由于负载电流连续，晶闸管两端电压波动波形是有3段组成的，因此晶闸管承受的最大正反向电压峰值均为变压器二次线电压峰值，即三相整流电路的功率因数为 （2-12）2.3 三相半波整流电路电感性负载加续流二极管数量分析 明显，ud的波形与纯电阻负载时波形是一样的，ud的计算公式也与电阻性负载相同。在一个周期内，晶闸管的导通角=150-。续流二极管在一个周期内连续导通三次，因此其导通角=3（-30）。流过晶闸管的平均电流和电流的有效值分别是流过续流二极管的电流的平均值和有效值分别为三、MATLAB软件MATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化一级交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。 MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主融建模设计与分析等领域。 MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式于数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解决问题要比用C，FORTRAN的语言完成相同的事情简单快捷的多，并且MATLAB也吸收了想Maple等软件的优点，使MATLAB成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对C、FORTRAN、C+、JAVA的支持。可以直接调用用户也可以将自己编辑的实用程序导入到MATLAB函数库中方便以后调用，此外许多MATLAB爱好者都编辑了一些经典的程序实例，可供用户自由的调用下载使用。Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。 Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具， 是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI) ，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。 Simulink是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，Simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。. 构架在Simulink基础之上的其他产品扩展了Simulink多领域建模功能，也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。Simulink与MATLAB紧密集成，可以直接访问MATLAB大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。四、 MATLAB软件电脑仿真4.1 MATLAB软件运用电脑仿真电路模型3.2 纯阻性负载三相半波可控整流电路=0和=60仿真图像 相应的参数设置：（1）交流电压源参数设置 U=100 V f=25 HZ ，三相电源相位依次延迟120。（2）晶闸管参数设置 Rn=0.001 ,Lon=0.0001 H ，RS=50 ,Cs=250e-6 F 。（3）负载参数设置 R=10 ，L=0 H ，C=inf 。（4）脉冲发生器的振幅为5 V ，周期为 0.04 S（即频率 25 HZ），脉冲宽度为2 。当=0时，设为0.003 3 ，0.016 6 ，0.029 9 S 。此时的仿真结果如下图（a）所示;当=60时，触发信号初相位依次设为 0.01 ，0.023 3 ，0.036 6 S 。此时仿真结果如图（b）所示。3.3电感性负载三相半波可控整流电路=0和=60仿真图像 带电阻电感性负载的仿真与带负载纯电阻性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=0.01 ，L=0.08 H ，C=inf 。此时的仿真结果分别为下图（a）（b）所示。3.4 仿真结果和实际原理分析比较 仿真结果和实际原理分析结果基本上保持一致。在某些方面还存在着误差，这些误差可以忽略不计。四、总结通过这次毕业课程设计使我掌握了分析问题基本方法和思路，为今后的学习打下了牢固的基础，现将感受总结如下：首先，我学会了对相关科技文献的搜索，一切科学研究都是建立在前人研究的基础之上的。因此，对于相关文献资料的搜索显得尤为重要。在现代社会中，随着计算机的普及以及网络技术的发展，对于文献的搜索已经从图书馆的纸质资料转移到网络平台下的电子文