基于MATLAB的单相桥式整流电路的仿真

基于MATLAB的单相桥式整流电路的仿真 姓名 亓菲菲（华南理工大学电力学院）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 technique 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 contrasting 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：本文在对单相桥式半控整流电路和单相桥式全控整流电路进行理论分析的基础上，建立了基于MATLAB/Simulink的单相桥式整流电路的仿真模型，并对其带纯电阻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，给出了仿真结果，验证了本文所建模型的正确性。关键词：单相桥式半控整流 单相桥式全控整流 建模 仿真引言 电力电子技术是20世纪后半叶诞生而发展的一门崭新的技术，广泛用于电气工程中，是电气工程学科中的一个最为活跃的分支。整流电路（Rectifier）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。1 电力电子技术与MATLAB11 电力电子变流技术及应用电力电子变流技术是以电子器件实现的电能变换，包括电压、电流与频率的变换技术。变流也称换流，变流过程也称换流过程。111 换流概念与换流方式变流技术首要分析的是主电路与控制电路的结构方式，其次要研究变流电路的换流过程。变流电路工作时，电力器件轮流导通向负载传递电能。流向负载的电能从一个或一组器件转移的过程称为换流或换相，变流电路常有三种换流方式：电源换流，负载换流和强迫换流。112 电能转换的基本类型电能变换主要指电压、电流与频率的变换。所以电能转换的基本类型有四种，即AC/DC变换、DC / AC变换、DC/DC变换、AC/AC变换。12 电力电子技术MATLAB实践的特点电力电子技术中有关电能的变换与控制过程，有各种电路原理的分析与研究、大量的计算、电能变换的波形测量、绘制与分析等，这些工作特别适合MATLAB的使用。首先，MATLAB运算功能强大，它提供的向量、复数运算、符号运算、常微分方程的数值积分运算等，这些都是在交流电的可控整流、直流电的有源逆变与无源逆变里大量存在的：整流输出直流的平均值、有效值与电路功率因数计算、控制角、导通角与最小逆变角的计算等课题，用MATLAB求解既简单方便又精确快捷。其次，MATLAB的SimPowerSystems实体图形化仿真模型系统，把代表晶闸管等各种实物的特有图形符号，连接成一个整流装置电路、一个逆变装置或是一个系统。这种实体图形化模型的仿真更具有简单、方便、节省设计制作时间与低成本等特点。再有，变流技术讨论的电能转换与控制，需要对各种电压与电流波形进行测量、绘制与分析，MATLAB提供的功能强大且使用方便的图形函数，特别适合完成此项任务。坐标体系完整，线性类别丰富，颜色绚丽多彩，MATLAB绘制的图形尤其准确、清晰、精美，可以用来对电路的工作原理进行讨论和分析。最后，MATLAB界面友好，使得从事自动控制的科技工作者乐于接触它，愿意使用它。2 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（Single Phase Bridge Full-Controlled Rectifier），如图1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。首先分析带纯电阻负载的工作情况： 图1 单相全控桥带电阻负载时的电路及波形在单相桥式全控整流电路中，晶闸管VT1和VT4组成一对桥臂，VT2和VT3组成另一对桥臂。在u2正半周（即a点电位高于b点电位），若4个晶闸管均不导通，负载电流id为零，ud也为零，VT1、 VT4承受电压u2，设VT1和VT4的漏电阻相等，则各承受u2的一半。若在触发角a处给VT1和VT4加触发脉冲，VT1和VT4即导通，电流从电源a端经VT1、 R、VT4流回电源b端。当u2过零时，流经晶闸管的电流也降到零，VT1和VT4关断。在u2负半周，仍在触发角a处触发VT2和VT3，VT2和VT3即导通，电流从电源b端经VT3、 R、VT2流回电源a端。当u2过零时，流经晶闸管的电流又降为零，VT2和VT3关断。此后又是VT1和VT4导通，如此循环地工作下去。晶闸管承受的最大正向电压和反向电压分别为 和。整流电压平均值为: 角的移相范围为180。向负载输出的直流电流平均值为: 晶闸管VT1，VT4和VT2，VT3轮流导电，流过晶闸管的电流平均值只有输出直流电流平均值的一半，即: 流过晶闸管的电流有效值为:以下再分析带电阻电感负载时的工作情况。 图2 单相全控桥带阻感负载时的电路及波形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连续且波形近似为一水平直线，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t=+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。至下一周期重复上述过程，如此循环下去。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：晶闸管移相范围为90。晶闸管承受的最大正反向电压均为。晶闸管导通角与无关，均为180。电流的平均值和有效值分别为： 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3所示。 图3 单相桥式全控整流电路的仿真模型21 带纯电阻性负载情况相应的参数设置： 交流电压源参数U=100V，f=50Hz； 晶闸管参数Rn=0.001，Lon=0H，Vf=0.8V，Rs=10，Cs=4.7e-6F； 负载参数R=1，L=0H，C=inf； 脉冲发生器触发信号1、2的振幅为1.1V，周期为0.02s（即频率为50Hz），脉冲宽度为0.001。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4（a）所示；设置触发信号1的初相位为0.005s（即90），触发信号2的初相位为0.015s（即270），此时的仿真结果如图4（b）所示。（a）（b）图4 带纯电阻负载单相桥式全控整流电路的仿真模型:（a）控制角为45；（b）控制角为9022 带电阻电感性负载的情况设置触发信号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5（a）所示；设置触发信号1的初相位为0.005s（即90），触发信号2的初相位为0.015s（即270），此时的仿真结果如图5（b）所示。（a）（b）图5 带阻感性负载单相桥式全控整流电路的仿真模型 :（a）控制角为0；（b）控制角为903 单相桥式半控整流电路单相全控桥中，每个导电回路中有2个晶闸管，为了对每个导电回路进行控制，只需1个晶闸管就可以了，另1个晶闸管可以用二极管代替，从而简化整个电路。如此即成为单相桥式半控整流电路(Single Phase Bridge Full-Controlled Rectifier)（先不考虑VDR）。半控电路与全控电路在电阻负载时工作情况相同，这里无需讨论。以下针对电感负载进行讨论。图6 单相桥式半控整流电路，有续流二极管，阻感负载时的电路及波形与全控桥相似，假设负载中电感很大，且电路已工作于稳态。在u2正半周，触发角a处给晶闸管VT1加触发脉冲，u2经VT1和VD4向负载供电。u2过零变负时，因电感作用使电流连续，VT1继续导通。但因a点电位低于b点电位，使得电流从VD4转移至VD2，VD4关断，电流不再流经变压器二次绕组，而是由VT1和VD2续流。此阶段，忽略器件的通态压降，则ud=0，不像全控桥电路那样出现ud为负的情况。在u2负半周触发角时刻触发VT3，VT3导通，则向VT1加反压使之关断，u2经VT3和VD2向负载供电。u2过零变正时，VD4导通，VD2关断。VT3和VD4续流，ud又为零。此后重复以上过程。该电路实用中需加设续流二极管VDR，以避免可能发生的失控现象。实际运行中，若无续流二极管，则当突然增大至180或触发脉冲丢失时，会发生一个晶闸管持续导通而两个二极管轮流导通的情况，这使ud成为正弦半波，即半周期ud为正弦，另外半周期ud为零，其平均值保持恒定，称为失控。有续流二极管VDR时，续流过程由VDR完成，晶闸管关断，避免了某一个晶闸管持续导通从而导致失控的现象。同时，续流期间导电回路中只有一个管压降，有利于降低损耗。根据上述分析，可求出输出负载电压平均值为： 当=0时，Ud最大，等于0.9U2；当=180时，Ud最小，等于0，可见角的移相范围为180。输出电流的平均值为: 流过晶闸管的电流平均值只有输出直流平均值的一半，即：流过晶闸管的电流有效值： 单相桥式半控整流电路的仿真模型如图7所示。图7单相桥式半控整流电路的仿真模型31 带纯电阻性负载情况相应的参数设置与前述单相全控桥式整流电路相同。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8（a）所示；设置触发信号1的初相位为0.005s（即90），触发信号2的初相位为0.015s（即270），此时的仿真结果如图8（b）所示。（a） （b）图8 带纯电阻负载单相桥式半控整流电路仿真模型：（a）控制角为45；（b）控制角为9032 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=1，L=0.01H，C=inf。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9（a）所示；设置触发信号1的初相位为0.005s（即90），触发信号2的初相位为0.015s（即270），此时的仿真结果如图9（b）所示。（a）（b）图9 带阻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；（b）控制角为454 结论 本文在对单相桥式可控整流电路进行理论分析的基础上，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的单相桥式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a的移相范围是0180，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a的移相范围是090，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。通过仿真分析建立了对仿真参数设置的感性认识，同时也验证了本文所建模型的正确性。致 谢本研究及学位论文是在杜贵平老师的亲