基于SIMULINK的整流电路的设计与仿真研究

基于SIMULINK的整流电路的设计与仿真研究

摘要：MATLAB是一种科学计算软件，它是一种以矩阵为基础的交互式程序计算语言。SIMULINK是基于框图的仿真平台，它挂接在MATLAB环境上，以MATLAB的强大计算功能为基础，以直观的模块框图进行仿真和计算。

本文主要以MATLAB/SIMULINK仿真软件为基础，完成了对整流电路的建模与仿真，并且给出了仿真结果波形，同时根据仿真结果进行了分析和计算。证实了该方法的简便直观、高效快捷和真实准确性。

关键字：MATLAB/SIMULINK；建模；仿真；整流电路

一、前言

在电力电子电路如变流装置的设计过程中，需要对设计出来的初步方案及有关元件参数选择是否合理，效果如何进行验证。采用 MATLAB/SIMULINK可视化图形化仿真环境来对电力电子电路进行建模仿真则可使之变得直观，简单易行，效率高且真实准确。

本课题主要研究的是利用MATLAB/SIMULINK建立电力电子电路仿真模型并进行仿真。对单相整流电路和三相整流电路主要研究其半波可控和桥式全控整流电路，分别建立其Simulink仿真模型，进行系统仿真，对其仿真波形进行对比分析，并与理论结果进行对比。

利用Simulink中的模块库建立单相/三相整流电力变换电路，进行仿真后，对仿真波形进行比较分析，证实了该方法的简便直观、高效快捷和真实准确性。由于计算机中修改参数方便，可以通过改变方针参数就可观察各种现象，加深了对其电路原理的理解。同时，通过对本课题的研究最终能够熟悉并掌握Matlab /Simulink的应用环境，熟练应用Simulink模块库中模块建立电力电子电路的系统仿真模型，设定系统仿真参数，进行系统仿真。

二、实验研究与分析

（一）单相可控整流电路的仿真 1、单相半波可控整流电路

单相桥式半控整流电路原理图如右图所示，电路由交流电源u1、整流变压器T、晶闸管VT、负载电阻R以及触发电路组成。在变压器二次侧电压u2的正半周触发晶闸管VT，则在负载上可以得到方向不变的直流电，改变晶闸管的控制角可以调节输出直流电压和电流的大小。

（1）根据原理图建立SIMULINK仿真模型如下：

（2）设置仿真参数

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电源电压为220V(有效值)、频率50Hz，晶闸管参数为默认值；选择仿真终止时间为0.08s，采用变步长算法ode23tb(stiff／TR．BDF2)。负载可以根据需要设成纯电阻、纯电感、阻感等，为方便观察波形，本组选用电阻负载R=10Ω。α=30°。

（3）仿真结果

图1 晶闸管的电流VTi（上）和电压VTu（下）

上图反映了通过晶闸管的电流及其电压，VT导通时，相当于短路其两端电压为零，有电流通过，VT关断时，电流为零，所受电压最大值为电源电压峰值。VT的a 移相范围为180?。

图2 电源电压、输出电压、电流和平均值波形（自上而下）

由上图波形可以看出电阻负载时：该电压和电流都是脉动的直流，反映了电源的交流电经过整流后成为了直流电，实现了整流。因为是电阻负载整流后，电压与电流成正比，两者波形相同。电压的幅值UR=311V,电流的幅值IR=31.1A，与计算结果IR=UR/R相同。其输出直流电压：

Ud?0.45U21?cos??0.45?220?1?cos30??2?92.4V 2??与仿真输出直流电压值相同。

如果要观察在其他控制角下，整流器的工作情况，只需修改脉冲触发器的延迟时间，重新启动仿真即可。

2、单相桥式可控整流电路

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单相桥式全控整流电路带电阻感负载时的原理接线图右图所示。

工作原理：VT1和VT4组成一对桥臂，在u2正半周承受电压u2，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断。VT2和VT3组成另一对桥臂，在u2负半周承受电压-u2，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断。

（1）根据原理图建立SIMULINK仿真模型

（2）设置仿真参数

UAC=220V(有效值)，R=10Ω, L=0.02H,晶闸管参数为默认值。选择仿真终止时间为0.06s，采用变步长算法ode23tb(stiff／TR．BDF2)，?=30°

（3）仿真结果

图1 电源电压、输出电压、电流和平均值波形（自上而下）

从上图波形可知，电感对电流变化有抗拒作用，使得流过电感的电流不发生突变，电感对负载电流起平波作用。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。至wt=?+a时刻，给VT2和VT3加触发脉冲，因VT2和VT3本已承受正电压，故两管导通。VT2和VT3导通后，u2通过VT2和VT3分别向VT1和VT4施加反压使其关断，流过VT1和VT4的电流迅速转移到VT1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，实现整流。其输出直流电压值由下可得:

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Ud?0.9U2cos??0.9?220?cos30??171.5V与仿真结果相同。a移相范围为90?。因此改变晶闸管触发角度则可观察不同触发角下的各种波形。

（二）三相可控整流电路的仿真

1、三相半波可控整流电路

三相半波可控整流电路原理图如右图所示。a)三个晶闸管分别接入a、b、c三相电源，其阴极连接在一起—共阴极接法。

（1）根据原理图建立SIMULINK仿真模型

（2）设置仿真参数

三相交流电源为220V(有效值)相位互差120°，R=10Ω,L=0.03H；晶闸管参数为默认值；选择仿真终止时间为0.06s，采用变步长算法ode23tb(stiff／TR．BDF2)，α=60°。

（3）仿真结果

图1 电源电压、输出电压、电流及电压平均值波形（自上而下）

从上图波形可以看出此电路特点：阻感负载，L值很大，id波形基本平直。

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α≤30°时：整流电压波形与电阻负载时相同。 α>30°时（如a=60?时的波形如上图所示）。

当u2过零时，由于电感的存在，阻止电流下降，因而VT1继续导通，直到下一相晶闸管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施加反压使其关断。这种情况下ud波形中出现负的部分，若a增大，ud波形中负的部分将增多，至a=90°时，u波形中正负而积相等，ud的平均值为零。可见阻感负载时a的移相范围为90°。

可得本例中输出直流电压为：

Ud?1.17U2cos??1.17?220?cos60??129V

与仿真结果相符合。

2、三相桥式全控整流电路

三相桥式全控整流电路主回路接线图如右图所示。 完整的三相桥式全控整流电路由整流变压器，6个桥式连接的晶闸管、负载、触发器和同步环节组成。六个晶闸管依次相隔60°触发，将电源交流电整流为直流电。三相桥式整流电路的仿真使用了MATLAB模型库中的三相桥和触发集成模块。

（1）根据原理图建立SIMULINK仿真模型

2）设置仿真参数

设定此电路为电阻负载(R的值为10Ω、a=30°。)

1) 电源参数设置：三相电源的电压峰值为220V×2，可表示为“220*sqrt（2)”，频率为50Hz，相位分别为0、-120°、-240°。

2) 整流变压器参数设置：一次绕组联结(winding 1 connection)选择Delta（D11)，线电压为=220V×3=380V；二次绕组联结(winding 2 connection)选择Y，线电压为100V×3=173V，在要求不高时变压器容量、互感等其他参数保持默认不变。

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3）同步变压器参数设置：一次绕组联结(winding 1 connection)选择Delta（D11)，线电压为380V；二次绕组联结(winding 2 connection)选择Y，线电压为15V，其他参数保持默认不变。

4）三相晶闸管整流器参数设置：使用默认值。

5）6脉冲发生器设置：频率为50Hz，脉冲宽度取1°，取双脉冲触发方式。 6) 触发角设置：给定alph设置为30°。

7）设置仿真时间0.06s，数值算法采用ode15。 （3）仿真结果

图1 输出电压、电流波形及其电压平均值（自上而下）

图2 整流器输入的三相线电压波形

将图2所示三相电压波形与图1所示的整流电压相比较，整流后的电压是直流，一个周期内有六个波头且波形与三相输入电压波形相对应。

整流电压平均值如图3-13所示与理论计算值：

Ud?2.34?100?cos30??202.6V相符。证明仿真波形是准确的。

因为是电阻负载，整流后的电压和电流波形相同，但幅值不同。改变控制角可观察在不

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同控制角下整流器的工作情况。

图3 整流变压器二次侧各相电流波形

图3中整流变压器二次侧各相电流波反映了晶闸管中流过电流的波形，由此波形可以看出，晶闸管一周期中有120°处于通态，240°处于断态，由于负载为电阻，故晶闸管处于通态时的电流波形与相应时段的ud波形相同。以变压器二次侧a相电流的波形为例，该波形的特点是，在VT1处于通态的120°期间，ia为正，若ia波形的形状与同时段的ud波形相同，在VT4处于通态的120°期间，ia波形的形状也与同时段的ud波形相同，但为负值。变压器二次侧b相和c相电流的波形与变压器二次侧a相电流的波形相同，只是相位不同，依次相差120°。

a角的移相范围是120°，如果继续增大至120°，整流输出电压ud波形将全为零，其平均值也为零。

三、模型建立及调试说明

在模型建立与调试过程中我们遇到了不少问题，但最终在小组成员的共同努力下得以解决。

1、元件选择：在选择元件时，要注意RLC branch和RLC load的区别。在simpowesystems中没有单独的电阻，都是R、L、C并联或串联的形式，RLC branch 通过参数的设置可以构造出各种各样的RLC拓扑结构，可以有R/L/C/RC/LC/RL/RLC和opencircuit8种情况。而RLC load为负载形式，不能通过设置参数使之表现为单独的电阻或电感、电容。在选择时需根据电路原理图选用合适的元件。在模型建立过程中，我们曾遇到选错元件而导致仿真无法实现。

2、电源参数设置需注意将电源频率设为50Hz，根据不同的电路设置相位等。 3、触发角a与延迟时间t的转换公式：t=a/（360*50） 4、触发脉冲参数设置：在有多个触发信号时需将其延迟时间设为不同，有180°的相位差。 5、万用表参数设置：注意需先在要测量的元件参数中设置要测量的对象，然后在万用表的参数设置中选择需要的测量元件即可。

6、傅里叶变换模块参数设置：本实验采用傅里叶变换模块求取电压平均值，设置时需注意，由于是整流电路，在参数设置时需将Harmonic n设为0。在建立单相半波可控整流电路的模型时曾未注意修改其参数导致电压平均值为150V与理论结果不符合。如下图所示：

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7、同步脉冲触发器：用于触发三相全控整流桥的6个晶闸管，同步6脉冲触发器可以给出双脉冲，间隔为60°，输出的1-6号脉冲一次送给三相全控整流桥对应编号的6个晶闸管。

四、心得体会

正所谓“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。”学习任何知识，仅从理论上去求知，而不去实践、探索是不够的。在完成MATLAB课程设计的过程中，我们小组成员对MATLAB这个仿真软件有了更进一步的认识和了解。在这段时间里，本组成员通过自己摸索，查阅资料，并结合老师课上提点的知识分工合作共同完成了整流电路的仿真分析并验证了仿真结果，最终将实验研究与分析的报告总结完毕。

在本次实验中，我们小组成员的分工合作与互相帮助是我们得以完成课程设计的重要因素。在仿真分析过程中，我们将主要任务分为四部分：（1）仿真方案研究；（2）元件选择与模型建立；（3）仿真调试与改进；（4）实验研究与分析报告的撰写。整个设计的过程并不轻松，我们小组每个成员在每一部分任务完成的过程中都付出了努力，首先我们共同查阅相关资料，研究仿真方案，研究电路原理图、选择试验参数等，然后建立SIMULINK模型进行调试并解决在调试中遇到的问题，调试成功后分析仿真结果撰写实验报告，充分发挥了团队合作的作用。

在整个设计过程中我学到了许多东西，对MATLAB软件的使用和电力电子的有关知识也有了更深入的了解，同时也培养了独立思考和设计的能力，树立了对知识应用的信心，相信会对今后的学习工作和生活有非常大的帮助，并且提高了自己的动手实践操作能力，使自己充分体会到了在设计过程中的成功喜悦。虽然设计过程中遇到了不少难题，但是在小组成员的共同努力与相互帮助下最终得以解决，让我体会到团队分工合作的益处。设计过程中所学到的东西是这次课程设计的最大收获和财富，使我终身受益。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/n66a.html