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1、MATLAB系统仿真论文 1211020111 周尹基于Matlab/Simulink的三相桥式半控整流电路的建模与仿真摘 要：三相桥式半控整流电路在现代电力电子技术中具有非常重要的作用。这里在研究半控整流电路理论基础上，采用Matlab的可视化仿真工具Simulink建立三相桥式半控整流电路的仿真模型，对输出电压、控制角、故障现象以及负载特性进行了动态仿真与研究。仿真结果表明建模的正确性，并证明了该模型具有快捷、灵活、方便、直观等一系列特点。关键词：Matlab；整流电路；动态仿真；建模Abstract: Three phase bridge half controlled rectifie
2、r circuit plays a very important role in modern power electronic technology.Here in the study of half controlled rectifier circuit based on the theory, simulation model using Matlab visual simulation tool Simulink based three phase half controlled bridge rectifier circuit, and the dynamic simulation
3、 and Research on the output voltage, the control angle, faults and load characteristics.The simulation results show that the model is correct, and it is proved that the model is fast, flexible, convenient, intuitive and a series of features.Key word: Matlab; rectifier circuit; dynamic simulation; mo
4、deling1 绪论随着社会生产和科学技术的发展，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的应用日益广泛。对于三相对称电源系统而言，单相可控整流电路为不对称负载，可影响电源三相负载的平衡性和系统的对称性。故在负载容量较大的场合，通常采用三相或多相整流电路。三相或多相电源可控整流电路是三相电源系统的对称负载，输出整流电压的脉动小、控制响应快，因此被广泛应用于众多工业场合。常用的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，由于整流电路涉及到交流信号、直流信号以及触发信号，同时包含晶闸管、电容、电感、电阻等多种元件，采用常规电路分析方法显得相当繁琐
5、，高压情况下实验也难顺利进行。Matlab提供的可视化仿真工具Simulink可直接建立电路仿真模型，随意改变仿真参数，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对三相桥式半控整流电路进行建模，对不同控制角、桥故障情况下进行了仿真分析，既进一步加深了三相桥式半控整流电路的理论，同时也为现代电力电子实验教学奠定良好的实验基础。1.1 MATLAB的简介MATLAB是一种适用于工程应用的各领域分析设计与复杂计算的科学计算软件，由美国Mathworks公司于1984年正式推出，1988年退出3.X（DOS）版本，19992年推出4.X（Windows）版
6、本；19997年腿5.1（Windows）版本，2000年下半年，Mathworks公司推出了他们的最新产品MATLAB6.0（R12）试用版，并于2001年初推出了正式版。随着版本的升级，内容不断扩充，功能更加强大。近几年来，Mathworks公司将推出MATLAB语言运用于系统仿真和实时运行等方面，取得了很多成绩，更扩大了它的应用前景。MATLAB已成为美国和其他发达国家大学教学和科学研究中最常见而且必不可少的工具。MATLAB是“矩阵实验室”（Matrix Laboratory）的缩写，它是一种以矩阵运算为基础的交互式程序语言，着重针对科学计算、工程计算和绘图的需要。在MATLAB中，每
7、个变量代表一个矩阵，可以有n*m个元素，每个元素都被看做复数摸索有的运算都对矩阵和复数有效，输入算式立即可得结果，无需编译。MATLAB强大而简易的做图功能，能根据输入数据自动确定坐标绘图，能自定义多种坐标系（极坐标系、对数坐标系等），能绘制三维坐标中的曲线和曲面，可设置不同的颜色、线形、视角等。如果数据齐全，MATLAB通常只需要一条命令即可做图，功能丰富，可扩展性强。MATLAB软件包括基本部分和专业扩展部分，基本部分包括矩阵的运算和各种变换、代数和超越方程的求解、数据处理和傅立叶变换及数值积分风，可以满足大学理工科学生的计算需要，扩展部分称为工具箱，它实际上使用MATLAB的基本语句编成
8、的各种子程序集，用于解决某一方面的问题，或实现某一类的新算法。现在已经有控制系统、信号处理、图象处理、系统辨识、模糊集合、神经元网络及小波分析等多种工具箱，并且向公式推倒、系统仿真和实时运行等领域发展。MATLAB语言的难点是函数较多，仅基本部分就有七百多个，其中常用的有二三百个。MATLAB在国内外的大学中，特别是数值计算应用最广的电气信息类学科中，已成为每个学生都应该掌握的工具。MATLAB大大提高了课程教学、解题作业、分析研究的效率。1.2 SIMULINK仿真工具简介SIMULINK是Mathworks公司开发的MATLAB仿真工具之一，其主要功能是实现动态系统建模、仿真与分析。 SI
9、MULINK支持线性系统仿真和非线性系统仿真;可以进行连续系统仿真，也可以进行离散系统仿真，或者两者混合的系统仿真;同时也支持具有多种采样速率的采样系统仿真。利用SIMULINK对系统进行仿真与分析，可以对系统进行适当的实时修正或者按照仿真的最佳效果来调试及确定控制系统的参数，以提高系统的性能，减少设计系统过程中反复修改时间，从而实现高效率地开发实际系统的目标。由于SIMULINK可以直接利用MATLAB的数学、图形和编程功能，用户可以直接在SIMULINK下完成数据分析、优化参数等工作。工具箱提供的高级的设计和分析能力可以通过SIMULINK的屏蔽手段在仿真过程中执行。 SIMULINK的模
10、型库可以通过专用元件集进一步扩展。2电路结构及原理2.1 电路结构在中等容量的整流装置或不要求可逆的电力拖动中，可采用比三相全控桥式整流电路更简单、经济的三相桥式半控整流电路，如图1所示。它由共阴极接法的三相半波可控整流电路与共阳极接法的三相半波不可控整流电路串联而成，因此这种电路兼有可控和不可控两者的特性。共阳极组的三个整流二极管总是在自然换流点换流，使电流换到阴极电位更低的一相中去；而共阴极组的三个晶闸管则要在触发后才能换到阳极电位高的那一相中去，输出整流电压Ud的波形是二组整流电压波形之和，改变共阴极组晶闸管的控制角，可获得0-2.34U2的直流可调电压。图1 三相桥式半控整流电路2.2
11、 工作原理三相桥式半控整流电路由共阴极接法的三相半波可控整流电路与共阳极接法的三相半波不可控整流电路串联而成，因此，这种电路兼有可控和不可控的特性。共阳极组3个整流二极管总是在自然换相点换流，使电流换到比阴极电位更低的一相；而共阴极组3个晶闸管则要在触发后才能换到阳极电位高的一个。当触发角=0时，触发脉冲在自然换流点出现，共阴极接法的晶闸管整流电路输出电压最大，其数值为2，34U2，三相半控桥式整流电路的输出电压Ud的波形与三相全控桥式整流单路在=0时输出的电压波形一样。当触发角60时，在T1时，Ug1触发VT1管导通，电源电压Uuv通过VT1、VD3加于负载。在T2，共阳极组二极管自然换流，
12、所以T2之后，VD1导通，VD3自关断，电源电压Uvw通过VT1、VD2加于负载。在T3时刻，由于Ug3还未出现，VT3不能导通，VT1维持导通，到T4时刻，触发VT3管，VT3导通后使VT1管承受，反向电压而关断，电路转为VT3与VD1导通，依次类推，负载R上得到三个间隔完整三个波峰缺角的脉冲波形。当触发角=60时，Ud波形只剩下三个波峰，波形刚好维持持续，为了计算输出电压Ud，计算Ud波形在T1-T4期间的面积积分，把坐标原点移到0，输出电压平均值为：当60180时，=120时的波形，VT1管在Uuw电压的作用下，T1时刻开始导通，到T2时刻U相对电压为零时VT1管扔不会关断，因为使VT1
13、管正向导通的不是相电压而是线电压，到T3时刻Uuv=0，VT1才关断。在T3-T4期间，VT3虽受Uuv正向电压，但门极无触发脉冲，故VT3不导通，波形出现断续。到T4时刻，VT3才触发导通，一直到线电压为零时才关断。其平均电压为：即三相桥式半控整流电路为电阻性负载时，触发角为0180时的输出电压。3 建模与仿真3.1 建模三相桥式半控整流电路广泛应用于中等容量的整流装置或要求不可逆的电力拖动中，完整的三相桥式半控整流电路由三个晶闸管和三个二极管、三相电源。触发器等组成。根据原理图，我们调用出三个电源，三个晶闸管，三个二极管，为了实现仿真，我们还需要调用出触发脉冲，电流表，电压表，信号分解器跟
14、信号合成器（Mux）跟示波器。各个元器件的模块提取路径跟之前介绍的提取路径一样，提取出来的元件跟布局如图2所示图2根据原理图，我们连接仿真电路。连接好的电路如图3所示图33.2 参数设置1. 电源参数设置：三相电源的电压峰值电压为380V，可表示为“220*sqrt(2)”，频率为50Hz，相位分别为0度，-120度，-240度。2. 负载参数设置：电阻R10 H0 Cinf 电阻电感R10 H0.01 Cinf脉冲参数设置：触发信号的参数设置是本例的难点。本例中有三个触发脉冲，由宽可设为2，振幅设为5。延迟角的设置要特别注意，在三相电路中，触发延时时间并不是直接从a换算过来，由于a角的零位定
15、在自然换相角，所以在计算相位延时时间时要增加30度相位。因此当a0度时，延时时间应设为0。0033。其计算可按以下公式：t=（+30）T/360触发角a 0 度时，延迟角依次设置为：0。00167，0。00837，0。01507触发角a30度时，延迟角依次设置为：0。0033，0。01，0。0167触发角a45度时，延迟角依次设置为：0。00417，0。01087，0。01757触发角a60度时，延迟角依次设置为：0。005，0。0117，0。01843. 晶闸管采用默认的参数设置3.3 仿真打开设置窗口，选择ode23tb算法，将相对误差设置Le-3，开始时间为0，停止时间为0.05。图中U
16、d、Id分别为负载电压（V）和负载电流（A），Uak1为晶闸管VT1两端的电压（V）。设置好各个参数后，单击运行按钮，就可以进行仿真了。下面我们给出几个特殊角的波形。电阻负载0度电阻负载30度电阻负载60度电阻电感负载60度 电阻电感负载0度 电阻电感负载30度本个仿真要注意对脉冲触发时间的设置要准确，而且对示波器的坐标要调整好。4 结论4.1电阻性负载的结论分析当=30时，在T1时，Ug1触发VT1管导通，电源电压Uuv通过VT1、VD3加于负载。在T2，共阳极组二极管自然换流，所以T2之后，VD1导通，VD3自关断，电源电压Uuw通过VT1、VD1加于负载。在T3时刻，由于Ug3还未出现，
17、VT3不能导通，VT1维持导通，到T4时刻，触发VT3管，VT3导通后使VT1管承受，反向电压而关断，电路转为VT3与VD1导通，依次类推，负载R上得到三个间隔完整三个波峰缺角的脉冲波形。当=120时的波形，VT1管在Uuv电压的作用下，T1时刻开始导通，到T2时刻U相对电压为零时VT1管扔不会关断，因为使VT1管正向导通的不是相电压而是线电压，到T3时刻Uuw=0，VT1才关断。在T3-T4期间，VT3虽受Uuv正向电压，但门极无触发脉冲，故VT3不导通，波形出现断续。纯电阻性负载或电感性负载有续流二极管情况下的移相范围为0-180，最大导通角为120。4.2阻感性负载的结论分析当=30时，
18、Ud波形连续，电路的工作情况和带电阻负载的情况非常相似，各晶闸管的通断情况、输出整流电压Ud波形、晶闸管承受电压波形等都一样。区别在于由于负载不同，同样的整流输出的电压加到负载上，得到的负载电流Id波形不同，电阻负载时Id波形与Ud波形形状一样，而阻感负载时，由于电感的作用，使得负载电流波形变得平直，当电感足够大时，负载电流的波形可近似为一条水平线。当=120时的波形，门极无触发脉冲，故VT3不导通，波形出现断续。电路的工作情况和带电阻负载的情况非常相似，各晶闸管的通断情况、输出整流电压Ud波形、晶闸管承受电压波形等都一样。电感性负载的移相范围为0-180。参考文献1 王兆安。刘进军。电力电子技术M。机械工业出版社。20092 徐德鸿编著。电力电子系统建模及控制M。 机械工业出版社， 20063 贾周，王金梅。基于MATLAB的单相桥式整流电路研究J。 电源世界。 2009(06)4 蔡光军，罗慧谦。有源逆变电路的MATLAB仿真分析J。 机电技术。 2010(01)5 刘同娟，金能强，马向国。Matlab在电力电子整流电路仿真中的应用J。 电力电子。 2005(01)6 李传琦主编。电力电子技术计算机仿真实验M。 电子工业出版社， 20067 方杰。三相桥式整流电路谐波电流检测分析与仿真J。 质量技术监督研究。 2010(01)10