摘要：本設(shè)計(jì)首先簡(jiǎn)要介紹了MATLAB的特點(diǎn)以及在整流電路中的應(yīng)用，通過(guò)對(duì)三相橋式全控整流電路實(shí)例進(jìn)行分析討論了三相橋式整流電路在不同控制角在電路帶電感性負(fù)載和電阻性負(fù)載時(shí)輸出負(fù)載電壓的變化。然后利用MATLAB/SIMULINK對(duì)電力電路進(jìn)行仿真的方法，并給出了三相橋式整流電路在不同控制角在電路帶電感性負(fù)載和電阻性負(fù)載的仿真波形，證實(shí)了該軟件的簡(jiǎn)便直觀、高效快捷和真實(shí)準(zhǔn)確性。

前言

在科學(xué)研究和工程應(yīng)用中，往往要進(jìn)行大量的數(shù)學(xué)計(jì)算，其中包括矩陣運(yùn)算。這些運(yùn)算一般來(lái)說(shuō)難以用手工精確和快捷地進(jìn)行，而要借助計(jì)算機(jī)編制相應(yīng)的程序做近似計(jì)算。美國(guó)Mathwork公司于1967年推出了“MatrixLaboratory”（縮寫為Matlab）軟件包，并不斷更新和擴(kuò)充。其中包括：一般數(shù)值分析、矩陣運(yùn)算、數(shù)字信號(hào)處理、建模和系統(tǒng)控制和優(yōu)化等應(yīng)用程序，并集應(yīng)用程序和圖形于一便于使用的集成環(huán)境中。在此環(huán)境下所解問(wèn)題的Matlab語(yǔ)言表述形式和其數(shù)學(xué)表達(dá)形式相同，不需要按傳統(tǒng)的方法編程。不過(guò)，Matlab作為一種新的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，要想運(yùn)用自如，充分發(fā)揮它的威力，也需先系統(tǒng)地學(xué)習(xí)它。但由于使用Matlab編程運(yùn)算與人進(jìn)行科學(xué)計(jì)算的思路和表達(dá)方式完全一致，所以不像學(xué)習(xí)其它高級(jí)語(yǔ)言--如Basic、Fortran和C等那樣難于掌握。

電力電子學(xué),又稱功率電子學(xué)(PowerElectronics)。它主要研究各種電力電子器件，以及由這些電力電子器件所構(gòu)成的各式各樣的電路或裝置，以完成對(duì)電能的變換和控制。它既是電子學(xué)在強(qiáng)電(高電壓、大電流)或電工領(lǐng)域的一個(gè)分支，又是電工學(xué)在弱電(低電壓、小電流)或電子領(lǐng)域的一個(gè)分支，或者說(shuō)是強(qiáng)弱電相結(jié)合的新科學(xué)。電力電子學(xué)是橫跨“電子”、“電力”和“控制”三個(gè)領(lǐng)域的一個(gè)新興工程技術(shù)學(xué)科。在電氣自動(dòng)化專業(yè)中已成為一門專業(yè)基礎(chǔ)性強(qiáng)且與生產(chǎn)緊密聯(lián)系的不可缺少的專業(yè)基礎(chǔ)課。本課程體現(xiàn)了弱電對(duì)強(qiáng)電的控制，又具有很強(qiáng)的實(shí)踐性。能夠理論聯(lián)系實(shí)際，在培養(yǎng)自動(dòng)化專業(yè)人才中占有重要地位。它包括了晶閘管的結(jié)構(gòu)和分類、晶閘管的過(guò)電壓和過(guò)電流保護(hù)方法、可控整流電路、晶閘管有源逆變電路、晶閘管無(wú)源逆變電路、PWM控制技術(shù)、交流調(diào)壓、直流斬波以及變頻電路的工作原理。

從事電力和電子工程開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的技術(shù)人員，常常要把所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行實(shí)物接線和調(diào)試。過(guò)去，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是：制作一些實(shí)驗(yàn)電路板，通過(guò)繁瑣的線路連接，利用實(shí)際的元器件利用實(shí)驗(yàn)和調(diào)試，在儀器上取得一些數(shù)據(jù)和參數(shù)后再修正原來(lái)設(shè)計(jì)的電路，已達(dá)到最佳設(shè)計(jì)要求。由于受工作場(chǎng)地、儀器設(shè)備、元器件品種、元器件價(jià)格和元器件數(shù)量的限制，很多實(shí)驗(yàn)往往無(wú)法順利完成，這樣一來(lái)既束縛了技術(shù)人員的手腳，又影響了設(shè)計(jì)工作的正常進(jìn)行。為了克服上述困難，可以采用MATLAB的Simulink軟件在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行電路的模擬和仿真。MATLAB軟件是一套具有很高實(shí)用價(jià)值的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具，為從事電力和電子專業(yè)的技術(shù)人員提供了極大的方便，再也無(wú)需受到有限條件的制約和資金的困擾，使設(shè)計(jì)工作可以非常順利地進(jìn)行，節(jié)省了大量時(shí)間，節(jié)約了一定得資金。同其他電路仿真軟件相比,MATLAB具有功能強(qiáng)大，界面直觀，操作方便等優(yōu)點(diǎn)，他改變了有些電路仿真軟件輸入電路采用文本方式的不便之處，MATLAB軟件在創(chuàng)建電路、選用元器件、選擇測(cè)試儀器等方面，都可以直接從屏幕圖形中選取，而且選取的測(cè)試儀器的圖形與實(shí)際電路的波形基本相似，使技術(shù)人員很容易理解和掌握，從而提高了設(shè)計(jì)工作的效率。

1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1晶閘管的結(jié)構(gòu)

晶閘管主要有螺栓型和平板型兩種封裝結(jié)構(gòu)，均引出陽(yáng)極A、陰極K和門極G三個(gè)連接端。

晶閘管內(nèi)部是PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，分別命名為P1、N1、P2、N2四個(gè)區(qū)。P1區(qū)引出陽(yáng)極A，N2區(qū)引出陰極K，P2區(qū)引出門極G。四個(gè)區(qū)形成J1、J2、J3三個(gè)PN結(jié)。如果正向電壓加到器件上，則J2處于反向偏置狀態(tài)，器件A、K兩端之間處于阻斷狀態(tài)，只能流過(guò)很小的漏電流；如果反向電壓加到器件上，則J1和J3反偏，該器件也處于阻斷狀態(tài)，僅有極小的反向漏電流通過(guò)。

1.2晶閘管的工作原理

晶閘管導(dǎo)通的工作原理可以用雙晶體管模型來(lái)解釋，如圖5所示。如在器件上取一傾斜的截面，則晶閘管可以看作由P1N1P2和N1P2N2構(gòu)成的兩個(gè)晶體管V1、V2組合而成。如果外電路向門極注入電流IG，也就是注入驅(qū)動(dòng)電流，則IG流入晶體管V2的基極。即產(chǎn)生集電極電流Ic2，它構(gòu)成晶體管V1的基極電流，放大成集電極電流Ic1，又進(jìn)一步增大V2的基極電流，如此形成強(qiáng)烈的正反饋，最后V1和V2進(jìn)入完全飽和狀態(tài)，即晶閘管導(dǎo)通。此時(shí)如果撤掉外電路注入門極的電流IG，晶閘管由于內(nèi)部已形成了強(qiáng)烈的正反饋會(huì)仍然維持導(dǎo)通狀態(tài)。而若要使晶閘管關(guān)斷，必須去掉陽(yáng)極所加的正向電壓，或者給陽(yáng)極施加反壓，或者設(shè)法使流過(guò)晶閘管的電流降低到接近于零的某一數(shù)值以下，晶閘管才能關(guān)斷。所以，對(duì)晶閘管的驅(qū)動(dòng)過(guò)程更多的是成為觸發(fā)，產(chǎn)生注入門極的觸發(fā)電流IG的電路稱為門極觸發(fā)電路。也正是由于通過(guò)其門極只能控制其開(kāi)通，不能控制其關(guān)斷，晶閘管才被稱為半控型器件。

晶閘管在以下幾種情況下也可能被觸發(fā)導(dǎo)通：陽(yáng)極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值造成雪崩效應(yīng)；陽(yáng)極電壓上升率du/dt過(guò)高；結(jié)溫較高；光直接照射硅片，即光觸發(fā)。這些情況除了由于光觸發(fā)可以保證電路與主電路之間的良好絕緣而應(yīng)用于高壓電力設(shè)備之外，其他都因不易控制而難以應(yīng)用于實(shí)踐。只有門極觸發(fā)是最精確、迅速而可靠的控制手段。

2整流電路的設(shè)計(jì)

主電路原理圖如圖1所示。

圖1主電路原理圖

單相整流電路中應(yīng)用較多的a帶電阻負(fù)載的工作原理如下：

VT1和VT4組成一對(duì)橋臂，在u2正半周承受電壓u2，得到觸發(fā)脈沖即導(dǎo)通，當(dāng)u2過(guò)零時(shí)關(guān)斷。

VT2和VT3組成另一對(duì)橋臂，在u2正半周承受電壓-u2，得到觸發(fā)脈沖即導(dǎo)通，當(dāng)u2過(guò)零時(shí)關(guān)斷。

其工作波形如圖2所示。

圖2工作波形

（1）在u2正半波的（0～α）區(qū)間，晶閘管VT1、VT4承受正向電壓，但無(wú)觸發(fā)脈沖，晶閘管VT2、VT3承受反向電壓。因此在0～α區(qū)間，4個(gè)晶閘管都不導(dǎo)通。

（2）在u2正半波的（α～π）區(qū)間，在ωｔ＝α時(shí)刻，觸發(fā)晶閘管VT1、VT4使其導(dǎo)通。

（3）在u2負(fù)半波的（π～π＋α）區(qū)間，在π～π＋α間，晶閘管VT2、VT3承受正向電壓，因無(wú)觸發(fā)脈沖而處于關(guān)斷狀態(tài)，晶閘管VT1、VT4承受反向電壓也不導(dǎo)通。

（4）在u2負(fù)半波的（π＋α～２π）區(qū)間，在ωｔ＝π＋α時(shí)刻，觸發(fā)晶閘管VT2、VT3使其元件導(dǎo)通，負(fù)載電流沿b→VT3→R→VT2→α→T的二次繞組→b流通，電源電壓沿正半周期的方向施加到負(fù)載電阻上，負(fù)載上有輸出電壓（ud=-u2）和電流，且波形相位相同。

3整流電路參數(shù)計(jì)算

a=0時(shí)，Ud=Ud0=0.9U2。α=180°時(shí)，Ud=0。

可見(jiàn)，a角的移相范圍為180°。

向負(fù)載輸出的直流電流平均值為：

不考慮變壓器的損耗時(shí)，要求變壓器的容量為S=U2I2。

4鋸齒波的觸發(fā)電路設(shè)計(jì)

圖3同步信號(hào)為鋸齒波的觸發(fā)電路

鋸齒波的觸發(fā)電路如圖3所示。

電路輸出可為雙窄脈沖（適用于有兩個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通的電路），也可為單窄脈沖。

主要包括三個(gè)基本環(huán)節(jié)：脈沖的形成與放大、鋸齒波的形成和脈沖移相、同步環(huán)節(jié)。此外，還有強(qiáng)觸發(fā)和雙窄脈沖形成環(huán)節(jié)。

1、脈沖形成環(huán)節(jié)：

由晶體管V4、V5組成，V7、V8起脈沖放大作用?？刂齐妷簎co加在V4基極上。電路的觸發(fā)脈沖由脈沖變壓器TP二次側(cè)輸出，其一次繞組接在V8集電極電路中。脈沖前沿由V4導(dǎo)通時(shí)刻確定，脈沖寬度與反向充電回路時(shí)間常數(shù)R11C3有關(guān)。

2、鋸齒波的形成和脈沖移相環(huán)節(jié)：

鋸齒波電壓形成的方案較多，如采用自舉式電路、恒流源電路等，本電路采用恒流源電路。恒流源電路方案由V1、V2、V3和C2等元件組成，其中V1、VS、RP2和R3為一恒流源電路

3、同步環(huán)節(jié)：

觸發(fā)電路與主電路的同步是指要求鋸齒波的頻率與主電路電源的頻率相同且相位關(guān)系確定。鋸齒波是由開(kāi)關(guān)V2管來(lái)控制的，V2開(kāi)關(guān)的頻率就是鋸齒波的頻率——由同步變壓器所接的交流電壓決定。V2由導(dǎo)通變截止期間產(chǎn)生鋸齒波——鋸齒波起點(diǎn)基本就是同步電壓由正變負(fù)的過(guò)零點(diǎn)。V2截止?fàn)顟B(tài)持續(xù)的時(shí)間就是鋸齒波的寬度——取決于充電時(shí)間常數(shù)R1C1。

4、雙窄脈沖形成環(huán)節(jié)：

內(nèi)雙脈沖電路：每個(gè)觸發(fā)單元的一個(gè)周期內(nèi)輸出兩個(gè)間隔60°的脈沖的電路。V5、V6構(gòu)成一個(gè)“或”門，當(dāng)V5、V6都導(dǎo)通時(shí)，V7、V8都截止，沒(méi)有脈沖輸出。只要V5、V6有一個(gè)截止，都會(huì)使V7、V8導(dǎo)通，有脈沖輸出。第一個(gè)脈沖由本相觸發(fā)單元的uco對(duì)應(yīng)的控制角a產(chǎn)生。隔60°的第二個(gè)脈沖是由滯后60°相位的后一相觸發(fā)單元產(chǎn)生（通過(guò)V6）。

三相橋式全控整流電路中，器件的導(dǎo)通次序?yàn)閂T1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6，彼此間隔60°，相鄰器件成雙接通，所以某個(gè)器件導(dǎo)通的同時(shí)，觸發(fā)單元需要給前一個(gè)導(dǎo)通的器件補(bǔ)送一個(gè)脈沖。

5仿真分析

對(duì)交流電，電壓“Peakamplitude”為100V，“Phase”為0d，其頻率“Frequency”設(shè)置為50Hz，周期T=1/f=1/50=0.02s。電流測(cè)量中“Outputsignal”設(shè)置為complex。脈沖信號(hào)發(fā)生器參數(shù)設(shè)置：“pulsetype”設(shè)置為Timebased，“Time”設(shè)置為Usesimulationtime，“Amplitude”設(shè)置為1.0，“Period”設(shè)置為0.02，“PulseWidth”設(shè)置為10，Pulse參數(shù)對(duì)話框，其中相位延遲Phasedelay的設(shè)置，按關(guān)系t=αT/360°計(jì)算。

1.對(duì)交流電T=0.02s，當(dāng)α=0°仿真時(shí)，pulse1，t=0s，對(duì)pulse2，t=0.01,。

2.當(dāng)α=30°仿真時(shí)，對(duì)pulse1，t=0.00167s，對(duì)pulse2，相位延遲設(shè)置為0.01+0.00167=0.01167s。

3.當(dāng)α=90°仿真時(shí)，對(duì)Pulse1，相位延遲Phasedelay設(shè)置為t=αT/360°=0.005s，對(duì)pulse2，相位延遲設(shè)置為0.01+0.005=0.015s；

如圖4所示為三相橋式全控整流電路的仿真模型

圖4三相橋式全控整流電路的仿真模型

波形圖分別代表晶體管VT上的、晶體管VT上的電壓、電阻加電感上的電壓。下列波形分別是延遲角α為0°、30°、90°時(shí)的波形變化。

α=0°時(shí)的波形圖如圖5所示。

圖5α=0°時(shí)的波形

α=30°時(shí)的波形圖如圖6所示。

圖6α=30°時(shí)的波形

α=90°時(shí)的波形圖如圖7所示。

圖7α=90°時(shí)的波形

由仿真圖可以知道，在三個(gè)波形中，第一個(gè)的波形表示的是晶閘管的電流Ivt，第二個(gè)是晶閘管的電壓Uvt，第三個(gè)表示的是負(fù)載電阻上的電流Id。