張 維，齊鍇亮

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712000）

基于MATLAB的單相橋式全控整流電路的建模與分析

張 維，齊鍇亮

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712000）

本文通過對(duì)于單相橋式全控整流電路分析，利用MATLAB對(duì)于單相橋式全控整流電路進(jìn)行建模，并對(duì)其外接阻性負(fù)載及感性負(fù)載時(shí)的工作情況進(jìn)行分析與研究，并分別構(gòu)建仿真模型及參數(shù)設(shè)置等，得出實(shí)際仿真結(jié)果，并驗(yàn)證其建模的正確性。

單相；全控整流；觸發(fā)角；建模仿真

單相橋式全控整流電路是電力電子技術(shù)中應(yīng)用最廣泛的電路變換之一，主要應(yīng)用于工業(yè)、供電系統(tǒng)等眾多領(lǐng)域。因此分析與研究單相橋式全控整流電路具有很重要的實(shí)際效力，并對(duì)于整流電路的整體運(yùn)用具有預(yù)測(cè)性和有效的指導(dǎo)作用[1]。

1 單相全控整流電路的原理

整流電路使用最多的是單相橋式全控整流電路，如圖1所示為單相橋式整流電路。在單相橋式全控整流電路中，交流電運(yùn)行的每半個(gè)周期內(nèi)，其電流通路中均有2個(gè)晶閘管導(dǎo)通，即4個(gè)晶閘管交替導(dǎo)通（V1與V4，V2與V3）以以構(gòu)成回路[2]。具體電路如圖1所示。

下面具體分析帶阻性和感性負(fù)載時(shí)的單相橋式全控整流電路的工作原理情況：

V1和V4可組成一對(duì)橋臂，其承受變壓器二次側(cè)正半周電壓u2，若在觸發(fā)角α處給晶閘管V1和V4施加觸發(fā)脈沖使其開通，電流從 u2正極經(jīng) V1、R1、L1、V4流回電源負(fù)極，此時(shí)uL=u2。在u2過經(jīng)過下一周期起始零時(shí)晶閘管關(guān)斷[4]。假設(shè)電路已工作于穩(wěn)態(tài)，iL的平均值不變。若為感性負(fù)載，則電流不能突變，電感對(duì)負(fù)載電流起平波作用，假設(shè)負(fù)載電感很大，則負(fù)載電流iL連續(xù)且近似為一水平直線，u2運(yùn)行到從零變負(fù)時(shí)，由于電感的放電作用晶閘管V1和V4中仍流過電流iL，則晶閘管并不關(guān)斷[5]。

圖1 單相橋式全控整流電路圖

V2和V3組成另一對(duì)橋臂，在u2為正半周時(shí)承受電壓為-u2，至 ωt=π+α 時(shí)刻，給 V2和 V3施加觸發(fā)脈沖，因?yàn)閂2和V3已承受正向電壓，故這兩個(gè)晶閘管導(dǎo)通[6]。在u2運(yùn)行到過零時(shí)關(guān)斷。V2和V3導(dǎo)通后，則V4和V1被施加反向電壓使其關(guān)斷。流過V1和V4的電流很快轉(zhuǎn)移到V2和V3上，此過程被稱為換相，也成為換流。在下一周期重復(fù)相同過程，如此循環(huán)工作[7]。

若4個(gè)晶閘管均不導(dǎo)通，則負(fù)載電流iL為零，負(fù)載電壓uL也為零[8]。

根據(jù)單相橋式整流電路工作原理，計(jì)算輸出負(fù)載電壓的平均值：

晶閘管移相范圍為90°，晶閘管導(dǎo)通角θ與α無關(guān)，均為 180°。

電流的平均值和有效值分別為[9]：

2 系統(tǒng)建模與分析

單相橋式全控整流電路的仿真模型如圖2所示[10]，下面針對(duì)阻性與感性負(fù)載進(jìn)行建模與分析：

1）阻性負(fù)載情況（假設(shè)電感值為0，即不接入電感）

相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置：交流電壓源參數(shù)：U2=100 V，f=1 Hz；晶閘管參數(shù)：Rn=0.001 Ω，Lon=0 H，Vf=0.8 V，Rs=10 Ω，Cs=250e-9F；負(fù)載參數(shù)：R=10 Ω，L=0 H，C=inf；脈沖發(fā)生器觸發(fā)信號(hào)1與2的振幅均為5 V，周期為1 s，脈沖寬度為2。

圖2 單相橋式全控整流電路的MATLAB/Simulink仿真模型

具體參數(shù)設(shè)置可分別打開仿真元件的對(duì)話框進(jìn)行設(shè)置。

設(shè)置觸發(fā)信號(hào)1和觸發(fā)信號(hào)4的初相位為0 s（即0），觸發(fā)信號(hào)2和觸發(fā)信號(hào)3的初相位為0.5 s（即Π），即控制角為0度，對(duì)每個(gè)參數(shù)設(shè)置完成之后可單擊仿真按鈕對(duì)其結(jié)果進(jìn)行仿真，此時(shí)的仿真結(jié)果如圖3所示。從上往下分析，前兩個(gè)波形是觸發(fā)脈沖，其中第一個(gè)為1、4晶閘管的觸發(fā)脈沖，第二個(gè)為2、3晶閘管的觸發(fā)脈沖，第三個(gè)波形為電源電壓，第4個(gè)波形為負(fù)載電流，第五個(gè)波形為流過晶閘管的電流，第六個(gè)波形為晶閘管反向端電壓，第七個(gè)波形為負(fù)載電壓 （以后的波形順序不變與此仿真相同）；設(shè)置觸發(fā)信號(hào)1和觸發(fā)信號(hào)4的初相位為0.25 s（即Π/2），觸發(fā)信號(hào)2和觸發(fā)信號(hào)3的初相位為0.75 s（即 3Π/2），即控制角為 Π/2，此時(shí)的仿真結(jié)果如圖4所示[12]。

對(duì)純負(fù)載時(shí)的波形簡(jiǎn)要分析：由圖3可以看出當(dāng)給晶閘管V1、V4觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)，即在0~0.5 s時(shí)，電路形成閉合回路，由于u2運(yùn)行到正半軸，整流電路處在正相導(dǎo)通階段，所以負(fù)載的電壓即為電源電壓與負(fù)載的比值，具體的波形可見圖3所示。在0.5~1.0 s時(shí)，觸發(fā)V2、V3導(dǎo)通，由于 u2運(yùn)行到負(fù)半軸，整流電路處在反相導(dǎo)通階段，但流過負(fù)載的電流方向依然不變，故仍然輸出仍然為正值，所以在一個(gè)完整的周期內(nèi)負(fù)載均有輸出，通過4個(gè)晶閘管交替導(dǎo)通使正弦交流電變?yōu)槊}動(dòng)的直流，實(shí)現(xiàn)了整流的目的[13]。

圖3 阻性負(fù)載控制角為0的波形

圖4 阻性負(fù)載控制角為Π/2的波形

2）感性負(fù)載時(shí)的情況

相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置：交流電壓源參數(shù)：U2=100 V，f=1 Hz；晶閘管參數(shù)：Rn=0.001 Ω，Lon=0 H，Vf=0.8 V，Rs=10 Ω，Cs=250e-9F；負(fù)載參數(shù)：R=10 Ω，L=0 H，C=inf；脈沖發(fā)生器觸發(fā)信號(hào)1與2的振幅均為5 V，周期為 1s脈沖寬度為 2；R=1 Ω，L=0.01 H，C=inf[14]。

圖5 感性負(fù)載控制角為0的波形

圖6 感性負(fù)載控制角為Π/2的波形

3）有源逆變的仿真

有源逆變的結(jié)構(gòu)模型依然與前面的原理圖相同，僅需要把負(fù)載改接為一電阻與直流電源串聯(lián)的形式。相應(yīng)的參數(shù)設(shè)計(jì)：R=5 Ω，電壓為120 V，控制角為Π/2。仿真波形如圖7所示。

從有源逆變電路的MATLAB/simulink建模波形中可以總結(jié)出產(chǎn)生逆變的條件[15]：

1）要有直流電動(dòng)勢(shì)，其極性需和晶閘管的導(dǎo)通方向保持一致，其值應(yīng)大于交流電路直流側(cè)的平均電壓。

2）晶閘管的控制角要求大于Π/2，以使UL為負(fù)值。

以上兩個(gè)條件必須同時(shí)具備才可實(shí)現(xiàn)有源逆變。

圖7 單相橋式有源逆變電路的仿真結(jié)果

3 結(jié)束語(yǔ)

文中通過對(duì)于單相橋式全控整流電路分析，借助MATLAB/simulink與powersystem工具箱，對(duì)于單相橋式全控整流電路進(jìn)行建模。本文首先對(duì)于純電阻性負(fù)載時(shí)的工作情況進(jìn)行分析，驗(yàn)證觸發(fā)角α的移相范圍是0～Π，此時(shí)負(fù)載電流是不連續(xù)的；其次對(duì)于RL串聯(lián)負(fù)載電路的工作情況進(jìn)行分析，驗(yàn)證觸發(fā)角α的移相范圍是0～Π/2，此時(shí)負(fù)載電流是連續(xù)的，同時(shí)本文還總結(jié)逆變電路產(chǎn)生的條件及其仿真參數(shù)設(shè)置，并對(duì)于其波形進(jìn)行分析。

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Modeling and analysis of single phase bridge full control rectification circuit based on MATLAB

ZHANG Wei，QI Kai-liang
（School of Electrical Engineering，Shaanxi Polytechnic Institute，Xianyang 712000，China）

Through the analysis of the single-phase full bridge controlled rectifier circuit，The paper establishes the model of single phase bridge rectifier circuit based on MATLAB，and analysis and research on the working condition of the external resistance load and inductive load，structure the simulation model and parameter setting， and obtain the experimental results， and verify the correctness of the simulation results.

single-phase； full controlled rectifier； trigger angle； modeling and simulation

TN702

A

1674－6236（2017）12-0097-04

2016-04-11稿件編號(hào)：201604100

張 維（1986—），男，陜西咸陽(yáng)人，碩士，講師。研究方向：過程控制與電力電子技術(shù)、自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。