摘要：本設計首先簡要介紹了MATLAB的特點以及在整流電路中的應用，通過對三相橋式全控整流電路實例進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載和電阻性負載時輸出負載電壓的變化。然后利用MATLAB/SIMULINK對電力電路進行仿真的方法，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載和電阻性負載的仿真波形，證實了該軟件的簡便直觀、高效快捷和真實準確性。

前言

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

電力電子學,又稱功率電子學(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成的各式各樣的電路或裝置，以完成對電能的變換和控制。它既是電子學在強電(高電壓、大電流)或電工領域的一個分支，又是電工學在弱電(低電壓、小電流)或電子領域的一個分支，或者說是強弱電相結合的新科學。電力電子學是橫跨“電子”、“電力”和“控制”三個領域的一個新興工程技術學科。在電氣自動化專業(yè)中已成為一門專業(yè)基礎性強且與生產(chǎn)緊密聯(lián)系的不可缺少的專業(yè)基礎課。本課程體現(xiàn)了弱電對強電的控制，又具有很強的實踐性。能夠理論聯(lián)系實際，在培養(yǎng)自動化專業(yè)人才中占有重要地位。它包括了晶閘管的結構和分類、晶閘管的過電壓和過電流保護方法、可控整流電路、晶閘管有源逆變電路、晶閘管無源逆變電路、PWM控制技術、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發(fā)設計的技術人員，常常要把所設計的電路進行實物接線和調(diào)試。過去，傳統(tǒng)的設計方法是：制作一些實驗電路板，通過繁瑣的線路連接，利用實際的元器件利用實驗和調(diào)試，在儀器上取得一些數(shù)據(jù)和參數(shù)后再修正原來設計的電路，已達到最佳設計要求。由于受工作場地、儀器設備、元器件品種、元器件價格和元器件數(shù)量的限制，很多實驗往往無法順利完成，這樣一來既束縛了技術人員的手腳，又影響了設計工作的正常進行。為了克服上述困難，可以采用MATLAB的Simulink軟件在計算機上進行電路的模擬和仿真。MATLAB軟件是一套具有很高實用價值的計算機輔助設計工具，為從事電力和電子專業(yè)的技術人員提供了極大的方便，再也無需受到有限條件的制約和資金的困擾，使設計工作可以非常順利地進行，節(jié)省了大量時間，節(jié)約了一定得資金。同其他電路仿真軟件相比,MATLAB具有功能強大，界面直觀，操作方便等優(yōu)點，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，而且選取的測試儀器的圖形與實際電路的波形基本相似，使技術人員很容易理解和掌握，從而提高了設計工作的效率。

1晶閘管的結構與工作原理

1.1晶閘管的結構

晶閘管主要有螺栓型和平板型兩種封裝結構，均引出陽極A、陰極K和門極G三個連接端。

晶閘管內(nèi)部是PNPN四層半導體結構，分別命名為P1、N1、P2、N2四個區(qū)。P1區(qū)引出陽極A，N2區(qū)引出陰極K，P2區(qū)引出門極G。四個區(qū)形成J1、J2、J3三個PN結。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。

1.2晶閘管的工作原理

晶閘管導通的工作原理可以用雙晶體管模型來解釋，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構成的兩個晶體管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，它構成晶體管V1的基極電流，放大成集電極電流Ic1，又進一步增大V2的基極電流，如此形成強烈的正反饋，最后V1和V2進入完全飽和狀態(tài)，即晶閘管導通。此時如果撤掉外電路注入門極的電流IG，晶閘管由于內(nèi)部已形成了強烈的正反饋會仍然維持導通狀態(tài)。而若要使晶閘管關斷，必須去掉陽極所加的正向電壓，或者給陽極施加反壓，或者設法使流過晶閘管的電流降低到接近于零的某一數(shù)值以下，晶閘管才能關斷。所以，對晶閘管的驅(qū)動過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。也正是由于通過其門極只能控制其開通，不能控制其關斷，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)導通：陽極電壓升高至相當高的數(shù)值造成雪崩效應；陽極電壓上升率du/dt過高；結溫較高；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用于高壓電力設備之外，其他都因不易控制而難以應用于實踐。只有門極觸發(fā)是最精確、迅速而可靠的控制手段。

2整流電路的設計

主電路原理圖如圖1所示。

圖1主電路原理圖

單相整流電路中應用較多的a帶電阻負載的工作原理如下：

VT1和VT4組成一對橋臂，在u2正半周承受電壓u2，得到觸發(fā)脈沖即導通，當u2過零時關斷。

VT2和VT3組成另一對橋臂，在u2正半周承受電壓-u2，得到觸發(fā)脈沖即導通，當u2過零時關斷。

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個晶閘管都不導通。

（2）在u2正半波的（α～π）區(qū)間，在ωｔ＝α時刻，觸發(fā)晶閘管VT1、VT4使其導通。

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

（4）在u2負半波的（π＋α～２π）區(qū)間，在ωｔ＝π＋α時刻，觸發(fā)晶閘管VT2、VT3使其元件導通，負載電流沿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載電阻上，負載上有輸出電壓（ud=-u2）和電流，且波形相位相同。

3整流電路參數(shù)計算

a=0時，Ud=Ud0=0.9U2。α=180°時，Ud=0。

可見，a角的移相范圍為180°。

向負載輸出的直流電流平均值為：

不考慮變壓器的損耗時，要求變壓器的容量為S=U2I2。

4鋸齒波的觸發(fā)電路設計

圖3同步信號為鋸齒波的觸發(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（適用于有兩個晶閘管同時導通的電路），也可為單窄脈沖。

主要包括三個基本環(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。控制電壓uco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導通時刻確定，脈沖寬度與反向充電回路時間常數(shù)R11C3有關。

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系確定。鋸齒波是由開關V2管來控制的，V2開關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由導通變截止期間產(chǎn)生鋸齒波——鋸齒波起點基本就是同步電壓由正變負的過零點。V2截止狀態(tài)持續(xù)的時間就是鋸齒波的寬度——取決于充電時間常數(shù)R1C1。

4、雙窄脈沖形成環(huán)節(jié)：

內(nèi)雙脈沖電路：每個觸發(fā)單元的一個周期內(nèi)輸出兩個間隔60°的脈沖的電路。V5、V6構成一個“或”門，當V5、V6都導通時，V7、V8都截止，沒有脈沖輸出。只要V5、V6有一個截止，都會使V7、V8導通，有脈沖輸出。第一個脈沖由本相觸發(fā)單元的uco對應的控制角a產(chǎn)生。隔60°的第二個脈沖是由滯后60°相位的后一相觸發(fā)單元產(chǎn)生（通過V6）。

三相橋式全控整流電路中，器件的導通次序為VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6，彼此間隔60°，相鄰器件成雙接通，所以某個器件導通的同時，觸發(fā)單元需要給前一個導通的器件補送一個脈沖。

5仿真分析

對交流電，電壓“Peakamplitude”為100V，“Phase”為0d，其頻率“Frequency”設置為50Hz，周期T=1/f=1/50=0.02s。電流測量中“Outputsignal”設置為complex。脈沖信號發(fā)生器參數(shù)設置：“pulsetype”設置為Timebased，“Time”設置為Usesimulationtime，“Amplitude”設置為1.0，“Period”設置為0.02，“PulseWidth”設置為10，Pulse參數(shù)對話框，其中相位延遲Phasedelay的設置，按關系t=αT/360°計算。

1.對交流電T=0.02s，當α=0°仿真時，pulse1，t=0s，對pulse2，t=0.01,。

2.當α=30°仿真時，對pulse1，t=0.00167s，對pulse2，相位延遲設置為0.01+0.00167=0.01167s。

3.當α=90°仿真時，對Pulse1，相位延遲Phasedelay設置為t=αT/360°=0.005s，對pulse2，相位延遲設置為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°時的波形變化。

α=0°時的波形圖如圖5所示。

圖5α=0°時的波形

α=30°時的波形圖如圖6所示。

圖6α=30°時的波形

α=90°時的波形圖如圖7所示。

圖7α=90°時的波形

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