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

（陜西工業職業技術學院 電氣工程學院，陜西 咸陽 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

（陜西工業職業技術學院 電氣工程學院，陜西 咸陽 712000）

本文通過對于單相橋式全控整流電路分析，利用MATLAB對于單相橋式全控整流電路進行建模，并對其外接阻性負載及感性負載時的工作情況進行分析與研究，并分別構建仿真模型及參數設置等，得出實際仿真結果，并驗證其建模的正確性。

單相；全控整流；觸發角；建模仿真

單相橋式全控整流電路是電力電子技術中應用最廣泛的電路變換之一，主要應用于工業、供電系統等眾多領域。因此分析與研究單相橋式全控整流電路具有很重要的實際效力，并對于整流電路的整體運用具有預測性和有效的指導作用[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，交流電運行的每半個周期內，其電流通路中均有2個晶閘管導通，即4個晶閘管交替導通（V1與V4，V2與V3）以以構成回路[2]。具體電路如圖1所示。

下面具體分析帶阻性和感性負載時的單相橋式全控整流電路的工作原理情況：

V1和V4可組成一對橋臂，其承受變壓器二次側正半周電壓u2，若在觸發角α處給晶閘管V1和V4施加觸發脈沖使其開通，電流從 u2正極經 V1、R1、L1、V4流回電源負極，此時uL=u2。在u2過經過下一周期起始零時晶閘管關斷[4]。假設電路已工作于穩態，iL的平均值不變。若為感性負載，則電流不能突變，電感對負載電流起平波作用，假設負載電感很大，則負載電流iL連續且近似為一水平直線，u2運行到從零變負時，由于電感的放電作用晶閘管V1和V4中仍流過電流iL，則晶閘管并不關斷[5]。

圖1 單相橋式全控整流電路圖

V2和V3組成另一對橋臂，在u2為正半周時承受電壓為-u2，至 ωt=π+α 時刻，給 V2和 V3施加觸發脈沖，因為V2和V3已承受正向電壓，故這兩個晶閘管導通[6]。在u2運行到過零時關斷。V2和V3導通后，則V4和V1被施加反向電壓使其關斷。流過V1和V4的電流很快轉移到V2和V3上，此過程被稱為換相，也成為換流。在下一周期重復相同過程，如此循環工作[7]。

若4個晶閘管均不導通，則負載電流iL為零，負載電壓uL也為零[8]。

根據單相橋式整流電路工作原理，計算輸出負載電壓的平均值：

晶閘管移相范圍為90°，晶閘管導通角θ與α無關，均為 180°。

電流的平均值和有效值分別為[9]：

2 系統建模與分析

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

1）阻性負載情況（假設電感值為0，即不接入電感）

相應的參數設置：交流電壓源參數：U2=100 V，f=1 Hz；晶閘管參數：Rn=0.001 Ω，Lon=0 H，Vf=0.8 V，Rs=10 Ω，Cs=250e-9F；負載參數：R=10 Ω，L=0 H，C=inf；脈沖發生器觸發信號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

具體參數設置可分別打開仿真元件的對話框進行設置。

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

對純負載時的波形簡要分析：由圖3可以看出當給晶閘管V1、V4觸發導通時，即在0~0.5 s時，電路形成閉合回路，由于u2運行到正半軸，整流電路處在正相導通階段，所以負載的電壓即為電源電壓與負載的比值，具體的波形可見圖3所示。在0.5~1.0 s時，觸發V2、V3導通，由于 u2運行到負半軸，整流電路處在反相導通階段，但流過負載的電流方向依然不變，故仍然輸出仍然為正值，所以在一個完整的周期內負載均有輸出，通過4個晶閘管交替導通使正弦交流電變為脈動的直流，實現了整流的目的[13]。

圖3 阻性負載控制角為0的波形

圖4 阻性負載控制角為Π/2的波形

2）感性負載時的情況

相應的參數設置：交流電壓源參數：U2=100 V，f=1 Hz；晶閘管參數：Rn=0.001 Ω，Lon=0 H，Vf=0.8 V，Rs=10 Ω，Cs=250e-9F；負載參數：R=10 Ω，L=0 H，C=inf；脈沖發生器觸發信號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 感性負載控制角為0的波形

圖6 感性負載控制角為Π/2的波形

3）有源逆變的仿真

有源逆變的結構模型依然與前面的原理圖相同，僅需要把負載改接為一電阻與直流電源串聯的形式。相應的參數設計：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出產生逆變的條件[15]：

1）要有直流電動勢，其極性需和晶閘管的導通方向保持一致，其值應大于交流電路直流側的平均電壓。

2）晶閘管的控制角要求大于Π/2，以使UL為負值。

以上兩個條件必須同時具備才可實現有源逆變。

圖7 單相橋式有源逆變電路的仿真結果

3 結束語

文中通過對于單相橋式全控整流電路分析，借助MATLAB/simulink與powersystem工具箱，對于單相橋式全控整流電路進行建模。本文首先對于純電阻性負載時的工作情況進行分析，驗證觸發角α的移相范圍是0～Π，此時負載電流是不連續的；其次對于RL串聯負載電路的工作情況進行分析，驗證觸發角α的移相范圍是0～Π/2，此時負載電流是連續的，同時本文還總結逆變電路產生的條件及其仿真參數設置，并對于其波形進行分析。

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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：201604100

張 維（1986—），男，陜西咸陽人，碩士，講師。研究方向：過程控制與電力電子技術、自動化控制系統設計。