基于MATLAB 的單相半波可控整流電路仿真分析

張 浚， 李自成， 李镕杰， 袁苓芷， 陳華良

（成都理工大學工程技術學院， 四川 樂山 614000）

0 引言

在電力電子領域，整流電路是一種常見且重要的電路拓撲結構。可控整流電路作為一種能夠實現電能調節和控制的技術，在能源轉換和電力質量改善方面具有廣泛的應用前景。單相半波可控整流電路作為可控整流電路的一種典型形式，其研究對于提高電力系統效率和穩定性具有重要意義。

基于MATLAB 平臺[1]對單相半波可控整流電路進行建模和仿真研究。通過仿真實驗，探索不同觸發角下的輸出電壓和電流波形以及不同負載類型下的仿真結果，驗證仿真結果與理論分析的一致性。通過本研究，可以深入理解單相半波可控整流電路的工作原理和特點，并為電力電子系統的設計和優化提供參考。

首先介紹了研究的背景、動機，明確了論文的目標與意義，并對整體結構進行了概要。系統概述了單相半波可控整流電路，包含了整流電路的基本原理、可控整流電路的操作原理，以及單相半波可控整流電路的獨特特性。討論了MATLAB 在電力電子仿真中的廣泛應用，涵蓋了MATLAB 的基本特性和優越性，以及其在電力電子領域的應用概況。詳細闡述了單相半波可控整流電路的建模與仿真方法[2]，包括參數設定和仿真模型的構建步驟。通過對仿真結果與理論分析的比較與驗證，確認了仿真結果的準確性和可靠性。最終，對整個研究進行總結，探討了結果的意義和分析，提出了存在問題的同時提供改進方向，同時展望了未來相關研究的方向。

1 單相半波可控整流電路概述

1.1 整流電路的基本原理

整流電路是將交流電信號轉換為直流電信號的電路。在整流過程中，交流電信號經過整流器件（如二極管或可控硅）的導通和關斷，使得只有一個方向的電流通過，從而實現了信號的單向傳輸。整流電路常用于電源供電、電動機驅動、電子設備等領域。

1.2 可控整流電路的工作原理

可控整流電路是通過控制器件的導通和關斷來實現對整流過程的控制。其中，可控硅和可控二極管是常用的可控器件。可控硅通過控制其門極電壓和觸發角來實現導通和關斷，而可控二極管則通過控制其正向偏置電壓來實現導通和關斷。可控整流電路具有靈活性和可調性，能夠根據需要調整輸出電壓和電流的波形。

1.3 單相半波可控整流電路的特點

單相半波可控整流電路是一種常見的可控整流電路結構。它由一個可控整流器件（如可控硅）和一個負載組成，見圖1。在每個交流周期中，可控整流器件只導通一半周期，從而實現了半波整流[3]。單相半波可控整流電路具有以下特點：

圖1 單相半波可控整流電路原理圖

1）簡單結構：單相半波可控整流電路由較少的元件組成，結構簡單，易于實現和維護。

2）較低成本：由于單相半波可控整流電路只需要一個可控整流器件，相比其他整流電路結構，成本較低。

3）適用于小功率應用：單相半波可控整流電路適用于小功率應用，如家用電器、電子設備等。

2 MATLAB 在電力電子仿真中的應用

2.1 MATLAB 的基本特點和優勢

1）高效的數值計算能力：MATLAB 提供了豐富的數學函數和算法，能夠進行高效的數值計算和數據處理。

2）靈活的編程環境：MATLAB 具有易于使用的編程語言，可以編寫腳本和函數來實現復雜的電力電子仿真模型。

3）豐富的工具箱和函數庫：MATLAB 提供了各種工具箱和函數庫，包括控制系統工具箱、信號處理工具箱等，方便進行電力電子仿真和分析。

4）直觀的圖形界面：MATLAB 提供了直觀的圖形界面，可以可視化仿真結果和數據，便于分析和展示。

2.2 MATLAB 在電力電子領域的應用概述

1）電路建模和分析：使用MATLAB 可以建立電力電子系統的數學模型，并進行電路分析、參數優化等。

2）控制算法設計：MATLAB 提供了豐富的控制系統工具箱，可以設計和驗證各種控制算法，如PID 控制、模糊控制等。

3）電力電子系統仿真：通過MATLAB/Simulink 工具，可以進行電力電子系統的仿真，包括整流電路、逆變電路、電機驅動系統等。

4）系統優化和參數估計：利用MATLAB 的優化工具箱和參數估計工具箱，可以對電力電子系統進行性能優化和參數估計。

2.3 MATLAB/Simulink 在可控整流電路仿真中的應用

1）建立可控整流電路的仿真模型：通過搭建電路拓撲結構、設定參數和控制策略，可以建立可控整流電路的仿真模型。

2）仿真不同觸發角下的輸出波形：通過改變觸發角，可以模擬不同導通和關斷時機下的輸出電壓和電流波形。

3）仿真不同負載類型下的結果對比：通過改變負載類型，可以比較不同負載情況下的輸出特性，如電流波形和效率等。

3 單相半波可控整流電路的建模與仿真

3.1 仿真模型的搭建步驟方法

1）確定電路拓撲結構和元件：確定單相半波可控整流電路的電路拓撲結構；根據電路的實際應用需求，選擇合適的元件。

2）設定電路參數：根據電路的實際參數，如輸入電壓、電阻負載等，設定電路的參數。這些參數將用于仿真模型的建立和仿真結果的分析。

3）建立仿真模型：利用仿真軟件（如MATLAB/Simulink）建立單相半波可控整流電路的仿真模型。根據電路的拓撲結構和參數設定，選擇相應的模塊和元件進行連接和配置。

4）進行仿真實驗：通過設置仿真參數和輸入信號，觀察輸出電壓和電流的波形和性能。可以根據需要進行多組仿真實驗，以分析不同工況下的電路性能。

3.2 參數具體設定

1）電源電壓值為220 V，頻率為50 Hz；

2）脈沖觸發信號：峰值40，周期0.02 s，延遲時間為0.002 5 s（取45°為例）；

3）負載：設置為純電阻負載，電阻值為2 Ω；

4）運行時間：0.5 s；

通過以上步驟，可以建立單相半波可控整流電路的仿真模型，并進行仿真實驗來分析電路的性能和特性。結果如圖2 所示。

圖2 單相半波可控整流電路仿真圖

4 仿真結果與理論分析的一致性驗證

4.1 理論分析的基本原理和方法

理論分析是通過數學模型和公式來推導電路的行為和性能，從而與仿真結果進行比較和驗證。以下是一些常用的理論分析方法：

1）基本電路理論：根據電路的基本原理和電路元件的特性，可以推導出電路的基本方程和特征。例如，對于單相半波可控整流電路，可以利用電路的基本原理和整流元件的導通和截止條件，推導出輸出電壓和電流的數學表達式。

2）理想元件假設：在理論分析中，常常采用理想元件的假設，即假設電路中的元件是完美的，沒有任何損耗和非線性特性。這樣可以簡化電路的分析過程，并得到理論上的理想結果。然后，可以將理論結果與仿真結果進行比較，評估仿真模型的準確性。

3）等效電路模型：對于復雜的電路，可以使用等效電路模型來近似描述電路的行為。等效電路模型是通過將電路抽象為一組簡化的電路元件和連接關系，從而簡化電路的分析和計算。通過比較等效電路模型的理論結果和仿真結果，可以驗證仿真模型的準確性。

4.2 仿真結果與理論分析的比較與驗證

在本節中，將對仿真結果進行與理論分析進行比較和驗證。通過對比仿真結果和理論計算的輸出電壓和電流波形，可以評估仿真模型的準確性，并驗證仿真結果的可靠性。具體的比較與驗證方法包括：

1）波形比較：將仿真結果的輸出電壓和電流波形與理論計算的波形進行對比。通過觀察波形的形狀、幅值和頻譜特征等，可以判斷仿真結果與理論分析的一致性。如果波形之間非常接近，并且符合預期的電路行為，那么可以認為仿真模型是準確的。

2）參數比較：將仿真結果的輸出參數（如平均值、峰值、諧波含量等）與理論計算的參數進行比較。通過計算仿真結果與理論分析結果之間的差異，并進行定量的誤差分析，可以評估仿真模型的準確性。

主要通過波形進行比較。

例如圖3 是觸發角為30°時，電源電壓，脈沖觸發信號及晶閘管電壓電流理論分析波形圖[4]。

圖3 理論波形圖

通過對仿真結果與理論波形圖比較與驗證，可以得出結論，仿真模型的準確性較高，可以提供可靠的基礎。

5 結論與展望

5.1 論文工作總結

首先介紹了整流電路的基本原理和可控整流電路的工作原理，以及單相半波可控整流電路。接著探討了MATLAB 在電力電子仿真中的應用，特別是MATLAB/Simulink 在可控整流電路仿真中的應用。

然后，詳細闡述了單相半波可控整流電路的建模與仿真過程，包括電路拓撲結構和參數設定，控制策略的選擇與實現，以及仿真模型的搭建步驟。通過不同觸發角下的輸出電壓和電流波形仿真結果的分析，以及不同負載類型下的仿真結果對比，對單相半波可控整流電路的性能進行了評估和討論。

5.2 結論討論與分析

不同觸發角下的輸出電壓和電流波形：隨著觸發角的變化，輸出電壓和電流的波形會發生相應的變化。較小的觸發角可以提供更高的輸出電壓和電流，但可能會增加諧波含量。較大的觸發角可以降低諧波含量，但會減小輸出電壓和電流的幅值。

5.3 存在的問題與改進方向

1）控制策略的優化：可以進一步優化控制策略，以提高整流電路的效率和穩定性。例如，采用更先進的PWM控制算法來減小諧波含量和波形畸變。

2）參數的精確確定：在建模和仿真過程中，參數的準確性對結果的影響很大。可以通過實驗測量或更精確的理論計算來確定參數，提高仿真結果的準確性。

5.4 后續研究的展望

1）多相可控整流電路的研究：可以擴展研究范圍，探索多相可控整流電路的建模和仿真，以滿足更復雜的電力電子應用需求。

2）考慮更復雜的控制策略：除了常見的觸發角控制和PWM控制，還可以研究和應用其他更復雜的控制策略，如預測控制、模糊控制等，以提高整流電路的性能和穩定性。