基于MATLAB的三相整流电路仿真研究毕业设计.docx
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基于MATLAB的三相整流电路仿真研究毕业设计
西安航空职业技术学院
毕业设计（论文）
论文题目：
基于MATLAB的三相整流电路仿真研究
所属系部：
自动化工程学院
指导教师：
党智乾职 称：
讲师
学生姓名：
学 号:
专 业：
生产过程自动化技术
西安航空职业技术学院制
西安航空职业技术学院
毕业设计（论文）任务书
题目：
基于MATLAB的三相整流电路仿真研究
任务与要求：
1.掌握三相整流电路的硬件设计及其工作原理
2.能用matlab/simulink软件搭建模块图并熟练设置不同电路在不同触
发角下各模块的参数
3.能用matlab仿真三相整流电路的波形图并对它不同负载做了对比且
能分析其波形特点
时间：
2013年10月8日至2013年12月8日共8周
所属系部：
自动化工程学院
学生姓名：
房锴锴学号：
116041—13
专业：
生产过程自动化技术
指导单位或教研室：
生产过程自动化教研室
指导教师：
党智乾职称：
讲师
西安航空职业技术学院制
毕业设计（论文）进度计划表
日期
工作内容
执行情况
指导教师
签字
2013.10.8
领取毕业设计课题
2013.10.8-15
收集MATLAB资料，全面认识MATLAB软件的强大功能并熟悉各模块功能
2013.10.16-25
学习三相整流电路硬件原理
2013.10.26-11.5
三相整流电路Simulink中模型的建立
2013.11.6-16
不同三相整流电路在Simulink中的仿真及分析
2013.11.17-24
《基于MATLAB的三相整流电路仿真研究》电子稿的撰写
2013.11.25-12.8
《基于MATLAB的三相整流电路仿真研究》电子稿的修改
教师对进度计划实施情况总评
签名
年月日
本表作评定学生平时成绩的依据之一。
摘要
本文设计了运用了MATLAB对三相整流电路的仿真，整流电路是把交流电能转换为直流电能的电路，它在直流电动机的调速、发电机的励磁调节、电解、电镀等领域得到广泛的应用。
本文基于三相整流电路的原理，对不同控制角度带不同负载的三相全控整流电路的仿真模拟，并做了一定的分析。
矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。
三相整流电路的整体设计，原理分析。
利用MATLAB/simulink进行三相半波整流电路，三相桥式半控电路，三相全控整流电路的设计，模块的建立，模拟，仿真。
设定在不同的控制角度条件下，对三相半波整流电路，三相桥式半控整流电路，三相桥式全控整流电路，带纯电阻负载、阻感负载的电路仿真，对其三相桥式全控整流电路电阻负载，阻感负载，电阻阻感负载做了对比，并做了一定的分析。
聞創沟燴鐺險爱氇谴净。
关键词：
MATLAB；三相电源整流；参数设置；simulink仿真；分析。
Abstract
ThispaperdesignedusingMATLABsimulationofthethree-phaserectifiercircuit,rectifiercircuitistoconvertalternatingcurrenttoDCelectricalenergy,iswidelyusedinitsspeed,excitationDCmotorgeneratorregulation,electrolysis,electroplatingandotherfields.Inthispaper,basedontheprincipleofthree-phaserectifiercircuit,three-phaseloadwithdifferentsimulationofdifferentcontrolangleoffullcontrolledrectifiercircuit,anddidsomeanalysis.残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。
Hardwaredesignofthree-phaserectifiercircuit,principleanalysis.UsingMATLAB/simulinkforthree-phasehalfwaverectifiercircuit,three-phasehalfcontrolledbridgecircuit,designofthree-phasefullcontrolledrectifiercircuit,theestablishmentofmodule,simulation,simulation.Setinthecontrolangleunderdifferentconditions,thethreephasehalfwaverectifiercircuit,three-phasehalfcontrolledbridgerectifiercircuit,three-phasefullbridgecontrolledrectifiercircuit,withpureresistiveload,resistanceandinductancecircuitsimulationload,loadofthree-phasefullbridgecontrolledrectifiercircuitresistance,resistanceandinductanceload,inductiveload.Thecomparisonofresistance,anddosomeanalysis.酽锕极額閉镇桧猪訣锥。
Keywords:
MATLAB;three-phaserectifier;parameteradjustment;Simulinksimulation;analysis.彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。
1绪论
1.1问题的提出
电力电子技术是电气工程及其他相关专业的重要专业基础课．该课程通过分析各类电力电子器件的导通、关断情况来理解整流、逆变、调压等典型电路的工作原理，是一门实践性很强的课程。
熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库。
整流电路尤其是三相桥式可控整流电路是电力电子技术中最为重要的也是应用的最为广泛的电路，不仅应用于一般工业，也广泛的应用于交流运输、电力系统、通信系统、能源系统及其他领域。
因此对三相桥式可控整流电路的相关参数和不同性质负载的工作情况进行对比分析与研究具有很强的现实意义。
通过查阅可控整流电路控制、驱动等相关资料，对相关主电路和驱动电路的分析研究，可以对电力电子器件的应用、驱动和保护有一个更深刻的认识，同时为今后的学习和工作打下良好的基础。
鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞。
整流电路（rectifyingcircuit）把交流电能转换为直流电能的电路。
大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成。
它在直流电动机的调速、发电机的励磁调节、电解、电镀等领域得到广泛应用。
纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛。
计算机仿真是通过对被研究的对象建立数学模型来进行仿真研究的。
随着计算技术的日趋发展和完善，无论描述研究对象的数学模型多么复杂庞大，只要其具有正确性，则仿真结果总是安全可靠的，这是诸如实物试验等其它的研究方法所无法比拟的。
一般来说，仿真时首先建立应用系统的仿真模型，然后即可利用计算机去求解，故而其具有简单、快捷、经济等特点。
另外，仿真资源还具有可重复利用的巨大优势，在针对不同的系统进行仿真时，有时甚至只需更改个别参数或个别环节。
因而计算机仿真技术如今已广泛应用于各个领域。
鉴于计算机仿真技术在科研实践中具有如此巨大的优越性，把该项技术引入到三相桥式整流电路中，不仅有利于简化研制过程、优化系统参数、缩短研制周期，还有利于降低设计者的劳动强度，因而具有重大的实践意义。
颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷。
MATLAB,是由Mathworks公司推出,其中的PowerSystemBlockset（PSB）含有在一定使用条件下的元件模型,包括电力系统网络元件、电机、电力电子器件、控制和测量环节以及三相元件库等,再借助于其它模块库或工具箱,在Simulink环境下,可以进行电力系统的仿真计算,可以实现复杂的控制方法仿真,同时可以观察仿真的执行过程。
仿真结果在仿真结束时利用变量存储在MATLAB的工作空间中。
濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。
在电气工程类专业教学中应用Matlab仿真软件是非常有必要的，通过Matlab/Simulink更能系统地让学生掌握控制系统设计思想的演化过程以及电气工程学科专业知识，从而提高学生分析和解决实际问题的能力，进一步培养学生的科研能力[。
銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼。
1.2研究现状
MATLAB是一种集科学计算、自动控制、信号处理、神经网络、图像处理等于一体的
高级语言，为广大科技工作者提供了一个简便、实用的工具。
MATLAB提供的SIMULINK是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包。
SIMULINK为用户提供了用方框图进行建模的图形接口，在SIMULINK环境下，利用鼠标就可以在模型窗口中直观地“画”出系统模型，就像用笔和纸来画画一样，一行代码也不用编写，然后直接进行电路的仿真，监控仿真过程，分析仿真结果。
因此它与传统的仿真软件包用微分方程和差分方程建模相比，具有更直观、方便、灵活的优点。
挤貼綬电麥结鈺贖哓类。
KS公司的另一重要的伴随产品SIMULINK。
SIMULINK是用来对真实世界的动力学系统建模、模拟和分析的软件。
SIMULINK提供了基于MATLAB核心的数值、图形、编程功能的一个块状图界面，通过块与块的联线和属性设置，用户很容易构建出符合特定要求的模型，并对模型进行分析和模拟。
赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈。
近年来，计算机仿真技术在电路分析设计中得到广泛应用，采用该技术可以迅速得到实际方案的模拟结果，从而对其进行评估，优化元器件参数，缩短周期，降低成本。
此外，还减小了使用昂贵的功率器件进行探测性MATLAB既是一种直观、高效的计算机语言,同时又是一个科学计算平台。
它为数据分析和数据可视化、算法和应用程序开发提供了最核心的数学和高级图形工具。
根据它提供的500多个数学和工程函数，工程技术人员和科学工作者可以在它的集成环境中交互或编程以完成各自的计算。
塤礙籟馐决穩賽釙冊庫。
本课题研究的主要切入点在于能够对确定的电路中各个器件的参数进行合理的选择，并建立适当的模型，使仿真结果符合实际，尽可能地满足客观要求。
裊樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺。
1.3设计的内容
三相整流电路在导通时需要控制触发角的大小，以及所带负载等。
并做MATLAB仿真，以验证触发角的范围及负载电流的连续性。
仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁。
本毕业设计包括三相整流电路在MATLAB作图中的设计，以及仿真时对各种参量的设定。
特别是对三相半波和三相桥式半控的脉冲发生器模块的设置，依据公式t=（α+30）T/360来算出延迟角。
大体上包括三相半波整流电路的设计，三相桥式半控整流电路的设计，三相桥式全控整流电路的设计，设定在不同的控制角度条件下，对三相半波整流电路，三相桥式半控整流电路，三相桥式全控整流电路，带纯电阻负载、阻感负载的电路仿真，对其三相桥式全控整流电路电阻负载，阻感负载，电阻阻感负载做了对比，并做了一定的分析。
绽萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧。
2三相整流电路的整体设计
2.1三相整流电路的设计
三相桥式可控整流电路应用最为广泛，共阴极组——阴极连接在一起的3个晶闸管（VT1，VT3，VT5）共阳极组——阳极连接在一起的3个晶闸管（VT4，VT6，VT2）编号：
1、3、5，4、6、2。
骁顾燁鶚巯瀆蕪領鲡赙。
图2-1三相全控整流电路
主电路选择三相桥式全控整流电路，当整流负载容量较大，或要求直流电压脉动较小时，应采用三相整流电路，其交流侧由三相电源供电，使用六个晶闸管，负载使用电阻。
瑣钋濺暧惲锟缟馭篩凉。
主电路中晶闸管装置的的正常工作，与门极触发电路正确和可靠的运行密切相关，门极触发电路必须按主电路的要求来设计．对于晶闸管变流装置主电路，对门极触发电路的要求：
触发脉冲应有足够的功率，触发脉冲的电压和电流应大于晶闸管要求的数值，并留有一定的裕量．触发脉冲的相位应能在规定范围内移动．触发脉冲与晶闸管主电路电源必须同步，两者频率应该相同，而且要有固定的相位关系，使每一周期都能在同样的相位上触发．触发脉冲的波形要符合要求。
鎦诗涇艳损楼紲鯗餳類。
其中，共阴极组的三个晶闸管，阳极所接交流电压值最高的一个导通；而共阳极组的三个晶闸管，共阴极所接交流电压值最低的一个导通。
这样，任意时刻共阳极组和共阴极组中各有一个晶闸管处于导通状态，施加于负载上的电压为某一线电压。
并且由于两个导通的晶闸管属于不同的两相，所以负载电压由电源线电压组成，在分析电路的工作过程时，也应该以线电压作为背景。
晶闸管的触发导通顺序是VT1→VT2→VT3→VT4→VT5→VT6→VT1。
桥式电路也存在着“自然换相点”，为线电压的交点，如果相电压有效值为U，自然换相点在0、π/3、2π/3、π、4π/3、5π/3、2π处。
仍把控制角为0的点设在自然换相点处，例如在ωt=π/3+α时触发VT1，在ωt=2π/3+α时触发VT2，在ωt=π+α时触发VT3。
更改负载的选择，即可作出多种条件下的实验仿真。
栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬。
2.2整流电路工作原理
2.2.1带电阻负载时的工作情况
1.α=0°时的情况
假设将电路中的晶闸管换作二极管进行分析对于共阴极阻的3个晶闸管，阳极所接交流电压值最大的一个导通对于共阳极组的3个晶闸管，阴极所接交流电压值最低（或者说负得最多）的导通。
辔烨棟剛殓攬瑤丽阄应。
任意时刻共阳极组和共阴极组中各有1个晶闸管处于导通状态。
从相电压波形看，共阴极组晶闸管导通时，ud1为相电压的正包络线，共阳极组导通时，ud2为相电压的负包络线，ud=ud1-ud2是两者的差值，为线电压在正半周的包络线直接从线电压波形看，ud为线电压中最大的一个，因此ud波形为线电压的包络线。
峴扬斕滾澗辐滠兴渙藺。
三相桥式全控整流电路的特点：
（1）2管同时通形成供电回路，其中共阴极组和共阳极组各1，且不能为同1相器件。
（2）对触发脉冲的要求：
按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，相位依次差60°。
表2-1三相桥式全控整流电路电阻负载a=0°时晶闸管工作情况
时 段
I
II
III
IV
V
VI
共阴极组中导通的晶闸管
VT1
VT1
VT3
VT3
VT5
VT5
共阳极组中导通的晶闸管
VT6
VT2
VT2
VT4
VT4
VT6
整流输出电压Ud
Ua-Ub
=Uab
Ua-Uc
=Uac
Ub-Uc
=Ubc
Ub-Ua
=Uba
Uc-Ua
=Uca
Uc-Ub
=Ucb
共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差120°，共阳极组VT4、VT6、VT2也依次差120°，同一相的上下两个桥臂，即VT1与VT4，VT3与VT6，VT5与VT2，脉冲相差180°。
詩叁撻訥烬忧毀厉鋨骜。
图2-2三相桥式全控整流电路带电阻负载α=0°时波形
（3）ud一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样，故该电路为6脉波整流电路。
（4）需保证同时导通的2个晶闸管均有脉冲可采用两种方法：
一种是宽脉冲触发另一种方法是双脉冲触发（常用）。
则鯤愜韋瘓賈晖园栋泷。
（5）晶闸管承受的电压波形与三相半波时相同，晶闸管承受最大正、反向电压的关系也相同α=30°时的工作情况从wt1开始把一周期等分为6段，ud波形仍由6段线电压构成，胀鏝彈奥秘孫戶孪钇賻。
图2-3三相桥式全控整流电路电阻负载α=30°时波形
每一段导通晶闸管的编号等仍符合表2-1的规律区别在于：
晶闸管起始导通时刻推迟了30°，组成ud的每一段线电压因此推迟30°变压器二次侧电流ia波形的特点：
在VT1处于通态的120°期间，ia为正，ia波形的形状与同时段的ud波形相同，在VT4处于通态的120°期间，ia波形的形状也与同时段的ud波形相同，但为负值。
鳃躋峽祷紉诵帮废掃減。
2.α=60°时工作情况
ud波形中每段线电压的波形继续后移，ud平均值继续降低。
α=60°时ud出现为零的点。
当α≤60°时，ud波形均连续，对于电阻负载，id波形与ud波形形状一样，也连续。
当α>60°时，ud波形每60°中有一段为零，ud波形不能出现负值。
带电阻负载时三相桥式全控整流电路α角的移相范围是120°。
稟虛嬪赈维哜妝扩踴粜。
图2-4三相桥式全控整流电路电阻负载α=60°时波形
2.2.2 阻感负载时的工作情况
α≤60°时，ud波形连续，工作情况与带电阻负载时十分相似，各晶闸管的通断情况、输出整流电压ud波形、晶闸管承受的电压波形等都一样区别在于：
由于负载不同，同样的整流输出电压加到负载上，得到的负载电流id波形不同。
阻感负载时，由于电感的作用，使得负载电流波形变得平直，当电感足够大的时况与电阻负载时不同，电阻负载时ud波形不会出现负的部分，而阻感负载时，由于电感L的作用，ud波形会出现负的部分带阻感负载时，三相桥式全控整流电路的α角移相范围为90。
陽簍埡鲑罷規呜旧岿錟。
当整流输出电压连续时（即带阻感负载时，或带电阻负载α≤60°时）的平均值为：
带电阻负载且α>60°时，整流电压平均值为：
输出电流平均值为Id=Ud/R
当整流变压器采用星形接法，带阻感负载时，变压器二次侧电流波形如图2-6中所示，为正负半周各宽120°、前沿相差180°的矩形波，其有效值为：
沩氣嘮戇苌鑿鑿槠谔應。
晶闸管电压、电流等的定量分析与三相半波时一致。
3三相整流电路仿真研究
3.1MATLAB概述
MATLAB是一款以数值计算为主的软件，他进行的数值计算的基本处理单位是复数数组（或称阵列），并且数组维数是自动按照规则确定的。
它的计算具有快速性、准确性和稳定性等特点。
MATLAB的图形可视能力在所有数学软件中是首屈一指的。
MATLAB的图形系统有高层和低层两个部分组成。
高层指令友善、简便；低层指令细腻、丰富、灵活。
一般说来，不管二元函数多么复杂，它的三维图形，仅需10条左右指令，就能得到富于感染力的表现。
数据和函数的图形可视手段包括：
线的勾画、色图的使用、浓谈的处理、视角的选择、透视和裁剪。
MATLAB有比较完备的图形标识指令，它们可标注：
图名、轴名、解释文字和绘画图例。
钡嵐縣緱虜荣产涛團蔺。
MATLAB具有的工作环境有：
帮助系统、工作内存管理、搜索路径管理、操作系统、程序调试和性能剖析工具等。
MATLAB的编程基本上是使用作图方式，快捷、方便、简单。
而在MATLAB环境运行的SIMULINK总由模块库、模块构造及分析指令、演示程序等三部分组成，只要通过一些简单的鼠标操作就可形象地建立起被研究系统的数学模型，并进行仿真和分析研究。
并且一些不得不忽略的非线性、随机干扰等因素的影响也十分容易研究。
懨俠劑鈍触乐鹇烬觶騮。
在MATLAB的SIMNLINK的界面下，可以用模型图将需要设计的情况表示出来，通过连线及设置实验中所需的各种设备及器件的使用值，继而可以调试、仿真。
设置不同的参数值，可以仿真出不同条件下的图形以及在晶闸管故障时的图形、现象。
謾饱兗争詣繚鮐癞别瀘。
SIMNLINK中的电气模块是：
电源模块库（包括交流、直流及可控的电压源和电流源），元件模块库（包括串联及并联的RLC支路负载、变压器、互感、开关等），电力电子模块库（包括二极管、晶闸管、GTO、MOSFET、IGBT等电力电子器件），还有通用桥（它可设定成不同电力电子器件的单臂、双臂和三臂桥），电机模块库（直流、交流等），各种电机模块。
连接模块库是：
包括地线、中性点、连结点等。
测量模块库是：
包括电流、电压等测量模块。
附加模块库是：
主要有①控制模块库：
内有同步6脉冲发生器、PWM发生器、时钟、三相可编程电源等。
②离散测量模块库：
各种离散测量模块。
③离散控制模块库：
离散PI、PID控制器，离散PWM发生器和二阶滤波器等。
④测量模块库：
有交流调速中的abc到dqo的坐标变换等。
⑤矢量模块库：
序列分析器等。
⑥附加电机模块库：
有直流电机、离散直流电机等。
呙铉們欤谦鸪饺竞荡赚。
3.2Simulink概述
Simulink是用于仿真建模及分析动态系统的一组程序包，它支持线形和非线性系统，能在连续时间，离散时间或两者的复合情况下建模。
系统也能采用复合速率，也就是用不同的部分用不同的速率来采样和更新。
莹谐龌蕲賞组靄绉嚴减。
Simulink提供一个图形化用户界面用于建模，用鼠标拖拉块状图表即可完成建模。
在此界面下能像用铅笔在纸上一样画模型。
相对于以前的仿真需要用语言和程序来表明不同的方程式而言有了极大的进步。
Simulink拥有全面的库，如接收器，信号源，线形及非线形组块和连接器。
同时也能自己定义和建立自己的块。
模块有等级之分，因此可以由顶层往下的步骤也可以选择从底层往上建模。
可以在高层上统观系统，然后双击模块来观看下一层的模型细节。
这种途径可以深入了解模型的组织和模块之间的相互作用。
麸肃鹏镟轿騍镣缚縟糶。
在定义了一个模型后，就可以进行仿真了，用综合方法的选择或用Simulink的菜单或MATLAB命令窗口的命令键入。
菜单的独特性便于交互式工作，当然命令行对于运行仿真的分支是很有用的。
使用scopes或其他显示模块就可在模拟运行时看到模拟结果。
进一步，可以改变其中的参数同时可以立即看到结果的改变，仿真结果可以放到MATLAB工作空间来做后处理和可视化。
納畴鳗吶鄖禎銣腻鰲锬。
模型分析工具包括线性化工具和微调工具，它们可以从MATLAB命令行直接访问，同时还有很多MATLAB的toolboxes中的工具。
因为MATLAB和Simulink是一体的，所以可以仿真，分析，修改模型在两者中的任一环境中进行。
風撵鲔貓铁频钙蓟纠庙。
3.3三相整流电路仿真分析
利用SIMULINK建模非常方便，只要把所需的模块一一拖入建模窗口，设置好合适的参数，用适当的连线把它们连接好即可（具体操作中需要注意，在连线过程中一定要使连线点的单箭头变成粗黑箭头，若系统中有暂时不用的输入端子和输出端子，应该分别用接地模块和终止模块将其封闭，以免仿真时在命令窗口出现不必要的警告提示，使得仿真不能进行）。
构建系统模型时，应注意对电路器件等效参数的正确考虑，这与搭建实际电路存在很大差别。
仿真成功的关键是设置好仿真参数，这包括仿真的起始和终止时间，仿真算法，最大相对误差和最大绝对误差，变步长或固定步长等。
参数的设置要根据模型的性质和仿真的需要而定，尤其是仿真算法的选取，在很大程度上决定了仿真的正确性和仿真时间。
灭嗳骇諗鋅猎輛觏馊藹。
3.4三相半波整流电路
3.4.1模块的建立
各个元器件提取路径如下表：
表3-1三相半波整流电路模型主要元件提取路径
序号
元器件名称
提取元器件位置
1
交流电源
Simpowersystems/ElectricalSours
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