張 浚， 李自成， 李镕杰， 袁苓芷， 陳華良

（成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院， 四川 樂山 614000）

0 引言

在電力電子領(lǐng)域，整流電路是一種常見且重要的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)?？煽卣麟娐纷鳛橐环N能夠?qū)崿F(xiàn)電能調(diào)節(jié)和控制的技術(shù)，在能源轉(zhuǎn)換和電力質(zhì)量改善方面具有廣泛的應(yīng)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(tǒng)效率和穩(wěn)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(jìn)行建模和仿真研究。通過仿真實驗，探索不同觸發(fā)角下的輸出電壓和電流波形以及不同負(fù)載類型下的仿真結(jié)果，驗證仿真結(jié)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(tǒng)的設(shè)計和優(yōu)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(biāo)與意義，并對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了概要。系統(tǒng)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(yīng)用，涵蓋了MATLAB 的基本特性和優(yōu)越性，以及其在電力電子領(lǐng)域的應(yīng)用概況。詳細(xì)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(shù)設(shè)定和仿真模型的構(gòu)建步驟。通過對仿真結(jié)果與理論分析的比較與驗證，確認(rèn)了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。最終，對整個研究進(jìn)行總結(jié)，探討了結(jié)果的意義和分析，提出了存在問題的同時提供改進(jìn)方向，同時展望了未來相關(guān)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(zhuǎn)換為直流電信號的電路。在整流過程中，交流電信號經(jīng)過整流器件（如二極管或可控硅）的導(dǎo)通和關(guān)斷，使得只有一個方向的電流通過，從而實現(xiàn)了信號的單向傳輸。整流電路常用于電源供電、電動機驅(qū)動、電子設(shè)備等領(lǐng)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(dǎo)通和關(guān)斷來實現(xiàn)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(fā)角來實現(xiàn)導(dǎo)通和關(guān)斷，而可控二極管則通過控制其正向偏置電壓來實現(xiàn)導(dǎo)通和關(guān)斷?？煽卣麟娐肪哂徐`活性和可調(diào)性，能夠根據(jù)需要調(diào)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(jié)構(gòu)。它由一個可控整流器件（如可控硅）和一個負(fù)載組成，見圖1。在每個交流周期中，可控整流器件只導(dǎo)通一半周期，從而實現(xiàn)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(jié)構(gòu)：單相半波可控整流電路由較少的元件組成，結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)和維護(hù)。

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(jié)構(gòu)，成本較低。

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

2 MATLAB 在電力電子仿真中的應(yīng)用

2.1 MATLAB 的基本特點和優(yōu)勢

1）高效的數(shù)值計算能力：MATLAB 提供了豐富的數(shù)學(xué)函數(shù)和算法，能夠進(jìn)行高效的數(shù)值計算和數(shù)據(jù)處理。

2）靈活的編程環(huán)境：MATLAB 具有易于使用的編程語言，可以編寫腳本和函數(shù)來實現(xiàn)復(fù)雜的電力電子仿真模型。

3）豐富的工具箱和函數(shù)庫：MATLAB 提供了各種工具箱和函數(shù)庫，包括控制系統(tǒng)工具箱、信號處理工具箱等，方便進(jìn)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(jié)果和數(shù)據(jù)，便于分析和展示。

2.2 MATLAB 在電力電子領(lǐng)域的應(yīng)用概述

1）電路建模和分析：使用MATLAB 可以建立電力電子系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行電路分析、參數(shù)優(yōu)化等。

2）控制算法設(shè)計：MATLAB 提供了豐富的控制系統(tǒng)工具箱，可以設(shè)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(tǒng)仿真：通過MATLAB/Simulink 工具，可以進(jìn)行電力電子系統(tǒng)的仿真，包括整流電路、逆變電路、電機驅(qū)動系統(tǒng)等。

4）系統(tǒng)優(yōu)化和參數(shù)估計：利用MATLAB 的優(yōu)化工具箱和參數(shù)估計工具箱，可以對電力電子系統(tǒng)進(jìn)行性能優(yōu)化和參數(shù)估計。

2.3 MATLAB/Simulink 在可控整流電路仿真中的應(yīng)用

1）建立可控整流電路的仿真模型：通過搭建電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、設(shè)定參數(shù)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(fā)角下的輸出波形：通過改變觸發(fā)角，可以模擬不同導(dǎo)通和關(guān)斷時機下的輸出電壓和電流波形。

3）仿真不同負(fù)載類型下的結(jié)果對比：通過改變負(fù)載類型，可以比較不同負(fù)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)和元件：確定單相半波可控整流電路的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；根據(jù)電路的實際應(yīng)用需求，選擇合適的元件。

2）設(shè)定電路參數(shù)：根據(jù)電路的實際參數(shù)，如輸入電壓、電阻負(fù)載等，設(shè)定電路的參數(shù)。這些參數(shù)將用于仿真模型的建立和仿真結(jié)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(jù)電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)定，選擇相應(yīng)的模塊和元件進(jìn)行連接和配置。

4）進(jìn)行仿真實驗：通過設(shè)置仿真參數(shù)和輸入信號，觀察輸出電壓和電流的波形和性能?？梢愿鶕?jù)需要進(jìn)行多組仿真實驗，以分析不同工況下的電路性能。

3.2 參數(shù)具體設(shè)定

1）電源電壓值為220 V，頻率為50 Hz；

2）脈沖觸發(fā)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(fù)載：設(shè)置為純電阻負(fù)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(jìn)行仿真實驗來分析電路的性能和特性。結(jié)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(jié)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(shù)學(xué)模型和公式來推導(dǎo)電路的行為和性能，從而與仿真結(jié)果進(jìn)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(jù)電路的基本原理和電路元件的特性，可以推導(dǎo)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(dǎo)通和截止條件，推導(dǎo)出輸出電壓和電流的數(shù)學(xué)表達(dá)式。

2）理想元件假設(shè)：在理論分析中，常常采用理想元件的假設(shè)，即假設(shè)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(jié)果。然后，可以將理論結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行比較，評估仿真模型的準(zhǔn)確性。

3）等效電路模型：對于復(fù)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(guān)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(jié)果和仿真結(jié)果，可以驗證仿真模型的準(zhǔn)確性。

4.2 仿真結(jié)果與理論分析的比較與驗證

在本節(jié)中，將對仿真結(jié)果進(jìn)行與理論分析進(jìn)行比較和驗證。通過對比仿真結(jié)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(zhǔn)確性，并驗證仿真結(jié)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(jié)果的輸出電壓和電流波形與理論計算的波形進(jìn)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(jié)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(yù)期的電路行為，那么可以認(rèn)為仿真模型是準(zhǔn)確的。

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

主要通過波形進(jìn)行比較。

例如圖3 是觸發(fā)角為30°時，電源電壓，脈沖觸發(fā)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(jié)果與理論波形圖比較與驗證，可以得出結(jié)論，仿真模型的準(zhǔn)確性較高，可以提供可靠的基礎(chǔ)。

5 結(jié)論與展望

5.1 論文工作總結(jié)

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(yīng)用，特別是MATLAB/Simulink 在可控整流電路仿真中的應(yīng)用。

然后，詳細(xì)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)定，控制策略的選擇與實現(xiàn)，以及仿真模型的搭建步驟。通過不同觸發(fā)角下的輸出電壓和電流波形仿真結(jié)果的分析，以及不同負(fù)載類型下的仿真結(jié)果對比，對單相半波可控整流電路的性能進(jìn)行了評估和討論。

5.2 結(jié)論討論與分析

不同觸發(fā)角下的輸出電壓和電流波形：隨著觸發(fā)角的變化，輸出電壓和電流的波形會發(fā)生相應(yīng)的變化。較小的觸發(fā)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(fā)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(jìn)方向

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

2）參數(shù)的精確確定：在建模和仿真過程中，參數(shù)的準(zhǔn)確性對結(jié)果的影響很大?？梢酝ㄟ^實驗測量或更精確的理論計算來確定參數(shù)，提高仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

5.4 后續(xù)研究的展望

1）多相可控整流電路的研究：可以擴(kuò)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(fù)雜的電力電子應(yīng)用需求。

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