基于SIMULINK的晶闸管调压电路仿真及分析

解春维

摘要：依据晶闸管调压电路原理与特点，使用SIMULINK软件包构建了晶闸管调压电路模型，并分析了谐波消除回路的设计方法和作用。仿真结果不仅验证了晶闸管的调压控制原理与方法，而且也证实了采用谐波消除回路之后，晶闸管调压电路能够满足国标对总谐波畸变率的要求。

关键词：晶闸管；调压电路；SIMULINK；谐波消除

中图分类号：TM423 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）07-0108-03

1 引言

晶闸管（thyristor），又称为可控硅，它由P-N-P-N四层半导体结构形成阳极、阴极和门极等三个极，具有硅整流器件的优良特性[1-3]。能在高压、大电流情况下工作，且其工作过程可以控制，因而被广泛应用于整流、调压、电子开关、变频等电路之中。它的基本工作原理为：当晶闸管承受正向阳极电压且门极也承受正向电压时，晶闸管正向导通，一旦导通，不论门极电压，只要有一定的正向阳极电压，晶闸管均处于导通状态，导通之后，晶闸管的管压将会很小。需要注意的是，门极所加正向触发脉冲的脉宽，应能使阳极电流达到维持导通状态所需要的最小阳极电流。

采用晶闸管进行调压在照明设备的调光电路、工业加热、感应电机调速等中有着广泛的应用[1-6]。本文使用SIMULINK仿真软件，构造一个单相交流调压电路模型（如图1所示），通过仿真实验说明晶闸管调压电路的基本工作原理并研究谐波干扰消除的实现方法。仿真中使用触发脉冲1和触发脉冲2分别对晶闸管1和晶闸管2进行延迟控制，使得在交流电源的正负半周期内负载R0上的电压波形为正弦电压的一部分，从而达到调节电压输出的目的。

2 晶闸管调压电路的SIMULINK仿真实现

2.1 仿真建模

MATLAB软件的SIMULINK仿真软件包中自带的Sim PowerSystems工具箱，可方便研究人员使用人性化的操作界面实现对复杂电路系统的建模与仿真[4]。本文根据单相交流调压电路（见图1）的实现原理，采用SIMULINK软件包将其建模如图2所示。

仿真模型中选用晶闸管（Thyristor）模块2个，交流电压源（AC voltage source）模块1个，串联电阻、电容和电感分支（Series RLC branch，分别在选择菜单中设置为为电阻、电容和电感）模块4个，电压测量（Voltage measurement）模块3个，常数（constant）模块2个，合成六脉冲产生器（Synchronized 6-pulse generater）模块1个，示波器（Scope）模块2个，增益（Gain）模块1个，多路分接（Demux）模块1个。

2.2 仿真参数设置

（1）求解参数：选择ode23tb算法，仿真停止时间依需要而定，其他默认。

（2）电压源参数：峰值 220*sqrt（2），频率50，采样时间0，其他默认。

（3）晶闸管参数：Snubber resistance为500e3， 其他均为默认。Thyristor1门极与Demux的第6路输出连接，Thyristor2门极与Demux的第3路输出连接。

（4）串联电阻、电容和电感分支参数：①电容参数：1.5e-7，②电感参数：4200e-3，③负载电阻R0参数：3.5e3，④电阻R参数：50e3。

（5）常数参数：Constant1 为0，Constant2根据需要进行调整。

（6）合成六脉冲发生器：频率50，脉冲宽度100。

3 仿真结果与分析

3.1 调压结果

通过调整常数模块Constant2中控制角α的大小，可实现对负载R0两端电压波形的调整。图3和图4是控制角α为30°和60°时的各支路电压，第1行为电源电压，第2、3行分别为晶闸管模块Thyristor1和Thyristor2的门极触发脉冲波形，第4行为晶闸管支路两端的电压波形，第5行为负载R0的电压波形。

根据图3和图4可知，当电源电压不为0且晶闸管门极触发电压大于门限电压时，晶闸管导通，此时负载两端有电流流过，晶闸管两端的分压为0；反之，当电源电压非常接近0和门极触发电压为0时，晶闸管处于断开状态其两端的分压非常大，因而导致负载两端没有电流流过。通过改变控制角α的大小可有效调整负载端的电压波形，以灯光调节为例，随着α的增加，负载端的电压将随之下降，灯的亮度也会随之变暗，因而可通过控制α的大小来实现对灯光强弱调节的目的。

3.2 谐波消除

对于调压电路而言，当α=0时，功率因数为1，随着α的增大，输入电流滞后于电压且发生畸变，功率因数也逐渐降低，此时将会产生更为严重的谐波影响，将会对电路造成谐波污染。特别地，电路中的高次谐波会导致电缆过热、无功补偿装置损坏、电流过大、意外跳闸、额外能量损失等问题，极大地威胁电路装备的运行安全，因此在电路设计中必须考虑谐波的消除问题[5]。

下面分析由电感、电容和电阻组成的谐波消除回路在晶闸管调压电路中的作用。为了使用更多的样本精确地统计与分析电路中的谐波影响，图5和图6的仿真时间长度加长到2秒。根据国标《GBT-17626.7-2008》，220V电路的THD应该在5%之内，通过对比图5和图6可知，未设计谐波消除回路时，电路根本无法满足国标要求，然而通过增加谐波消除回路，可有效降低总谐波畸变率（THD，total harmonic distortion），使得电路能够满足国标的要求。

4 结语

基于SIMULINK软件包，本文对晶闸管调压电路进行了仿真建模，通过改变控制角α的大小，实现了对负载端电压波形的调节，仿真结果验证了晶闸管电路的特点。根据谐波消除原理设计的谐波消除回路可有效降低调压电路的总谐波畸变率，使得晶闸管调压电路能够满足国标的要求。

参考文献

[1]杜新柯.家用调光台灯的电路分析[J].现代制造技术与装备，2017，244（3）：92-93.

[2]龚国俊.晶闸管的电路原理及其调压电路分析[J].硅谷，2014，154（10）：43-44.

[3]王亞林.双向晶闸管原理及在交流调压电路中的应用[J].信息通信，2012， 117（1）：80-81.

[4]张小平，周晓宇. 基于MATLAB 的晶闸管电动机软启动系统仿真[J].自动化技术与应用，2011，30（4）：97-100.

[5]郗建平.双向晶闸管调光电路[J].安装，2001，（6）：32-33.

[6]罗庚兴，张艳.基于Multisim 10的晶闸管调光电路的设计与仿真分析[J].现代电子技术，2012，35（10）：186-188.endprint