基于MATLAB 的单相半波可控整流电路仿真分析

张 浚， 李自成， 李镕杰， 袁苓芷， 陈华良

（成都理工大学工程技术学院， 四川 乐山 614000）

0 引言

在电力电子领域，整流电路是一种常见且重要的电路拓扑结构。可控整流电路作为一种能够实现电能调节和控制的技术，在能源转换和电力质量改善方面具有广泛的应用前景。单相半波可控整流电路作为可控整流电路的一种典型形式，其研究对于提高电力系统效率和稳定性具有重要意义。

基于MATLAB 平台[1]对单相半波可控整流电路进行建模和仿真研究。通过仿真实验，探索不同触发角下的输出电压和电流波形以及不同负载类型下的仿真结果，验证仿真结果与理论分析的一致性。通过本研究，可以深入理解单相半波可控整流电路的工作原理和特点，并为电力电子系统的设计和优化提供参考。

首先介绍了研究的背景、动机，明确了论文的目标与意义，并对整体结构进行了概要。系统概述了单相半波可控整流电路，包含了整流电路的基本原理、可控整流电路的操作原理，以及单相半波可控整流电路的独特特性。讨论了MATLAB 在电力电子仿真中的广泛应用，涵盖了MATLAB 的基本特性和优越性，以及其在电力电子领域的应用概况。详细阐述了单相半波可控整流电路的建模与仿真方法[2]，包括参数设定和仿真模型的构建步骤。通过对仿真结果与理论分析的比较与验证，确认了仿真结果的准确性和可靠性。最终，对整个研究进行总结，探讨了结果的意义和分析，提出了存在问题的同时提供改进方向，同时展望了未来相关研究的方向。

1 单相半波可控整流电路概述

1.1 整流电路的基本原理

整流电路是将交流电信号转换为直流电信号的电路。在整流过程中，交流电信号经过整流器件（如二极管或可控硅）的导通和关断，使得只有一个方向的电流通过，从而实现了信号的单向传输。整流电路常用于电源供电、电动机驱动、电子设备等领域。

1.2 可控整流电路的工作原理

可控整流电路是通过控制器件的导通和关断来实现对整流过程的控制。其中，可控硅和可控二极管是常用的可控器件。可控硅通过控制其门极电压和触发角来实现导通和关断，而可控二极管则通过控制其正向偏置电压来实现导通和关断。可控整流电路具有灵活性和可调性，能够根据需要调整输出电压和电流的波形。

1.3 单相半波可控整流电路的特点

单相半波可控整流电路是一种常见的可控整流电路结构。它由一个可控整流器件（如可控硅）和一个负载组成，见图1。在每个交流周期中，可控整流器件只导通一半周期，从而实现了半波整流[3]。单相半波可控整流电路具有以下特点：

图1 单相半波可控整流电路原理图

1）简单结构：单相半波可控整流电路由较少的元件组成，结构简单，易于实现和维护。

2）较低成本：由于单相半波可控整流电路只需要一个可控整流器件，相比其他整流电路结构，成本较低。

3）适用于小功率应用：单相半波可控整流电路适用于小功率应用，如家用电器、电子设备等。

2 MATLAB 在电力电子仿真中的应用

2.1 MATLAB 的基本特点和优势

1）高效的数值计算能力：MATLAB 提供了丰富的数学函数和算法，能够进行高效的数值计算和数据处理。

2）灵活的编程环境：MATLAB 具有易于使用的编程语言，可以编写脚本和函数来实现复杂的电力电子仿真模型。

3）丰富的工具箱和函数库：MATLAB 提供了各种工具箱和函数库，包括控制系统工具箱、信号处理工具箱等，方便进行电力电子仿真和分析。

4）直观的图形界面：MATLAB 提供了直观的图形界面，可以可视化仿真结果和数据，便于分析和展示。

2.2 MATLAB 在电力电子领域的应用概述

1）电路建模和分析：使用MATLAB 可以建立电力电子系统的数学模型，并进行电路分析、参数优化等。

2）控制算法设计：MATLAB 提供了丰富的控制系统工具箱，可以设计和验证各种控制算法，如PID 控制、模糊控制等。

3）电力电子系统仿真：通过MATLAB/Simulink 工具，可以进行电力电子系统的仿真，包括整流电路、逆变电路、电机驱动系统等。

4）系统优化和参数估计：利用MATLAB 的优化工具箱和参数估计工具箱，可以对电力电子系统进行性能优化和参数估计。

2.3 MATLAB/Simulink 在可控整流电路仿真中的应用

1）建立可控整流电路的仿真模型：通过搭建电路拓扑结构、设定参数和控制策略，可以建立可控整流电路的仿真模型。

2）仿真不同触发角下的输出波形：通过改变触发角，可以模拟不同导通和关断时机下的输出电压和电流波形。

3）仿真不同负载类型下的结果对比：通过改变负载类型，可以比较不同负载情况下的输出特性，如电流波形和效率等。

3 单相半波可控整流电路的建模与仿真

3.1 仿真模型的搭建步骤方法

1）确定电路拓扑结构和元件：确定单相半波可控整流电路的电路拓扑结构；根据电路的实际应用需求，选择合适的元件。

2）设定电路参数：根据电路的实际参数，如输入电压、电阻负载等，设定电路的参数。这些参数将用于仿真模型的建立和仿真结果的分析。

3）建立仿真模型：利用仿真软件（如MATLAB/Simulink）建立单相半波可控整流电路的仿真模型。根据电路的拓扑结构和参数设定，选择相应的模块和元件进行连接和配置。

4）进行仿真实验：通过设置仿真参数和输入信号，观察输出电压和电流的波形和性能。可以根据需要进行多组仿真实验，以分析不同工况下的电路性能。

3.2 参数具体设定

1）电源电压值为220 V，频率为50 Hz；

2）脉冲触发信号：峰值40，周期0.02 s，延迟时间为0.002 5 s（取45°为例）；

3）负载：设置为纯电阻负载，电阻值为2 Ω；

4）运行时间：0.5 s；

通过以上步骤，可以建立单相半波可控整流电路的仿真模型，并进行仿真实验来分析电路的性能和特性。结果如图2 所示。

图2 单相半波可控整流电路仿真图

4 仿真结果与理论分析的一致性验证

4.1 理论分析的基本原理和方法

理论分析是通过数学模型和公式来推导电路的行为和性能，从而与仿真结果进行比较和验证。以下是一些常用的理论分析方法：

1）基本电路理论：根据电路的基本原理和电路元件的特性，可以推导出电路的基本方程和特征。例如，对于单相半波可控整流电路，可以利用电路的基本原理和整流元件的导通和截止条件，推导出输出电压和电流的数学表达式。

2）理想元件假设：在理论分析中，常常采用理想元件的假设，即假设电路中的元件是完美的，没有任何损耗和非线性特性。这样可以简化电路的分析过程，并得到理论上的理想结果。然后，可以将理论结果与仿真结果进行比较，评估仿真模型的准确性。

3）等效电路模型：对于复杂的电路，可以使用等效电路模型来近似描述电路的行为。等效电路模型是通过将电路抽象为一组简化的电路元件和连接关系，从而简化电路的分析和计算。通过比较等效电路模型的理论结果和仿真结果，可以验证仿真模型的准确性。

4.2 仿真结果与理论分析的比较与验证

在本节中，将对仿真结果进行与理论分析进行比较和验证。通过对比仿真结果和理论计算的输出电压和电流波形，可以评估仿真模型的准确性，并验证仿真结果的可靠性。具体的比较与验证方法包括：

1）波形比较：将仿真结果的输出电压和电流波形与理论计算的波形进行对比。通过观察波形的形状、幅值和频谱特征等，可以判断仿真结果与理论分析的一致性。如果波形之间非常接近，并且符合预期的电路行为，那么可以认为仿真模型是准确的。

2）参数比较：将仿真结果的输出参数（如平均值、峰值、谐波含量等）与理论计算的参数进行比较。通过计算仿真结果与理论分析结果之间的差异，并进行定量的误差分析，可以评估仿真模型的准确性。

主要通过波形进行比较。

例如图3 是触发角为30°时，电源电压，脉冲触发信号及晶闸管电压电流理论分析波形图[4]。

图3 理论波形图

通过对仿真结果与理论波形图比较与验证，可以得出结论，仿真模型的准确性较高，可以提供可靠的基础。

5 结论与展望

5.1 论文工作总结

首先介绍了整流电路的基本原理和可控整流电路的工作原理，以及单相半波可控整流电路。接着探讨了MATLAB 在电力电子仿真中的应用，特别是MATLAB/Simulink 在可控整流电路仿真中的应用。

然后，详细阐述了单相半波可控整流电路的建模与仿真过程，包括电路拓扑结构和参数设定，控制策略的选择与实现，以及仿真模型的搭建步骤。通过不同触发角下的输出电压和电流波形仿真结果的分析，以及不同负载类型下的仿真结果对比，对单相半波可控整流电路的性能进行了评估和讨论。

5.2 结论讨论与分析

不同触发角下的输出电压和电流波形：随着触发角的变化，输出电压和电流的波形会发生相应的变化。较小的触发角可以提供更高的输出电压和电流，但可能会增加谐波含量。较大的触发角可以降低谐波含量，但会减小输出电压和电流的幅值。

5.3 存在的问题与改进方向

1）控制策略的优化：可以进一步优化控制策略，以提高整流电路的效率和稳定性。例如，采用更先进的PWM控制算法来减小谐波含量和波形畸变。

2）参数的精确确定：在建模和仿真过程中，参数的准确性对结果的影响很大。可以通过实验测量或更精确的理论计算来确定参数，提高仿真结果的准确性。

5.4 后续研究的展望

1）多相可控整流电路的研究：可以扩展研究范围，探索多相可控整流电路的建模和仿真，以满足更复杂的电力电子应用需求。

2）考虑更复杂的控制策略：除了常见的触发角控制和PWM控制，还可以研究和应用其他更复杂的控制策略，如预测控制、模糊控制等，以提高整流电路的性能和稳定性。