整流电路仿真实验
实验一：单相桥式全控整流电路的MATLAB 仿真
一、 实验内容
掌握单相桥式全控整流电路的工作原理；熟悉仿真电路的接线、器件及其参数设置；明确对触发脉冲的要求；观察在电阻负载、阻感负载和反电动势阻感负载情况下，控制角α取不同值时电路的输出电压和电流的波形。
二、 实验原理 1. 电阻性负载工作原理
在单相桥式全控整流电路中，闸管VT 1和VT 4组成一对桥臂，VT 2和VT 3组成另一对桥臂。 在u 2正半周（即a 点电位高于b 点电位）， 若4个晶闸管均不导通，i d =0，u d =0，VT 1、VT 4串联承受电压u 2。在触发角α处给VT 1和VT 4加触发脉冲，VT 1和VT 4即导通，电流从电源a 端经VT 1、R 、VT 4流回电源b 端。当u 2过零时，流经晶闸管的电流也降到零，VT 1和VT 4关断。
在u 2负半周，仍在触发角α处触发VT 2和VT 3导通，电流从电源b 端流出，经VT 3、R 、VT 2流回电源a 端。到u 2过零时，电流又降为零，VT 2和VT 3关断。整流电路图如图1-1所示。
图1-1 单相桥式全控整流电路带电阻负载时的电路
1
2. 阻感性负载工作原理
电路如图1-2所示，在u 2正半周期触发角α处给晶闸管VT 1和VT 4加触发脉冲使其开通，u d =u 2。负载电感很大，i d 不能突变且波形近似为一条水平线。u 2过零变负时，由于电感的作用晶闸管VT 1和VT 4中仍流过电流i d ，并不关断。
ωt=π+α时刻，触发VT 2和VT 3导通，u 2通过VT 2和VT 3分别向VT 1和VT 4施加反压使VT 1和VT 4关断，流过VT 1和VT 4的电流迅速转移到VT 2和VT 3上，此过程称为换相，亦称换流。
图1-2单相桥式全控整流电路带阻感负载时的电路
3. 反电动势阻感负载工作原理
当负载为蓄电池、直流电动机的电枢等时，负载可看成一个直流电压源，对于整流电路，它们就是反电动势负载。|u 2|>E 时，才有晶闸管承受正电压，有导通的可能。晶闸管导通之后，u d =u 2，i d=(u d -E)/R ，直至|u 2|=E ，i d 即降至0使得晶闸管关断，此后u d =E 。与电阻负载时相比，晶闸管提前了电角度δ停止导电，δ称为停止导电角。当α
2
图1-3 单相桥式全控整流电路带反电动势阻感负载时的电路
三、 实验步骤 1. 搭建实验电路图
根据实验原理图，在MATLAB/SIMULINK软件中，电力电子模块库建立相应的仿真模型，如图1-4、图1-5、图1-6所示。 1) 电阻性负载电路
图1-4单相桥式全控整流电路带电阻负载时的仿真模型
3
2) 阻感性负载电路
图1-5单相桥式全控整流电路带阻感负载时的仿真模型
3) 反电动势阻感负载电路
图1-6单相桥式全控整流电路带反电动势阻感负载时的仿真模型
4
2. 参数设置
交流电源U 2：峰值（peak amplitude, V）= 100V
频率（Frequency, Hz）＝50
脉冲发生器1(u g 1) ：振幅（Amplitude ）=1.1
周期（period, s）＝0.02
脉冲宽度（pulse width, % of period ）＝0.001 滞后相位（phase delay, s）=0.003333
滞后相位=α/360×0.02（α为触发角，单位为角度）
脉冲发生器2(ug 2) ：振幅（Amplitude ）=1.1
周期（period, s）＝0.02
脉冲宽度（pulse width, % of period ）＝0.001 滞后相位（phase delay, s）=0.013333 (α=60˚)
滞后相位=0.01+α/360×0.02（α为触发角，单位为角度）
晶闸管VT 1、VT 2、VT 3和VT 4 ：内部电阻（Resistance Ron ，Ohms ）=0.001 电感经度（Inductance Lon ，H ）=0
正向电压（Forward voltage Vf ，V ）=0.8
阻尼器电阻（Snubber resistance Rs ，Ohms ） =100 吸收电容（Snubber capacitance Cs ，F ）=4.7e-6
负载中的RLC 串连之路R ：电阻值（resistance,ohms ）=2
L ：电感量（inductance,H ）=10e-3 C ：电容量（capacitance,F ）=inf
负载中的反电势E ：幅值（amplitude, V）=50
3. 波形调试
在α=0˚、30˚、60˚、90˚、120˚时记录示波器给出的波形，将不同控制角时得到的U d 、 I d 、U VT1、I VT1、U VT3、I VT3与理论波形相比较，进行分析。
5
四、 仿真结果
1. 电阻性负载电路仿真结果
1) α=30°时仿真波形
图1-7单相桥式全控整流电路电阻负载时α=30°的波形
2) α=60°时仿真波形
6
图1-8单相桥式全控整流电路电阻负载时α=60°的波形
3) α=90°时仿真波形
图1-9单相桥式全控整流电路电阻负载时α=90°的波形
7
图1-10单相桥式全控整流电路电阻负载时α=120°的波形
2. 阻感性负载电路仿真结果
1) α=30°时仿真波形
图1-11单相桥式全控整流电路阻感负载时α=30°的波形
8
图1-12单相桥式全控整流电路阻感负载时α=60°的波形
3) α=90°时仿真波形
图1-13单相桥式全控整流电路阻感负载时α=90°的波形
9
3. 反电动势阻感负载电路仿真结果
1) α=0°时仿真波形
图1-14单相桥式全控整流电路反电动势阻感负载时α=0°的波形
2) α=60°时仿真波形
图1-15单相桥式全控整流电路反电动势阻感负载时α=60°的波形
10
3) α=90°时仿真波形
图1-16单相桥式全控整流电路反电动势阻感负载时α=90°的波形
4) α=120°时仿真波形
图1-17单相桥式全控整流电路反电动势阻感负载时α=120°的波形
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实验二：三相半波可控整流电路的MATLAB 仿真
一、 实验内容
掌握三相半波可控整流电路的工作原理；熟悉仿真电路的接线、器件及其参数设置；明确对触发脉冲的要求；观察在电阻负载和阻感负载情况下，控制角
α取不同值时电路的输出电压、电流以及晶闸管的电流电压波形。
二、 实验原理 1. 电阻性负载工作原理
三相半波可控整流电路如图2-1所示。为得到零线，变压器二次侧必须接成星形，而一次侧接成三角形，避免3次谐波流入电网。三个晶闸管按共阴极接法连接, 这种接法触发电路有公共端，连线方便。
图2-1 三相半波可控整流电路电阻负载时的电路
假设将晶闸管换作二极管，三个二极管对应的相电压中哪一个的值最大，则该相所对应的二极管导通，并使另两相的二极管承受反压关断，输出整流电压即为该相的相电压。在一个周期中，器件工作情况如下：在ωt 1~ωt 2期间，a 相电压最高，VD 1导通，u d =u a ；在ωt 2~ωt 3期间，b 相电压最高，VD 2导通，u d =u b ； 在ωt 3~ωt 4期间，c 相电压最高，VD 3导通，u d =u c 。此后，在下一周期相当于
ωt 1的位置即ωt 4时刻，VD 1又导通，重复前一周期的工作情况。一周期中VD 1、VD 2、VD 3轮流导通，每管各导通120°，u d 波形为三个相电压在正半周期的包络线。
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2. 阻感性负载工作原理
若负载为阻感负载，且L 值很大，电路如图2-2所示。整流电流i d 的波形基本是平直的，流过晶闸管的电流接近矩形波。
α≤30︒时，整流电压波形与电阻负载时相同，因为两种负载情况下，负载电流均连续。
α>30︒时，当u 2过零时，由于电感的存在，阻止电流下降，因而VT 1继续导通，直到下一相晶闸管VT 2的触发脉冲到来，才发生换流，由VT 2导通向负载供电，同时向VT 1施加反压使其关断。若α增大, u d 波形中负的部分将增多, 至α=90︒时, u d 波形中正负面积相等, ud 的平均值为零。
图2-2 三相半波可控整流电路阻感负载时的电路
三、 实验步骤 1. 搭建实验电路图
根据实验原理图，在MATLAB/SIMULINK软件中，电力电子模块库建立相应的仿真模型如图2-3、图2-4所示。
1) 电阻性负载电路图
13
图2-3三相半波可控整流电路带电阻负载时的仿真模型
2) 阻感性负载电路图
图2-4三相半波可控整流电路带阻感负载时的仿真模型
14
2. 参数设置
交流电源U 2：峰值（peak amplitude, V）= 100
频率（Frequency, Hz）＝50 A （Phase ,deg）=0 B （Phase ,deg）=-120 C （Phase ,deg）=120
脉冲发生器：振幅（Amplitude ）=1.1
周期（period, s）＝0.02
脉冲宽度（pulse width, % of period ）＝5
1(u g 1) ：滞后相位（phase delay, s）=（α+30）/360×0.02 2(ug 2) ：滞后相位（phase delay, s）=（α+150）/360×0.02 3(ug 3) ：滞后相位（phase delay, s）=（α+270）/360×0.02
晶闸管VT 1、VT 2、VT 3 ：内部电阻（Resistance Ron ，Ohms ）=0.001
电感经度（Inductance Lon ，H ）=0 正向电压（Forward voltage Vf ，V ）=0.8
阻尼器电阻（Snubber resistance Rs ，Ohms ） =500 吸收电容（Snubber capacitance Cs ，F ）=250e-9
负载中的RLC 串连之路R ：电阻值（resistance,ohms ）=10
L ：电感量（inductance,H ）=10e-3
3. 波形调试
在α=0˚、30˚、60˚、90˚时记录示波器给出的波形，将不同控制角时得到的U 2、U d 、 I d 、U VT 1、I VT 1与理论波形相比较，进行分析。
15
四、 仿真结果 1. 电阻性负载
1) α=0°时仿真波形
图2-5三相半波可控整流电路电阻负载时α=0°的波形
16
2) α=60°时仿真波形
图2-6三相半波可控整流电路电阻负载时α=60°的波形
3) α=90°时仿真波形
图2-7三相半波可控整流电路电阻负载时α=90°的波形
17
当控制角α为零时输出电压最大，随着控制角增大，整流输出电压减小，到α=150°时，输出电压为零。所以此电路的移相范围是0°～150°。
当α≤30°时，电压电流波形连续，各相晶闸管导通角均为120°； 当α>30°时电压电流波形间断，各相晶闸管导通角为150°-α。
2. 阻感性负载
1) α=30°时仿真波形
图2-8三相半波可控整流电路阻感负载时α=30°的波形
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2) α=60°时仿真波形
图2-9三相半波可控整流电路阻感负载时α=60°的波形
3) α=90°时仿真波形
图2-10三相半波可控整流电路阻感负载时α=90°的波形
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整流电路仿真实验
实验一：单相桥式全控整流电路的MATLAB 仿真
一、 实验内容
掌握单相桥式全控整流电路的工作原理；熟悉仿真电路的接线、器件及其参数设置；明确对触发脉冲的要求；观察在电阻负载、阻感负载和反电动势阻感负载情况下，控制角α取不同值时电路的输出电压和电流的波形。
二、 实验原理 1. 电阻性负载工作原理
在单相桥式全控整流电路中，闸管VT 1和VT 4组成一对桥臂，VT 2和VT 3组成另一对桥臂。 在u 2正半周（即a 点电位高于b 点电位）， 若4个晶闸管均不导通，i d =0，u d =0，VT 1、VT 4串联承受电压u 2。在触发角α处给VT 1和VT 4加触发脉冲，VT 1和VT 4即导通，电流从电源a 端经VT 1、R 、VT 4流回电源b 端。当u 2过零时，流经晶闸管的电流也降到零，VT 1和VT 4关断。
在u 2负半周，仍在触发角α处触发VT 2和VT 3导通，电流从电源b 端流出，经VT 3、R 、VT 2流回电源a 端。到u 2过零时，电流又降为零，VT 2和VT 3关断。整流电路图如图1-1所示。
图1-1 单相桥式全控整流电路带电阻负载时的电路
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2. 阻感性负载工作原理
电路如图1-2所示，在u 2正半周期触发角α处给晶闸管VT 1和VT 4加触发脉冲使其开通，u d =u 2。负载电感很大，i d 不能突变且波形近似为一条水平线。u 2过零变负时，由于电感的作用晶闸管VT 1和VT 4中仍流过电流i d ，并不关断。
ωt=π+α时刻，触发VT 2和VT 3导通，u 2通过VT 2和VT 3分别向VT 1和VT 4施加反压使VT 1和VT 4关断，流过VT 1和VT 4的电流迅速转移到VT 2和VT 3上，此过程称为换相，亦称换流。
图1-2单相桥式全控整流电路带阻感负载时的电路
3. 反电动势阻感负载工作原理
当负载为蓄电池、直流电动机的电枢等时，负载可看成一个直流电压源，对于整流电路，它们就是反电动势负载。|u 2|>E 时，才有晶闸管承受正电压，有导通的可能。晶闸管导通之后，u d =u 2，i d=(u d -E)/R ，直至|u 2|=E ，i d 即降至0使得晶闸管关断，此后u d =E 。与电阻负载时相比，晶闸管提前了电角度δ停止导电，δ称为停止导电角。当α
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图1-3 单相桥式全控整流电路带反电动势阻感负载时的电路
三、 实验步骤 1. 搭建实验电路图
根据实验原理图，在MATLAB/SIMULINK软件中，电力电子模块库建立相应的仿真模型，如图1-4、图1-5、图1-6所示。 1) 电阻性负载电路
图1-4单相桥式全控整流电路带电阻负载时的仿真模型
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2) 阻感性负载电路
图1-5单相桥式全控整流电路带阻感负载时的仿真模型
3) 反电动势阻感负载电路
图1-6单相桥式全控整流电路带反电动势阻感负载时的仿真模型
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2. 参数设置
交流电源U 2：峰值（peak amplitude, V）= 100V
频率（Frequency, Hz）＝50
脉冲发生器1(u g 1) ：振幅（Amplitude ）=1.1
周期（period, s）＝0.02
脉冲宽度（pulse width, % of period ）＝0.001 滞后相位（phase delay, s）=0.003333
滞后相位=α/360×0.02（α为触发角，单位为角度）
脉冲发生器2(ug 2) ：振幅（Amplitude ）=1.1
周期（period, s）＝0.02
脉冲宽度（pulse width, % of period ）＝0.001 滞后相位（phase delay, s）=0.013333 (α=60˚)
滞后相位=0.01+α/360×0.02（α为触发角，单位为角度）
晶闸管VT 1、VT 2、VT 3和VT 4 ：内部电阻（Resistance Ron ，Ohms ）=0.001 电感经度（Inductance Lon ，H ）=0
正向电压（Forward voltage Vf ，V ）=0.8
阻尼器电阻（Snubber resistance Rs ，Ohms ） =100 吸收电容（Snubber capacitance Cs ，F ）=4.7e-6
负载中的RLC 串连之路R ：电阻值（resistance,ohms ）=2
L ：电感量（inductance,H ）=10e-3 C ：电容量（capacitance,F ）=inf
负载中的反电势E ：幅值（amplitude, V）=50
3. 波形调试
在α=0˚、30˚、60˚、90˚、120˚时记录示波器给出的波形，将不同控制角时得到的U d 、 I d 、U VT1、I VT1、U VT3、I VT3与理论波形相比较，进行分析。
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四、 仿真结果
1. 电阻性负载电路仿真结果
1) α=30°时仿真波形
图1-7单相桥式全控整流电路电阻负载时α=30°的波形
2) α=60°时仿真波形
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图1-8单相桥式全控整流电路电阻负载时α=60°的波形
3) α=90°时仿真波形
图1-9单相桥式全控整流电路电阻负载时α=90°的波形
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图1-10单相桥式全控整流电路电阻负载时α=120°的波形
2. 阻感性负载电路仿真结果
1) α=30°时仿真波形
图1-11单相桥式全控整流电路阻感负载时α=30°的波形
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图1-12单相桥式全控整流电路阻感负载时α=60°的波形
3) α=90°时仿真波形
图1-13单相桥式全控整流电路阻感负载时α=90°的波形
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3. 反电动势阻感负载电路仿真结果
1) α=0°时仿真波形
图1-14单相桥式全控整流电路反电动势阻感负载时α=0°的波形
2) α=60°时仿真波形
图1-15单相桥式全控整流电路反电动势阻感负载时α=60°的波形
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3) α=90°时仿真波形
图1-16单相桥式全控整流电路反电动势阻感负载时α=90°的波形
4) α=120°时仿真波形
图1-17单相桥式全控整流电路反电动势阻感负载时α=120°的波形
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实验二：三相半波可控整流电路的MATLAB 仿真
一、 实验内容
掌握三相半波可控整流电路的工作原理；熟悉仿真电路的接线、器件及其参数设置；明确对触发脉冲的要求；观察在电阻负载和阻感负载情况下，控制角
α取不同值时电路的输出电压、电流以及晶闸管的电流电压波形。
二、 实验原理 1. 电阻性负载工作原理
三相半波可控整流电路如图2-1所示。为得到零线，变压器二次侧必须接成星形，而一次侧接成三角形，避免3次谐波流入电网。三个晶闸管按共阴极接法连接, 这种接法触发电路有公共端，连线方便。
图2-1 三相半波可控整流电路电阻负载时的电路
假设将晶闸管换作二极管，三个二极管对应的相电压中哪一个的值最大，则该相所对应的二极管导通，并使另两相的二极管承受反压关断，输出整流电压即为该相的相电压。在一个周期中，器件工作情况如下：在ωt 1~ωt 2期间，a 相电压最高，VD 1导通，u d =u a ；在ωt 2~ωt 3期间，b 相电压最高，VD 2导通，u d =u b ； 在ωt 3~ωt 4期间，c 相电压最高，VD 3导通，u d =u c 。此后，在下一周期相当于
ωt 1的位置即ωt 4时刻，VD 1又导通，重复前一周期的工作情况。一周期中VD 1、VD 2、VD 3轮流导通，每管各导通120°，u d 波形为三个相电压在正半周期的包络线。
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2. 阻感性负载工作原理
若负载为阻感负载，且L 值很大，电路如图2-2所示。整流电流i d 的波形基本是平直的，流过晶闸管的电流接近矩形波。
α≤30︒时，整流电压波形与电阻负载时相同，因为两种负载情况下，负载电流均连续。
α>30︒时，当u 2过零时，由于电感的存在，阻止电流下降，因而VT 1继续导通，直到下一相晶闸管VT 2的触发脉冲到来，才发生换流，由VT 2导通向负载供电，同时向VT 1施加反压使其关断。若α增大, u d 波形中负的部分将增多, 至α=90︒时, u d 波形中正负面积相等, ud 的平均值为零。
图2-2 三相半波可控整流电路阻感负载时的电路
三、 实验步骤 1. 搭建实验电路图
根据实验原理图，在MATLAB/SIMULINK软件中，电力电子模块库建立相应的仿真模型如图2-3、图2-4所示。
1) 电阻性负载电路图
13
图2-3三相半波可控整流电路带电阻负载时的仿真模型
2) 阻感性负载电路图
图2-4三相半波可控整流电路带阻感负载时的仿真模型
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2. 参数设置
交流电源U 2：峰值（peak amplitude, V）= 100
频率（Frequency, Hz）＝50 A （Phase ,deg）=0 B （Phase ,deg）=-120 C （Phase ,deg）=120
脉冲发生器：振幅（Amplitude ）=1.1
周期（period, s）＝0.02
脉冲宽度（pulse width, % of period ）＝5
1(u g 1) ：滞后相位（phase delay, s）=（α+30）/360×0.02 2(ug 2) ：滞后相位（phase delay, s）=（α+150）/360×0.02 3(ug 3) ：滞后相位（phase delay, s）=（α+270）/360×0.02
晶闸管VT 1、VT 2、VT 3 ：内部电阻（Resistance Ron ，Ohms ）=0.001
电感经度（Inductance Lon ，H ）=0 正向电压（Forward voltage Vf ，V ）=0.8
阻尼器电阻（Snubber resistance Rs ，Ohms ） =500 吸收电容（Snubber capacitance Cs ，F ）=250e-9
负载中的RLC 串连之路R ：电阻值（resistance,ohms ）=10
L ：电感量（inductance,H ）=10e-3
3. 波形调试
在α=0˚、30˚、60˚、90˚时记录示波器给出的波形，将不同控制角时得到的U 2、U d 、 I d 、U VT 1、I VT 1与理论波形相比较，进行分析。
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四、 仿真结果 1. 电阻性负载
1) α=0°时仿真波形
图2-5三相半波可控整流电路电阻负载时α=0°的波形
16
2) α=60°时仿真波形
图2-6三相半波可控整流电路电阻负载时α=60°的波形
3) α=90°时仿真波形
图2-7三相半波可控整流电路电阻负载时α=90°的波形
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当控制角α为零时输出电压最大，随着控制角增大，整流输出电压减小，到α=150°时，输出电压为零。所以此电路的移相范围是0°～150°。
当α≤30°时，电压电流波形连续，各相晶闸管导通角均为120°； 当α>30°时电压电流波形间断，各相晶闸管导通角为150°-α。
2. 阻感性负载
1) α=30°时仿真波形
图2-8三相半波可控整流电路阻感负载时α=30°的波形
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2) α=60°时仿真波形
图2-9三相半波可控整流电路阻感负载时α=60°的波形
3) α=90°时仿真波形
图2-10三相半波可控整流电路阻感负载时α=90°的波形
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