励磁系统整流电路的MATLAB仿真设计 作者罗翔 指导老师：刘东 (上海交通大学电气工程系，上海市200240) 摘要： 本文应用Matlab的可视化仿真工具Simulink建立了三相桥式全控整流电路的仿真模型。 对晶闸管三相桥式全控整流电路输出电压与控制角及负载特性的关系进行了一系列的探讨。 利用仿真的真实性与直观性，从性能方面与应用方面，晶闸管整流电路与PWM整流电路进 行了简要的分析对比。 关键词： 励磁系统、整流电路、Matlab/Simulink、仿真 1.引言 影响重要的器件在试验成本上都是相 当的昂贵的，本文借助MATLAB数值仿真 随着社会的发展与科学的进步，整流电 的技术手段，科学准确、形象直观地研究励 路在自控领域、测量系统、发电机励磁系统 磁系统整流电路的基本特性。在深入研究三 中应用日益广泛2,3101。常用的整流回路有三 相桥式全控电路的同时，将传统晶闸管-控 相桥式不可控整流、三相桥式半控整流电路 制角控制方法与现代MOSFET/IGBT-PWM 和三相桥式全控整流电路（以下统称为晶闸 的方法进行比对。 管整流)川。控制原理、电路主拓扑上这三 搭建出文1]给出的模型，仿真出不同负 个整流电路相似，文[1]利用在文[5]的基础 载的波形。在文章的最后将给出与文[4]给出 上，经MATLAB/SIMULINK仿真，直观的 模型的结果。 将晶闸管整流电路输出电压与控制角及负 载特性的关系呈现了出来。 3.解决问题的方法 近年来，我国大力提倡清洁能源，在广 (一)Matlab/Simulink简介 袤的西部与延伸万里的东部沿海都提供了 Matlab是美国Math Mat lab是美国 大量的可利用的风能9,12。而在电力电子普 Math Works公司80年代推出的一种数值 及的同时，电网谐波污染问题日趋突出☑， 型计算软件，它集科学计算、自动控制、信 通过改变励磁装置可以提高同步发电机的 号处理、神经网络和图像处理等功能于一 运行性能，利用PWM技术能很好的解决普 体，具有编程效率高、图形功能强等优点。 通晶闸管整流电路带来的谐波（以下统称为 近年来，它己经发展成为适合多学科、多种 PWM整流)。 工作平台的功能强大的大型仿真软件。 本文将在MATLAB/SIMULINK平台上 Matlab提供的可视化仿真工具Simulink 搭建出文[1]提出的模型，对不同负载类型输 用来对动态系统进行建模、仿真和分析， 出波形进行详尽分析，在文章的最后将文[4] 支持连续时间、离散时间及两者混合的线性、 模型进行对比。 非线性系统，也支持多变量、多速率的系统， 具有模块化、可重载、可封装和图形化编程 2.问题的提出 等特点，大大提高了系统仿真的效率和可靠 同步发电机励磁系统中整流电路的主 性。Simulink提供了丰富的模型库供仿真使 要任务是将交流电整流成直流电，供给发电 用。其中电力系统元件库的功能非常强大， 机励磁绕组或励磁机的励磁绕组。整流电路 可以用于电路、电力电子系统、电机系统、 是励磁系统中必备的部件，它对运行有极重 电力传输等过程的仿真，提供了一种类似电 要的影响8。 路建模的方式进行模型绘制，在仿真前自动
励磁系统整流电路的 MATLAB 仿真设计 作者 罗 翔 指导老师：刘 东 （上海交通大学 电气工程系，上海市 200240） 摘 要： 本文应用Matlab的可视化仿真工具Simulink建立了三相桥式全控整流电路的仿真模型。 对晶闸管三相桥式全控整流电路输出电压与控制角及负载特性的关系进行了一系列的探讨。 利用仿真的真实性与直观性，从性能方面与应用方面，晶闸管整流电路与 PWM 整流电路进 行了简要的分析对比。 关键词： 励磁系统、整流电路、Matlab/Simulink、仿真 1．引言 随着社会的发展与科学的进步，整流电 路在自控领域、测量系统、发电机励磁系统 中应用日益广泛[2,3,10]。常用的整流回路有三 相桥式不可控整流、三相桥式半控整流电路 和三相桥式全控整流电路(以下统称为晶闸 管整流) [11]。控制原理、电路主拓扑上这三 个整流电路相似[1]，文[1]利用在文[5]的基础 上，经 MATLAB/SIMULINK 仿真，直观的 将晶闸管整流电路输出电压与控制角及负 载特性的关系呈现了出来。 近年来，我国大力提倡清洁能源，在广 袤的西部与延伸万里的东部沿海都提供了 大量的可利用的风能[9,12]。而在电力电子普 及的同时，电网谐波污染问题日趋突出[7]， 通过改变励磁装置可以提高同步发电机的 运行性能，利用 PWM 技术能很好的解决普 通晶闸管整流电路带来的谐波（以下统称为 PWM 整流）。 本文将在 MATLAB/SIMULINK 平台上 搭建出文[1]提出的模型，对不同负载类型输 出波形进行详尽分析，在文章的最后将文[4] 模型进行对比。 2．问题的提出 同步发电机励磁系统中整流电路的主 要任务是将交流电整流成直流电，供给发电 机励磁绕组或励磁机的励磁绕组。整流电路 是励磁系统中必备的部件，它对运行有极重 要的影响[8]。 影响重要的器件在试验成本上都是相 当的昂贵的，本文借助 MATLAB 数值仿真 的技术手段，科学准确、形象直观地研究励 磁系统整流电路的基本特性。在深入研究三 相桥式全控电路的同时，将传统晶闸管-控 制角控制方法与现代 MOSFET/IGBT-PWM 的方法进行比对。 搭建出文[1]给出的模型，仿真出不同负 载的波形。在文章的最后将给出与文[4]给出 模型的结果。 3．解决问题的方法 (一) Matlab/Simulink 简介 Matlab 是美国 Math Mat lab 是美国 Math Works 公司 80 年代推出的一种数值 型计算软件 ,它集科学计算、自动控制、信 号处理、 神经网络和图像处理等功能于一 体，具有编程效率高、 图形功能强等优点。 近年来 ,它已经发展成为适合多学科、多种 工作平台的功能强大的大型仿真软件。 Matlab 提供的可视化仿真工具 Simulink 用来对动态系统进行建模、仿真和分析， 支持连续时间、离散时间及两者混合的线性、 非线性系统，也支持多变量、多速率的系统， 具有模块化、可重载、可封装和图形化编程 等特点，大大提高了系统仿真的效率和可靠 性。Simulink 提供了丰富的模型库供仿真使 用。其中电力系统元件库的功能非常强大， 可以用于电路、电力电子系统、电机系统、 电力传输等过程的仿真，提供了一种类似电 路建模的方式进行模型绘制，在仿真前自动
将其变化成状态方程描述的系统形式，然后 由文11]知晶闸管整流电路输出直流电 在Simulink下进行仿真分析。它含有丰富 压的调节是通过控制角α的变化来控制的。 的元件模型，包括电力系统网络元件、电机、 如图1电路图，当α90时，整流电路工作在 件库等，13。 逆变状态。一般负载均为感性负载，故应采 用宽触发脉冲或者双窄触发脉冲进行期间 (二)晶闸管整流原理及仿真模型搭建 的触发控制。 T1 电阻性负载在α≥π/3时输出电压波形 断续，在a<π/3时电压波形连续。而电感 性负载在0≤Q≤π电压波形均连续。 利用Simulink提供的电力系统元件库 中的Universal Bridge和Synchronized 6-Pulse Generator这两个主要器件搭建文[I] 图1晶闸管整流电路原理图 中的模型，仿真设置均采用文]中给出的仿 真设置数据。仿真模型如图2所示。 A Lbad B a90 v Synchronized Universal Bridge 6-Pulse Generator VAB alpha_deg AB VBC v CA Scop VCA 0Block 图2晶闸管整流电路模型图 修改Load的电阻电感组成改变整流回 20 路所带负载的性质，通过改变a的大小调节 控制角a的大小。最后通过Scope观察输出 波形的变化情况。 (c)a=60° (三)晶闸管整流仿真及结果分析 NMNNAXNNNANNMNANNNANNANN [1)电阻性负载 电阻采用5Ω的纯电阻负载进行仿真。 仿真图如图3所示。 (d)a=90° 图3纯电阻负载不同控制角下波形图 由于自然换相点在各个相电压之间的 交点，由文[11知：在a=π/3时负载侧的 电流开始临界断流。α=π/2时，可以从图 (a)u=0° 上看出断流的波形，这组仿真是可信的。 [2]电感性负载 电感采用4mH的纯电感负载进行仿真。 仿真图如图4所示。 (b)0=30°
将其变化成状态方程描述的系统形式，然后 在 Simulink 下进行仿真分析。它含有丰富 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[1,13]。 (二) 晶闸管整流原理及仿真模型搭建 图 1 晶闸管整流电路原理图 由文[11]知晶闸管整流电路输出直流电 压的调节是通过控制角α的变化来控制的。 如图 1 电路图，当α90°时，整流电路工作在 逆变状态。一般负载均为感性负载，故应采 用宽触发脉冲或者双窄触发脉冲进行期间 的触发控制。 电阻性负载在α ≥ π/3 时输出电压波形 断续，在α /3 时电压波形连续。而电感 性负载在 0 ≤ α ≤ π电压波形均连续。 利用 Simulink 提供的电力系统元件库 中的 Universal Bridge 和 Synchronized 6-Pulse Generator 这两个主要器件搭建文[1] 中的模型，仿真设置均采用文[1]中给出的仿 真设置数据。仿真模型如图 2 所示。 图 2 晶闸管整流电路模型图 修改 Load 的电阻电感组成改变整流回 路所带负载的性质，通过改变 a 的大小调节 控制角α的大小。最后通过 Scope 观察输出 波形的变化情况。 (三) 晶闸管整流仿真及结果分析 [1] 电阻性负载 电阻采用 5Ω的纯电阻负载进行仿真。 仿真图如图 3 所示。 (a) α=0° (b) α=30° (c) α=60° (d) α=90° 图 3 纯电阻负载不同控制角下波形图 由于自然换相点在各个相电压之间的 交点，由文[11]知：在 /3 时负载侧的 电流开始临界断流。 / 时，可以从图 上看出断流的波形，这组仿真是可信的。 [2] 电感性负载 电感采用 4mH 的纯电感负载进行仿真。 仿真图如图 4 所示
(a)d=0° (a)a=0° WWW0AONAXNN (b)a=30° (b)=30° WMWMWN (c)a=60° 市0 (c)a=60° CMAMAMMAAA (d)a=90° 图5真实电感负载不同控制角下波形图 (d)a=90° 可见在控制角小于60°时，暂态过程 图4纯电感负载不同控制角下波形图 (开启过程)与电感型负载相似，当控制角为 文11]中描述了，当a=π/3时，电流 90°时，由于电阻的作用，电感续流的能力 开始经过零点且电压开始反向。当α=π/2 减弱，出现电流的断续区域。 时，由于电压正负半周相等，传递功率为零。 [4)波形总结 图四仿真波形都客观的反映了纯电感负载 晶闸管整流可以实现AC-DC变换，但 中的整流特性。 从图中可以清晰地看见，输出电压波形纹波 [3]电阻电感性负载) 很大，有时可能会对励磁系统控制不利。 负载采用52的电阻与4mH的电感进行 (四)晶闸管整流与PWM整流的对比 仿真。仿真图如图5所示。 对照文[4]建模，在SIMULINK中建立 整流仿真模型，仿真模型如图6所示。 Continuous [月 图6PWM整流仿真模型图
(a) α=0° (b) α=30° (c) α=60° (d) α=90° 图 4 纯电感负载不同控制角下波形图 文[11]中描述了，当 /3 时，电流 开始经过零点且电压开始反向。当 / 时，由于电压正负半周相等，传递功率为零。 图四仿真波形都客观的反映了纯电感负载 中的整流特性。 [3] 电阻电感性负载[1] 负载采用 5Ω的电阻与 4mH 的电感进行 仿真。仿真图如图 5 所示。 (a) α=0° (b) α=30° (c) α=60° (d) α=90° 图 5 真实电感负载不同控制角下波形图 可见在控制角小于 60°时，暂态过程 (开启过程)与电感型负载相似，当控制角为 90°时，由于电阻的作用，电感续流的能力 减弱，出现电流的断续区域。 [4] 波形总结 晶闸管整流可以实现 AC-DC 变换，但 从图中可以清晰地看见，输出电压波形纹波 很大，有时可能会对励磁系统控制不利。 (四) 晶闸管整流与 PWM 整流的对比 对照文[4]建模，在 SIMULINK 中建立 整流仿真模型，仿真模型如图 6 所示。 图 6 PWM 整流仿真模型图
整流桥参数采用文14]所叙述的整定方 参考文献： 法进行整定。并对电阻负载(202)进行波形 []高娟.基于Matlab/Simulink的整流 仿真。 电路的建模与仿真J.青岛职业技术学院 学报，2007,20(2)：69-71 [2]黄俊，王兆安.电力电子变流技术 M北京：机械工业出版社，1997 (a)0-0.2s含暂态过程 [3]Kundur P.Power System Stability and Control[M].New York:McGraw Hill Inc,1993. [4]刘念洲，刘成浩.基于MATLAB的 (b)纹波 三相电压型PWM整流系统的仿真U 图6PWM整流-电阻负载 2009,29(2):43-46 由图知，稳态时电压纹波远小于晶闸管 [S]惠杰，王相锋，何国锋.基于MATLA 整流桥的纹波系统，与文[4]中叙述与实验相 B的电力电子仿真[M)山东电力高等专 一致，文[利用这个特点与电流型PWM控 科学校学报 制算法成功的仿真了发电机励磁系统中 [6]K-N Areerak,S.V.Bozhko,G.M.As PWM控制的研究。PWM整流以低谐波分 her,D.W.P.Thomas.DQ-Transformation 量与高功率因数的特点，风力发电广泛的应 Approach for Modelling and Stability An 用了双PWM控制为异步发电机提供励磁， alysis of AC-DC Power System with Co 但在制作成本上，PWM整流成本远高 ntrolled PWM Rectifier and Constant Po 于晶闸管的成本，并且在超高压线路与超大 wer Loads[M].IEEE:2008. 容量电机的使用中，目前晶闸管应用较 [7)贾贵玺，徐伟，郭宝钥，张臣堂同步 PWM更加广泛。 发电机励磁系统中PWM控制的仿真研究 4.总结与体会 [M.中国工程科学.2005,7(6)：50-53 [8]王志新，罗文广.电机控制技术M) 本文利用SIMULINK仿真平台，仿真 北京：机械工业出版社，2010 了在不同负载下，晶闸管三相全控整流桥输 [9]周求宽，廖勇，姚骏.双PWM变换器 出波形，并将各种情况下波形进行了分析与 励磁的交流励磁发电机励磁系统设计.电 对比，直观的了解了励磁系统整流桥的工作 力系统自动化[M.2007,31(6)77-81 过程。利用SIMULINK仿真的真实性，进 [10]Schaefer R C.Excitation control 一步对比了晶闸管整流桥与PWM整流桥的 of the synchronous motor[J].IEEE Transa 性能。得出了PWM整流桥纹波小但是成本 ctions on Industry Application,1999,35(3): 昂贵、超大功率器件比较少，晶闸管纹波大 694-702 但是成本较低、有超大功率器件的结论。以 [11]金如麟，谭茀娃.电力电子技术基础 上结论验证MATLAB/SIMULINK是一个低 M.上海：上海交通大学出版社，2001 成本设计的好软件。 [12]贺益康，何鸣明，赵仁德，等.双馈风 通过本次小论文的写作，学会了如何找 力发电机交流励磁用变频电源拓扑浅析 寻需要信息的本领，并且认识到了论文写作 [M.电力系统自动化，2006,30(4)：105-112. 的重要性。在查阅各种资料的过程中，收获 [13]张葛祥，李娜.MATLAB仿真技术 了阅读资料的技巧，并得到了有效地锻炼。 与应用M北京：清华大学出版社，2003 [14]张崇巍，张兴.PWM整流器及其控 制M.北京：机械工业出版社，2008
整流桥参数采用文[14]所叙述的整定方 法进行整定。并对电阻负载(20Ω)进行波形 仿真。 (a) 0-0.2s 含暂态过程 (b) 纹波 图 6 PWM 整流-电阻负载 由图知，稳态时电压纹波远小于晶闸管 整流桥的纹波系统，与文[4]中叙述与实验相 一致，文[7]利用这个特点与电流型 PWM 控 制算法成功的仿真了发电机励磁系统中 PWM 控制的研究。PWM 整流以低谐波分 量与高功率因数的特点，风力发电广泛的应 用了双 PWM 控制为异步发电机提供励磁[7]， 但在制作成本上，PWM 整流成本远高 于晶闸管的成本，并且在超高压线路与超大 容量电机的使用中，目前晶闸管应用较 PWM 更加广泛。 4．总结与体会 本文利用 SIMULINK 仿真平台，仿真 了在不同负载下，晶闸管三相全控整流桥输 出波形，并将各种情况下波形进行了分析与 对比，直观的了解了励磁系统整流桥的工作 过程。利用 SIMULINK 仿真的真实性，进 一步对比了晶闸管整流桥与 PWM 整流桥的 性能。得出了 PWM 整流桥纹波小但是成本 昂贵、超大功率器件比较少，晶闸管纹波大 但是成本较低、有超大功率器件的结论。以 上结论验证 MATLAB/SIMULINK 是一个低 成本设计的好软件。 通过本次小论文的写作，学会了如何找 寻需要信息的本领，并且认识到了论文写作 的重要性。在查阅各种资料的过程中，收获 了阅读资料的技巧，并得到了有效地锻炼。 参考文献： [1] 高娟. 基于 Matlab/Simulink 的整流 电路的建模与仿真[J]. 青岛职业技术学院 学报, 2007, 20(2): 69-71. [2] 黄俊,王兆安.电力电子变流技术 [M].北京:机械工业出版社,1997 [3] Kundur P. Power System Stability and Control[M]. New York：McGraw Hill Inc, 1993. [4] 刘念洲,刘成浩.基于 MATLAB 的 三相电压型 PWM 整流系统的仿真[J]. 2009,29(2):43-46 [5] 惠杰,王相锋,何国锋.基于 MATLA B 的电力电子仿真[M].山东电力高等专 科学校学报 [6] K-N Areerak, S.V.Bozhko,G.M.As her, D.W.P.Thomas. DQ-Transformation Approach for Modelling and Stability An alysis of AC-DC Power System with Co ntrolled PWM Rectifier and Constant Po wer Loads[M].IEEE:2008. [7] 贾贵玺,徐伟,郭宝钥,张臣堂.同步 发电机励磁系统中 PWM 控制的仿真研究 [M].中国工程科学.2005,7(6):50-53 [8] 王志新,罗文广.电机控制技术[M]. 北京:机械工业出版社,2010 [9] 周求宽,廖勇,姚骏.双 PWM 变换器 励磁的交流励磁发电机励磁系统设计.电 力系统自动化[M].2007,31(6):77-81 [10] Schaefer R C. Excitation control of the synchronous motor[J].IEEE Transa ctions on Industry Application,1999,35(3): 694-702 [11] 金如麟,谭茀娃.电力电子技术基础 [M].上海:上海交通大学出版社,2001 [12] 贺益康,何鸣明,赵仁德,等.双馈风 力发电机交流励磁用变频电源拓扑浅析 [M].电力系统自动化,2006,30(4):105-112. [13] 张葛祥,李娜.MATLAB 仿真技术 与应用[M].北京:清华大学出版社,2003 [14] 张崇巍,张兴.PWM 整流器及其控 制[M].北京:机械工业出版社,2008
Design and Simulation of the Rectifying Circuit of the Excitation System by MATLAB Author:Luo Xiang Instructor:Liu Dong (Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240,China) Abstract:This paper represents that the simulation model of three-phase bridge controlled rectifier circuit is constructed based on Matlab/Simulink.The relationship between output voltage and controlling angle and load characteristics are fully simulated and analyzed. According to the reality and intuition of simulation,we compare the Theristors rectified-b ridge with PWM rectified-bridge on output and application. Key words:excited system;rectifier circuit;Matlab/Simulink;simulation
Design and Simulation of the Rectifying Circuit of the Excitation System by MATLAB Author: Luo Xiang Instructor: Liu Dong （ Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China） Abstract：This paper represents that the simulation model of three-phase bridge controlled rectifier circuit is constructed based on Matlab/Simulink. The relationship between output voltage and controlling angle and load characteristics are fully simulated and analyzed. According to the reality and intuition of simulation, we compare the Theristors rectified-b ridge with PWM rectified-bridge on output and application. Key words：excited system; rectifier circuit; Matlab/Simulink; simulation