基于SIMULINK的晶閘管調壓電路仿真及分析

解春維

摘要：依據晶閘管調壓電路原理與特點，使用SIMULINK軟件包構建了晶閘管調壓電路模型，并分析了諧波消除回路的設計方法和作用。仿真結果不僅驗證了晶閘管的調壓控制原理與方法，而且也證實了采用諧波消除回路之后，晶閘管調壓電路能夠滿足國標對總諧波畸變率的要求。

關鍵詞：晶閘管；調壓電路；SIMULINK；諧波消除

中圖分類號：TM423 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）07-0108-03

1 引言

晶閘管（thyristor），又稱為可控硅，它由P-N-P-N四層半導體結構形成陽極、陰極和門極等三個極，具有硅整流器件的優良特性[1-3]。能在高壓、大電流情況下工作，且其工作過程可以控制，因而被廣泛應用于整流、調壓、電子開關、變頻等電路之中。它的基本工作原理為：當晶閘管承受正向陽極電壓且門極也承受正向電壓時，晶閘管正向導通，一旦導通，不論門極電壓，只要有一定的正向陽極電壓，晶閘管均處于導通狀態，導通之后，晶閘管的管壓將會很小。需要注意的是，門極所加正向觸發脈沖的脈寬，應能使陽極電流達到維持導通狀態所需要的最小陽極電流。

采用晶閘管進行調壓在照明設備的調光電路、工業加熱、感應電機調速等中有著廣泛的應用[1-6]。本文使用SIMULINK仿真軟件，構造一個單相交流調壓電路模型（如圖1所示），通過仿真實驗說明晶閘管調壓電路的基本工作原理并研究諧波干擾消除的實現方法。仿真中使用觸發脈沖1和觸發脈沖2分別對晶閘管1和晶閘管2進行延遲控制，使得在交流電源的正負半周期內負載R0上的電壓波形為正弦電壓的一部分，從而達到調節電壓輸出的目的。

2 晶閘管調壓電路的SIMULINK仿真實現

2.1 仿真建模

MATLAB軟件的SIMULINK仿真軟件包中自帶的Sim PowerSystems工具箱，可方便研究人員使用人性化的操作界面實現對復雜電路系統的建模與仿真[4]。本文根據單相交流調壓電路（見圖1）的實現原理，采用SIMULINK軟件包將其建模如圖2所示。

仿真模型中選用晶閘管（Thyristor）模塊2個，交流電壓源（AC voltage source）模塊1個，串聯電阻、電容和電感分支（Series RLC branch，分別在選擇菜單中設置為為電阻、電容和電感）模塊4個，電壓測量（Voltage measurement）模塊3個，常數（constant）模塊2個，合成六脈沖產生器（Synchronized 6-pulse generater）模塊1個，示波器（Scope）模塊2個，增益（Gain）模塊1個，多路分接（Demux）模塊1個。

2.2 仿真參數設置

（1）求解參數：選擇ode23tb算法，仿真停止時間依需要而定，其他默認。

（2）電壓源參數：峰值 220*sqrt（2），頻率50，采樣時間0，其他默認。

（3）晶閘管參數：Snubber resistance為500e3， 其他均為默認。Thyristor1門極與Demux的第6路輸出連接，Thyristor2門極與Demux的第3路輸出連接。

（4）串聯電阻、電容和電感分支參數：①電容參數：1.5e-7，②電感參數：4200e-3，③負載電阻R0參數：3.5e3，④電阻R參數：50e3。

（5）常數參數：Constant1 為0，Constant2根據需要進行調整。

（6）合成六脈沖發生器：頻率50，脈沖寬度100。

3 仿真結果與分析

3.1 調壓結果

通過調整常數模塊Constant2中控制角α的大小，可實現對負載R0兩端電壓波形的調整。圖3和圖4是控制角α為30°和60°時的各支路電壓，第1行為電源電壓，第2、3行分別為晶閘管模塊Thyristor1和Thyristor2的門極觸發脈沖波形，第4行為晶閘管支路兩端的電壓波形，第5行為負載R0的電壓波形。

根據圖3和圖4可知，當電源電壓不為0且晶閘管門極觸發電壓大于門限電壓時，晶閘管導通，此時負載兩端有電流流過，晶閘管兩端的分壓為0；反之，當電源電壓非常接近0和門極觸發電壓為0時，晶閘管處于斷開狀態其兩端的分壓非常大，因而導致負載兩端沒有電流流過。通過改變控制角α的大小可有效調整負載端的電壓波形，以燈光調節為例，隨著α的增加，負載端的電壓將隨之下降，燈的亮度也會隨之變暗，因而可通過控制α的大小來實現對燈光強弱調節的目的。

3.2 諧波消除

對于調壓電路而言，當α=0時，功率因數為1，隨著α的增大，輸入電流滯后于電壓且發生畸變，功率因數也逐漸降低，此時將會產生更為嚴重的諧波影響，將會對電路造成諧波污染。特別地，電路中的高次諧波會導致電纜過熱、無功補償裝置損壞、電流過大、意外跳閘、額外能量損失等問題，極大地威脅電路裝備的運行安全，因此在電路設計中必須考慮諧波的消除問題[5]。

下面分析由電感、電容和電阻組成的諧波消除回路在晶閘管調壓電路中的作用。為了使用更多的樣本精確地統計與分析電路中的諧波影響，圖5和圖6的仿真時間長度加長到2秒。根據國標《GBT-17626.7-2008》，220V電路的THD應該在5%之內，通過對比圖5和圖6可知，未設計諧波消除回路時，電路根本無法滿足國標要求，然而通過增加諧波消除回路，可有效降低總諧波畸變率（THD，total harmonic distortion），使得電路能夠滿足國標的要求。

4 結語

基于SIMULINK軟件包，本文對晶閘管調壓電路進行了仿真建模，通過改變控制角α的大小，實現了對負載端電壓波形的調節，仿真結果驗證了晶閘管電路的特點。根據諧波消除原理設計的諧波消除回路可有效降低調壓電路的總諧波畸變率，使得晶閘管調壓電路能夠滿足國標的要求。

參考文獻

[1]杜新柯.家用調光臺燈的電路分析[J].現代制造技術與裝備，2017，244（3）：92-93.

[2]龔國俊.晶閘管的電路原理及其調壓電路分析[J].硅谷，2014，154（10）：43-44.

[3]王亞林.雙向晶閘管原理及在交流調壓電路中的應用[J].信息通信，2012， 117（1）：80-81.

[4]張小平，周曉宇. 基于MATLAB 的晶閘管電動機軟啟動系統仿真[J].自動化技術與應用，2011，30（4）：97-100.

[5]郗建平.雙向晶閘管調光電路[J].安裝，2001，（6）：32-33.

[6]羅庚興，張艷.基于Multisim 10的晶閘管調光電路的設計與仿真分析[J].現代電子技術，2012，35（10）：186-188.endprint