基于MATLAB的变流器设计与仿真

2012届学士学位论文

基于MATLAB的变流器设计与仿真

学院、专业

研 究 方 向 学 生 姓 名 学 号

指导教师姓名 指导教师职称

2012年04月10日

淮北师范大学2012届学士毕业论文 基于MATLAB的变流器设计与仿真

于MATLAB的变流器设计与仿真

李红玲

淮北师范大学物理与电子信息学院 235000

摘要 作为变流器之一的三相桥式全控整流电路，越来越在电力电子技术中发挥重要作用。本文在研究全控整流电路理论的基础上，采用MATLAB的可视化仿真工具Simulink来建立三相桥式整流电路的仿真模型。对其输出电压、相位控制角以及负载特性等等进行了动态仿真与研究,仿真结果表明建模的正确性，并证明了该建模型具有快捷、灵活、方便、直观等一系列特点。另外通过与三相桥式半控整流电路的对比研究，更突出了它的优越性能。

关键词 Matlab/Simulink；三相桥式全控整流；三相桥式半控整流

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The Design and Simulation of Converter Based on Matlab

Lihongling

School of Physics and Electronic Information, Huai Bei Normal University, Anhui Huaibei, 235000

Abstract Three-phase bridge full-controlled rectifier plays a stronger role day by day in electric power and electron as one of the current transformers. This paper mainly talks about building the models adopt the visual Simulink tool of Matlab based on the theory of the full-controlled rectifier.We dynamically research and simulate its output voltage , phase angle and load characteristic ,and the result suggest that this mathematical Modeling is feasible and right ,on the other side it also approves that this mathematical Modeling is fast, flexible, convenient and visualized. Meanwhile it also stands out its superior performance though the comparison with three-phase bridge semi-controlled rectifier.

key words Matlab/Simulink；Three-phase bridge full-controlled rectifier; Three-phase bridge semi-controlled rectifier

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目 次

1引言 ............................................... VI 2 三相桥式全控整流电路的原理 ........................ 1 2.1 三相桥式全控整流电路的电路结构 ................ 1 2.2 三相桥式全控整流电路的工作原理 ............... 1 2.3 三相桥式全控整流电路的工作特点 ................. 3 3 MATLAB/SIMULINK软件仿真设计 ................... 4 3.1 整流桥基本模型 ................................ 4 3.2 仿真电路图设计 ................................ 5

3.2.1选取仿真模块 .............................. 5 3.2.2连接仿真总图 .............................. 5 3.2.3设置仿真参数 .............................. 6 3.3 仿真结果及分析 ................................ 6

3.3.1纯电阻负载情况 ............................ 6 3.3.2阻感负载情况 ............................. 10 3.3.3 纯电阻负载与阻感负载的区别 .............. 15 4 三相桥式全控整流电路与半控整流电路 ................ 15 4.1 三相桥式半控整流电路结构 ...................... 15 4.2 三相半控整流电路与全空整流电路 ............... 16 结 论 ............................................ 18

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参考文献 ............................................ 19 附录A ............................................... 19 致 谢 .............................................. 20

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1引言

20世纪70年代以后，主电路多采用整流二极管和晶闸管组成。整流电路的

种类广泛：有半波整流电路、单相桥式半控整流电路、单相桥式全控整流电路、三相桥式半控整流电路、三相桥式全控整流电路等等。

三相桥式全控整流电路是由三相半波可控整流电路演变而来的整流电路， 三桥式全控整流电路系统通过变压器与电网相连，经过变压器的耦合，使晶闸管得到一个合适的输入电压，从而能够导通并运行。与三相半波可控整流电路相比， 三相桥式全控整流电路的整流输出电压提高一倍，输出电压的脉动较小，变压器的利用率高而且没有直流磁化问题，另外其控制快速性较好，吟哦在大容量负载供电及其他方面应用叫广泛。

尤其是三相桥式全控整流电路是电力电子技术中最为重要也是应用得最为广泛的电路,不仅应用于一般工业,也广泛应用于交通运输、电力系统、通信系统、能源系统及其他领域。

鉴于三相桥式全控整流电路的重要功能及广泛应用，因此对三相桥式可控整流电路的相关参数，不同性质负载的工作情况进行对比分析与研究具有很强的现实意义,这不仅是电力电子电路理论学习的重要一环,而且对工程实践的实际应用具有预测和指导作用。

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2 三相桥式全控整流电路的原理

2.1 三相桥式全控整流电路的电路结构

如下图图1所示，可以看出三相桥式全控整流电路由整流变压器、6个桥式

连接的晶闸管、负载、电感和反电动势共同组成。习惯上称阴极连接在一起的三个晶闸管VT1、VT3、VT5为共阴极；阳极连接在一起的三个晶闸管VT2、VT4、VT6为共阳极。即共阴极组中与a、b、c三相电源相接的三个晶闸管分别为VT1、VT3、VT5，共阳极组中与a、b、c三相电源相接的三个晶闸管分别为 VT2、VT4、VT6，它们可构成电源系统对负载供电的6条整流回路，各整流回路的交流电源电压为两元件所在的相间的线电压。

另外，因为此电路要求带反电动势负载，且要负载连续，要求反电动势E=60V,负载电阻R=10Ω，电感L 为无穷大。6个晶闸管的导通顺序依次为VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6。

图1三相桥式全控整流电路的原理图

2.2 三相桥式全控整流电路的工作原理

对于三相桥式全控整流电路来说，触发脉冲按照VT1、VT2、VT3、VT4、

VT5、VT6的顺序，相位差依次相差60度，所以共阴极组的脉冲就依次相差120度，共阳极组的脉冲也依次相差120度。同一相的上下两个桥臂脉冲相差180度，ud一周期内脉动6次，而且波形都一样，故称为6脉冲整流电路，可以采用宽脉

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冲或者是双脉冲触发以保证同时有两个晶闸管导通，晶闸管承受的电压波形与三相半波时的相同，最值也相同。

当晶闸管的触发角α=0时，就相当于我们把晶闸管当做二极管来看。那么对于共阴极的三个晶闸管来说，阳极所接的交流电压值最高的一个就会导通；而对于共阳极的三个晶闸管来说，则是阴极所接的交流电压值最低的一个就会导通。所以，对于三相桥式整流电路，任意时刻共阳极组合共阴极组均各有一个晶闸管处于导通状态吧，它所给予的负载上的电压为某一个线电压。

如下图图2所示，α=0时，各晶闸管均在自然换相点处换相。又由途中变压器相电压与线电压波形的对应关系可以看出，各个自然换相点既是相电压的交点，又是线电压的交点。因此我们在分析Ud的波形时既可以依据相电压分析，也可以依据线电压分析。

图2整流输出电压波形

首先从相电压的角度来看，以变压器二次侧的终点为参考点n,当共阴极组的晶闸管导通时，整流输出电压Ud1为相电压的正半周的包络；当共阳极组的晶闸管导通时，整流输出电压Ud2为相电压的负半周的包络。从整体来看，总的整流输出电压值为Ud=Ud1-Ud2，它是正半周包络与负半周包络的差值，对应在相当于的波形上，也就是线电压在正半周的包络。

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其次从线电压的角度看，由于共阴极组中处于导通状态的晶闸管对应的最大的相电压，而共阳极组中处于导通状态的晶闸管对应的是最小的相电压，整个整流输出电压Ud为两值之差，是线电压中最大的一个，故流输出电压Ud的波形即为线电压在正半周的包络。

下面来看晶闸管的工作情况，由于负载所接的电感值无限大，会对变化的电流具有抵抗作用，因此使得负载电流几乎为一条直线。另外我们将波形的一个周期分为6段，每段π／3，则6个晶闸管的导通顺序依次为VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6，且每段导通的晶闸管及输出整流电压的值如下表表1所示。

表1 三相桥式整流电路电阻负载α=0时晶闸时的工作情况

2.3 三相桥式全控整流电路的工作特点

其工作特点是任何时刻都有不同组别的两只晶闸管同时导通，构成电流通路，因此为保证电路启动或电流断续后能正常导通，必须对不同组别应到导通的一对晶闸管同时加触发脉冲，所以触发脉冲的宽度应大于π／3的宽脉冲。宽脉冲触发要求触发功率大，易使脉冲变压器饱和，所以可以采用脉冲列代替双窄脉冲；每隔π／3换相一次，换相过程在共阴极组和共阳极组轮流进行，但只在同一组别中换相。

接线图中晶闸管的编号方法使每个周期内6个管子的组合导通顺序是VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6；共阴极组T1，T3，T5的脉冲依次相差2π／3；同一相的上下两个桥臂，即VT1和VT4，VT3和VT6，VT5和VT2的脉冲相差π，给分析带来了方便。

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3 Matlab/Simulink软件仿真设计

3.1 整流桥基本模型

如下图图3所示左侧为三相桥式电路的通用桥臂模块（Universal Bridge），

其中A,B,C三个端子三相交流电源的相电压输入端子；Pulses为触发脉冲的输入端子，如果是选电力二极管，则没有此端子；+端子为整流桥的输出端子；-端子则为整流桥的输入端子，另外+、-端子在建模时应该构成回路。

右侧为6脉冲同步触发器（Synchronized 6-Pulse Generator），成整流桥可以实现交流电压到直流电压的转换，六个pulse generator产生整流桥的触发脉冲，且依次分给1～6号晶闸管触发脉冲。

图3通用桥臂与6-脉冲触发器

下图为6-脉冲触发器的应用模型

图4 6-脉冲触发器应用模型

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3.2 仿真电路图设计

3.2.1选取仿真模块

根据三相桥式全控整流电路的原理，可以利用Simulink内的模块建立仿真

模型：我们在PowerSystems下的Elements子栏下选择Ground接地3个，Sriess RLC Branch 1个，作为RLC负载；在SimPowerSystems下的Electrical Sources子栏中选择AC交流电源3个，一个DC直流电源作为反电动势；在SimPowerSystems下的Measurements子栏中选择Current Measurement 3作为电流信号的输出，Voltage Measurements 4，作为电压信号的输出；在SimPowerSystems下的Power Electronics 子栏选择Universal Bridge，即整流电路的三相桥臂；在SimPowerSystems下的Control Block子栏选择Synchronized 6-Pulse Generator作为控制脉冲发生器。

在Simulink栏下的Commonly Used Blocks栏中选择2个Constant,一个作为控制角的输入，一个作为脉冲发生器的Block输入，在选择1个Scope，作为示波器输出；仍然在Simulink栏下的Commonly Used Blocks栏中选择1个Mux，作为响亮信号的叠加。 3.2.2连接仿真总图

图4仿真总图

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将选择好的仿真模块按照三相桥式全控整流电路，依次连接起来，注意引脚处有无连接不良，错误等等。 3.2.3设置仿真参数

控制脉冲发生器的参数设置为频率50HZ,脉冲宽度10degrees，Block,为0;

对于三相交流电源，将参数设为100V/50HZ，脉冲宽度为0，相位角从左到右依次设为0度，120度，-120度等；整流桥臂的数量为3，缓冲电le5，缓冲电容inf，晶闸管内阻Ron设为le-3，晶闸管的内电感Lon设为0，正向管压降设为None；负载电容设为无穷大。另外，仿真时间设为0.05s，仿真算法选用ode23tb或者是ode23s。

3.3 仿真结果及分析

3.3.1纯电阻负载情况

纯电阻负载情况下：将负载R设为1欧姆，电感设为le-9亨，反电动势设为0伏，相位角α依次设为0度，30度，60度，90度，来进行仿真，有如下波形结果

当α为0度时，

图5 相位角α=0度时，ia&ib、id、ud、触发脉冲波形图

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当α为30度时，

图6相位角α=30度时，ia&ib、id、ud、触发脉冲波形图

当α为60度时，

图7相位角α=60度时，ia&ib、id、ud、触发脉冲波形图

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当α为90度时，

图8相位角α=90度时，ia&ib、id、ud、触发脉冲波形图

从以上仿真结果可以看出，该模块的整流输出电压一个周期内脉动6次，而且每次的脉动波形一样。

另外id的波形与ud波形一样，没有滞后或者超前，因为id=ud/rd，ud的波形随触发脉冲的相位角波形变化而变化，脉冲相位角越大，ud电压越向后推迟，其平均值也越小，id一样，又因为一个周期内各时段的晶闸管导通情况如下表2，ia在VT1导通时为正，波形与id一样，ia在VT4导通时为负，波形与id相同，只是方向倒了；ib在VT3导通时为正，波形与id一样，ib在VT6导通时为负，波形与id波形相同，只是方向倒了一下而已。

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表2周期内晶闸管的导通情况

在负载电阻情况下，各个波形都与负载电压波形一致，当相位控制角α小于60度时，波形都是连续的；而当相位控制角α大于60度时，波形会出现不连续情况。之所以会出现波形不连续的情况，是因为电流id不能出现负值，只要电流为零，晶闸管就会不导通而断开，所以电压不能出现负值，会导致不连续现象的出现。

当相位控制角α继续增大，直到大于120度时，负载电压电流曲线会全部消失，这种现象说明在纯负载的情况下，相位控制角的大小范围是0到120度，我们把到的波形与电路分析的理论波形相比较，基本是没什么差别的。Id的波形与ud的一样。

以相位控制角α为30度为例，计算峰值电压有

又由实验记录所得ud的波峰值如下图图9

图9 相控角α=30度时ud的波峰值处

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所以从图9可知，峰值电压为172.85左右，另外考虑到晶闸管的内阻会消耗一些电压，所以可以知道仿真结果的正确性，以及采用电路分析以得到输出ud ,id的正确性。

综合仿真结果图形与电路分析的图形相比较，可以有以下结论： 纯电阻负载情况下，当相控角α小于60度时，电压Ud为

纯电阻负载情况下，当相控角α大于60度小于120度时，Ud为

3.3.2阻感负载情况

阻感负载情况下：将负载R设为8欧姆，电感设为0.1亨，反电动势设为0伏

特， 控制相位角α依次设为0度，30度，60度，90度，来进行仿真，有如下波形结果

当α为0度时，

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图10相位角α=0度时，ia&ib、id、ud、触发脉冲波形图

当α为30度时，

图11相位角α=30度时，ia&ib、id、ud、触发脉冲波形图

当α为60度时，

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图12相位角α=60度时，ia&ib、id、ud、触发脉冲波形图

当α为90度时，

图13相位角α=90度时，ia&ib、id、ud、触发脉冲波形图

在阻感负载情况下，该模块的整流输出电也是一个周期内脉动6次，而且

每次的脉动波形一样。但是由于电感具有储能作用，可以阻碍电流的突变发生，

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所以电流id的波形与ud的波形不一样，电流的变化会更加平和，当控制角较小时，电流id很稳定，基本上是一条直线，且基本不变，这相当于加在负载两端的电压与稳态电压输出电流一样，但是电压变化如果相对于负载电感吸收的能量和释放的能量变化相对较大时，就不能使电流成一条直线了，此时会变成一条相对于电压变化较慢的曲线。

又因为阻感负载电流的变化滞后于电压的变化，当电压变为零时，由于电感的储能作用，使电流还是一个正值，而晶闸管的导通或断开需要电流很小或者是电流为零，所以电压变为零时，晶闸管的电流不为零，也就不会断开，从而导致负载电压ud和 晶闸管的电压VT会出现负值，在仿真结果中显示倒向。

分析分析电流ia，它在VT1导通时为正，其波形与id一样，ia在VT4导通时为负，波形与id相同，只是方向倒了一下。

再来分析电流ib，它在VT3导通时为正，其波形与id一样，ib在VT6导通时为负，波形与id相同，只是方向倒了一下。

与纯负载一样，id没有尖峰脉冲电流出现，但是ia，ib在变化的时候均有很强的尖峰电流，这是因为三相桥臂增加了缓冲电路的缘故，尖峰电流被缓冲电路所吸收，所以在桥臂前的相电流能够看到很强的尖峰电流，但是桥臂后的负载电流则看不到尖峰电流。整流输出电压如下

我们以相位角α为30度时威力来计算，Ud的平均值为

Ud=2.34/1.414*100cos30=143.3V

Id=143.3/7.8=18.4V

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图14相控角α=30度时id的波峰值处

又因为仿真稳定后id的波形是不变电流，维持在18.1A，与理论结果相比较，

可以得出仿真结果的正确性。差的一点是因为我们在理论计算时整流桥内阻没实际仿真时其内阻时存在的，所以实际仿真结果要比理论结果偏小一点。即仿真结果是正确的。

所以说在阻感负载情况下，当相位控制角α小于60度时，负载电压Ud的波形与纯电阻负载时的情况一致，不会出现负值，只不过负载电流id比较平滑，基本成一条没有变化的直线；当相位控制角α大于60度时，负载电压出现负值情况；当相位控制角α继续增大，等于90度时，电感L足够大，负载电压Ud的正负面积基本相等，所以其平均值近似为零。综合分析表明，三相桥式全控整流电路的相控角α的相位移动范围是0度到90度。

另外，加入了反电动势，在反电动势不大的情况下，基本与不加反电动势出

现的波形情况一样，只是值有所减小，负载电压为没加反电动势电压减去反电动势。它还可以使得触发角α的取值范围减小。

当α=O时，输出电压Ud一周期内的波形是6个线电压的包络线。所以输出脉动直流电压频率是电源频率的6倍，比三相半波电路高l倍，脉动减小，而且每次脉动的波形都一样，故该电路又可称为6脉动整流电路。同理，三相半波整流电路称为3脉动整流电路。α>0时，Ud的波形出现缺口，随着α角的增大，缺口增大，输出电压平均值降低。当α=2π／3时，输出电压为零，所以电阻性负载时，α的移相范围是O～2π／3；当O≤α≤π／3时，电流连续，每个晶闸管导通2π／3；当π／3≤α≤2π／3时，电流断续，个晶闸管导通小于2π／3。23α=π／3是电阻性负载电流连续和断续的分界点。

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3.3.3 纯电阻负载与阻感负载的区别

通过以上对于纯电阻负载与阻感负载两种不同负载情况的综合分析，以及0

度、30度、60度、90度仿真得出的ia&ib、id、ud、控制脉冲波形图比较，可以得出纯电阻负载与阻感负载两种不同负载有以下区别：

纯电阻负载得到的负载电压波形与电流波形是一样的，变化情况也是一致的，而阻感负载的负载电压波形与电流波形却是明显不一样的的，变化情况也是不相同的；纯电阻负载的电压波形没有负电压的出现，而阻感负载的电压却会出现负电压。

4 三相桥式全控整流电路与半控整流电路

4.1 三相桥式半控整流电路结构

它是把全控桥阳极组的3个晶闸管换成整流二极管，因此它具有不可控和可控两者的特性。其显著特点是共阴极组元件必须触发才能换流；共阳极元件总是在自然换流点换流。一周期中仍然换流6次，3次为自然换流，其余3次为触发换流，这是与全控桥根本的区别。改变共阴极组晶闸管的控制角α，仍可获得0~2.34U2Φ的直流可调电压。 其电路结构图如下图图13所示

图15 三相桥式半控整流电路的原理图

它由共阴极接法的三相半波可控制整流电路与共阳极三相半波不可控制整流电路共同串联而成。因此这种电路兼有可控与不可控特性。共阳极的3个整流二极管总是在自然换相点换流，是电流换到比阴极电位更低的一相；而共阴极组的

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3个晶闸管则要在触发后才能换到阳极电位较高的一个，输出整流电压Ud的波形，波形是3组整流电压波形之和，改变共阴极组晶闸管的控制角，可获得0~2.34u2（u2是变压器两次侧电压）的直流电压。

具体电路如图13所示，图中VT1，VT3，VT5为触发脉冲相位互差120度的晶闸管，VD2，VD6，VD4则为整流二极管，由这6个管子组成的三相桥式半控整流电路，依图示编号，其导通顺序为VT1，VD2，VT3，VD4，VD6。假定负载电感L足够大，可以认为负载电流在整个稳态工作的过程中一直保持恒定，因此，不论控制角α如何变化，负载电流id总是单方向流动，而且变化很小。

同样分析三相桥半控整流电路的带负载情况：晶闸管的触发角α为零时，对于共阴极组所组成的3个晶闸管，阳极所接交流电压最高的一个导通，同理，对于共阴极组阴极所接的交流电压最低的一个导通，因此对于三相桥半控整流电路来说，任意时刻共阳极组合共阴极组均有一个晶闸管在导通状态，负载电压为某个线电压。

一个周期内参与导通的晶闸管的具体工作机输出整流电压的情况如下表表2所示

表2 三相桥式半波电路电阻负载α=0时晶闸时的工作情况

4.2 三相半控整流电路与全空整流电路

由于三相桥式全控整流电路的功能较多，所以整流电路也较复杂，仿真起来并不是那么容易，又三相桥式全半整流电路相对于又三相桥式全控整流电路更简单，更经济，而带电阻性负载时性能并不比全控桥差，所以在中等容量的装置或者是要求不高的不可逆的电力振动中应用比较广泛三相半控桥式整流便是其中的一种，此种整流电路只要三只晶闸管、只需三套触发电路、不需要宽脉冲或双脉冲触发、线路简单经济、调整方便。

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三相半控桥式整流电路，适用于较大功力，高电压的负载。移相范围是0到180度；

三相全控整流电路的元件多，触发系统复杂，所以多应用在逆变电路中，移相范围是0到120度。

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结 论

通过仿真和分析，可知三相桥式全控整流电路的输出电压受相位控制角α和负载特性的共同影响，文中应用Matlab的可视化仿真工具simulink对三相桥式全控整流电路的仿真结果进行了详细分析，并与相关文献中采用常规电路分析方法所得到的输出电压波形进行比较，进一步验证了仿真结果的正确性。

采用Matlab／Simulink对三相桥式全控整流电路进行仿真分析，避免了常规分析方法中繁琐的绘图和计算过程，得到了一种直观、快捷分析整流电路的新方法。让我们更熟悉了Matlab应用技术在电气工程与自动化中的应用，同时也熟悉了三相桥式全控整流电路，通过对波形的分析，可让我们知道真实情况下三相桥式全控整流电路的各个器件的运行情况。

应用Matlab／Simulink进行仿真，在仿真过程中可以灵活改变仿真参数，并且能直观地观察到仿真结果随参数的变化情况。应用Matlab对整流电路故障仿真研究时，可以判断出不同桥臂晶闸管发生故障时产生的波形现象，为分析三相桥式整流电路打下较好的基础，是一种实在值得进一步应用推广的功能强大的仿真软件。

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参考文献

[1] 郑阿奇，曹戈.MATLAB实用教程.电子工业出版社.2007.8 [2] 王兆安，黄俊.电力电子技术（第四版）.机械工业出版社.2010.7

[3] 黄江波.基于MATLAB的三相桥式全控整流电路的仿真研究.期刊.2010

[4] 王忠礼，段慧达，高玉峰.MATLAB应用技术在电气工程与自动化专业的应用.青华大学出版社》2007.1

[5] 威小惠.基于Simulink的三相桥式全控整流电路的建模与仿真[J].内江科技.2007

[6] 李传琦。电力电子技术计算机仿真实验[M].电子工业出版社.2007

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致 谢

毕业设计的这段时间是我学生生涯中很有价值的一段时光。这里有治学严谨而不失亲切的老师，有互相帮助的同学，更有向上、融洽的学校生活氛围。借此论文之际，我想向所有人表示我的谢意。

本论文是在张勇老师的指导下和同学们的帮助下完成的。在此，想对他们的细心帮助和指导表示由衷的感谢。

首先感谢我的指导老师张勇老师，张老师严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。从题目的选择到最终完成，张勇老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持，使我对整个毕业设计的思路有了总体的把握，并耐心的帮我解决了许多实际问题，使我有了很大的收获。在这段时间里，从中上我更学到了许多的专业知识，感受到老师工作中的兢兢业业和平易近人。此外，严谨的治学态度和忘我的工作精神值得我去学习。另外还要感谢在我的毕业设计中，给予我极大的帮助的同学，他们在整个开发过程中提出了许多建设性意见，并给我解决了一些专业性问题。

最后，我要感谢我的父母及家人，没有人比你们更爱我，你们对我的关爱让我深深感受到了生活的美好，谢谢你们一直以来给予我的理解、鼓励和支持，你们是我不断取得进步的永恒动力。

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