单相桥式全控整流电路课程设计 matlab

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1、1引言随着现代科学技术的不断进步，电力电子技术正以令人瞩目的发展速的，改变着我 国电力工业的整体面貌。电子技术包括信息电子技术和电力电子技术两大分支。电力电 子技术是一门新兴的应用于电力领域的电子技术，具体的说，就是使用电力电子器件（如 晶闸管，GTO, IGBT等）对电能进行变换和控制（整流，逆变，斩波，变频，变相等） 的技术。电力电子涉及由半导体开关启动装置进行电源的控制与转换领域，包括交流变 直流，直流变交流，交流变交流，直流变直流等四大电力变换技术。整流电路（Rectifier）是电力电子电路中出现最早的一种，它的作用是把交流电 能转换为直流电能供给直流用电设备。整流电路的应用十分广泛

2、，例如直流电动机，电 镀、电解电源，同步发电机励磁，通信系统电源灯，大多数整流电路由变压器、整流主 电路和滤波器等组成。可以从各种角度对整流电路进行分类，主要的分类方法有：按组 成的期间可分为不可控，半控，全控三种；按电路的结构可分为桥式电路和零式电路； 按交流输入相数分为单相电路和多相电路；按变压器二次侧电流的方向是单向还是双 向，乂可分为单拍电路和双拍电路。而单相整流电路中应用较多的是单相桥式全控整流 电路。2单相桥式全控整流电路的结构与工作原理2.1电路结构电路图:7左7站图1单相桥式全控整流电路（纯电阻负载）的电路原理图2. 2工作原理在单项桥式全控整流电路中，晶闸管和VR组成一对桥臂

3、，V&和VI组成另一 对桥臂。在匕正半周（即a点电位高于b点电位），若4个晶闸管均不导通，负载电流 id为零，Ud也为零,VT1. VT-串联承受电压U2,设VG和VT-的漏电阻相等,则各承受u2 的一半。若在触发角a处给VT1和VT-加触发脉冲,VT】、VT。即导通,电流从a端经VT】、 R、VT漩回电源b端。当匕为零时,流经晶闸管的电流也降到零,VT】和VT关断。在u2负半周,仍在触发延迟角a处触发VT：和VTs (VT2和VTs的a =0处为o)t=n ), VT2和VT$导通,电流从电源的b端流出,经VT, R、VT?流回电源a端。到u2过零时， 电流乂降为零，V工和VA关断。此后乂是

4、VT1和VT4导通，如此循环的工作下去，整流 电压ud和晶闸管VT】、VT两端的电压波形如下图(2)所示。晶闸管承受的最大正向电压和反向电压分别为靛和尿1&单相桥电3且性负嶷1 口 |回 七图2单项桥式全控整流电路带电阻负载时的波形在电源电压正半波，在wta时，晶闸管VT1, VT4承受正向电压，晶闸管VT2, VT3承受反向电压，此时4个晶闸管都不导通，且假设4个晶闸管的漏电阻相等，则 utl(4)=ut2(3)=l/2U2；在wt=a时，晶闸管VT1, VT4满足晶闸管导通的两条件，晶闸 管VT1, VT4导通，负载上的电压等于变压器两端的电压U2；在wt=n时，因电源电压 过零，通过晶闸

5、管VT1, VT4的阳极电流小于维持晶闸管导通的条件下降为零，晶闸管 关断。在电源负半波，在wtVa + n时，触发晶闸管VT2, VT3使其元件导通，电源电压 沿正半周期的方向施加到负载电阻上，负载上有输出电压（Ud二-U2）和电流，且波形相 位相同。此时电源电压反向施加到晶闸管VT1, VT4,使其承受反向电压而处于关断状态; 在wt=2 it时，因电源电压过零，通过晶闸管VT2, VT3的阳极电流小于维持晶闸管导通 的条件下降为零，晶闸管关断。具体而言：第1阶段（0otl）：这阶段u2在正半周期，a点电位高于b点电位晶闸管VT和 工方向串联后于g连接，VT】承受正向电压为u：/2, VT

6、：承受比/2的反向电压；同样VR 和VT仮向串联后与比连接，VT$承受出/2的正向电压,VT-承受比/2的反向电压。虽然 VT】和VR受正向电压，但是尚未触发导通，负载没有电流通过，所以匕二0, id二0。第2阶段（3t宀）:在3仏时同时触发VT】和VT”由于和VT$受正向电压而 导通，有电流经a点一VTlR-VTl变压器b点形成回路。在这段区间里，u尸比， id= iVii= iV7s=ui/Ro由于VTi和VTj导通，忽略管压降,Uvn二Unc二0，而承受的电丿*为u二Um二u?。第3阶段（兀3心）：从开始U2进入了负半周期，b点电位高于a点电位， VT1和VT3由于受反向电压而关断，这时

7、VTrVT.都不导通，各晶闸管承受比/2的电压, 但VT】和承受的事反向电压，VT：和6承受的是正向电压，负载没有电流通过，m二0, 1=12=00第4阶段（3“兀）：在3心时，u2电压为负，VT2和VT4受正向电压，触发VT2 和VT4导通，有电流经过b点-*VT:-*R-*VT5-*a点，在这段区间里，ua=u:, i尸ivrFim二“Ud/R。由于VT：和VT,导通，VT：和VT承受比的负半周期电压，至此一个周 期工作完毕，下一个周期，重复上述过程，单项桥式整流电路两次脉冲间隔为180 o由于在交流电源的正负半周都有整流输出电流流过负载，故该电路称为全波整流。 在氏的一个周期内，整流电压

8、波形脉动2次，脉动次数多于半波整流电路，该电路属于 双脉搏整流电路。变压器二次测绕组中，正负两个半周电流方向相反且波形对称，平均 值为零，即直流分量为零，所以变压器不存在直流磁化问题，变压器绕组的利用率也高。2. 3基本数关系直流整流电流输出电压平均值为：a二0 时，Ud=UdQ = 0.9U2. 67 = 180 , Ud=Q.可见 a 的移相角为 0180.向负载输出电流平均值：(R R 2流过晶闸管的电流平均值只有输出直流平均值的一半(因为一个周期内每个晶闸管只有 半个周期导通)，即：7dVT =丄血=0.45冬土叱dN1 2 dR 2为选择晶闸管，变压器容量，导体横截面积等定额，需考虑

9、发热问题，为此计算电流有效值。流过晶闸管的电流有效值为：1VI.= g- J聖旦 + 巳血Y 2龙 兀负载电压有效值：变压器二次侧电流有效值12与负载电流有效值相同，都为:由上可知:不考虑变压器损耗时，要求变压器的容量为题目所给条件为3电路原件参数的计算与选择交流 100V/50HZ500W1 电源电压：交;2. 输出功率:50(3. 触发角67 = 60=4 纯电阻负载3.1主电路參数的计算开关频率f二50HZ周期T二0. 02s、2 忑5 1 + cosa2 sm cot a cot)=-直流整流电流输出电压平均值为:匕=丄屁7T兀Ja= 0.9“ 上叱67- 2负载电压有效值:r. r.

10、 Isni2a rr-ci叫亏计100x0.897V = 89.7V输出功率为P=500W负载电流有效值U2 |siii2 丄 7i-a _ P7t U50089?74 = 5.574n2负载阻值：/? = _16.1Q向负载输出电流平均值：R1 + COSd2-= 4.19A流过晶闸管的电流平均值只有输出直流平均值的一半（因为一个周期内每个晶闸管只有 半个周期导通），即：ZdVT =丄人:=0.45 d 1= 2.095AdV1 2 dR 2Isin 2a 7t-a2龙为选择晶闸管，变压器容量，导体横截面积等定额，需考虑发热问题，为此计算电流有效值。流过 晶闸管的电流有效值为：/ = 394

11、4变压器容量S = U2I2=5W3.2晶闸管参数的计算与选择流过晶闸管的电流平均值只有输出直流平均值的一半（因为一个周期内每个晶闸管只有半个周期导通)，即:dVT为选择晶闸管，变压器容量，导体横截面积等定额, 晶闸管的电流有效值为：需考虑发热问题，为此计算电流有效值。流过Ur sin 2a n-a/ = 3.944晶闸管承受的最大正向电压和反向电压分别为U2=70. 7V和V2U2=141.4V2考虑安全裕量：故晶闸管的额定电压为t/.v=(23)xl41.4V = 283424V故晶闸管的额定电流为人=(15 2) x 3.94 A = 5.91 7.88 A3. 3变压器參数的计算与选择

12、一次侧：5 = 220V 二次侧：U2 = 100V匝数比:L=L=11 n2 U2 5变压器容量S = UJ2=557W4触发电路的设计4.1触发电路要求第一，触发电路应有足够功率；第二，触发脉冲宽度要能维持到晶闸管彻底导 通后才能撤掉；第三，触发脉冲要与晶闸管阳极电压同步，脉冲移相范围必须满足要求。4.2触发电路图4.3工作原理经D广D4整流后的直流电源WU, 路经R2、R1加在单结晶体管两个基极bl、b2之间； 另一路通过Re对电容C充电、通过单结晶体管放电。控制BT的导通、截止；在电容上 形成锯齿波振荡电压，在R上得到一系列前沿很陡的触发尖脉冲gu；如图4. 2. 1 (b)所其振荡频

13、率为：上式中H二0309是单结晶体管的分压比，即调节Re,可调节振荡频率。5 Mat I ab软件仿真分析本次课程设计釆用Mat lab自带的动态仿真集成环境Simulink进彳亍仿真。Simulink 是一个用來对动态系统进行仿真和分析的软件库。它支持连续、离散、及两者混合的线 性和非线性系统。它与用微分方程和差分方程建模的传统仿真相比具有更直观、更方便、 更灵活的优点。25.1仿真模型*.mdl文件是Simulink仿真工具箱仿真所设计的文件。它具有功能强大，而且包含 了常用的大部分元器件仿真数学模型，形象易懂，便于设计。3单相桥式全控整流电路的Matlab仿真电路图如图2所示：图2单相桥

14、式全控整流电路仿真模型图5. 2原件参数eioukc 尸 00Up u二 丫 1_百 - u o rfr-.rr o lZ H. =i. = 1cl-vx= 丄：y f n-x-fc -i: = xx f* -= p am.-= anT-Jat-t-zL -tz 0 atz o o oxvJE d. x:nx -tz 1 o oaexvo :tr o zL oar* o0疋 oonx-tz uh o a*. = ro. -t= an xr arJLt： 0 | X VJL- |Woirw丄it、olX.coW0 3tr oottcdL IT r o citjl irxoyC VA Hart 3

15、 IZEET SO W i. 3t- 03tr =ur =-f: oxoC 5Z 1K 1JL. 1C 2X2 O OO3Wd.antartc2xz 0* =onr*u-t: u x oC V2C V:trznto K2I. 2IruO C1oo o o S3：OK- a_xAoojo x -yI I TJbvxr d d wd.x-tc3Lzi.z-vc = 七 sr 0jn. d d xr :m. d xrKV a. cH.=i. x-v he 33=-tz gae CV xrvnkaae X0 ZJ =1 C 3i 1 e - :3iO .0 0 2O- OS WC SM. ME VW.

16、 on 七3-工n七3- srw.3=- mm aae a. aae-t: m t u = and:i- m d*_x. u t= - u imTo CajxICx=_*. 3 =C BOOBOO变压器参数设置Q Source Block Parameters; Puke Generator cn3Pulse type ddemmes *thc conpational tcclunqucTine-based is trccojoicndcd for unc vith a variable solver, -while Sanpl e-based is re contended for use

17、fixed s-t cp solver or within a discrete portion of using a varisble step solverParamet or 3Pulse type: lute basedTuio (t): Use sinulation timeAnlitudG：10Period (secs);0.02Pulse Vidth (% of period)!60Phase delay (secs):used.step vith s a mode00033333333333333333333333333333333333333333333333In-teipE

18、ct vector paianetcis as 1T)触发脉冲1参数设置触发脉冲2参数设置负载参数设置5. 3示波器波形示波器输出波形5. 4结果分析在电源电压正半波（0=）区间，晶闸管承受正向电压，脉冲在3E 处触发晶 闸管，晶闸管开始导通，形成负载电流id,负载上有输出电压和电流。3在35时刻，U2=0,电源电压自然过零，晶闸管电流小于维持电流而关断，负载 电流为零。在电源电压负半波（八2开）区间，晶闸管承受反向电压而处于关断状态，负 载上没有输出电压，负载电流为零，晶闸管上电压波形与电源电压波形相同。情况一直 持续到电源的下个周期的正半波，脉冲信号的来临。3在设计时，触发脉冲的参数设定十

19、分关键，触发脉冲1相位延迟0. 003333秒即 一个a延迟角，而触发脉冲2相位延迟要0. 0133333秒即（a+180）延迟角。获得的 负载电压峰值约为人=126.854# ,负载电流峰值约为人=8.124234 .与理论推导值基本 相同。仿真结果符合条件！6课程设计体会通过这次单相桥式全控整流电路的设计，我加深了对电力电子技术及整流技术的理 解，特别是对单相桥式全控整流电路相关内容有了更深刻的认识和理解。另外，此次设 计内容不仅仅只涉及了整流系列电路，还有与主电路相配套的触发电路设计，扩大了我 的知识面，为以后课程设计、毕业设计打下知识基础。同时，通过对各部分电路的仿真 分析，原理图的绘

20、制，使我对MATLAB中的Simulink软件有了一个很好的学习机会，基 本掌握了这些软件的使用和调试方法，提高了理论分析能力，大大简化了我们的设计时 间和步骤。在单项桥式全控整流电路中，给晶闸管提供触发脉冲是设计的关键。要给定正确的触发脉冲必须熟悉单项桥式全控整流电路的原理，掌握触发脉冲的过 程；建立电路的Simulink模型时要特别主要避免原理性错误。本文在建立控制电路时, 就采用了电路原理与Simulink模块原理相结合的方法；用Simulink的菜单直接进行仿 真时，负载的参数也要设置为计算值16. 1QO将输出电压，电流即仿真结果设置在一 个示波器上，易于分析和比较，从而达到最佳设计

21、要求，大大简化了设计流程，减轻了 设计者的负担，充分体现了 Simulink工具的优越性。最后感谢石喜玲老师和张颖老师以及我班同学的指导与帮助，给我提了宝贵的意 见，我做了仿真跟绘图，仿真实验还是得到了理想的波形，与理论结果基本相似。此次 课程设计过程中使我学到了很多各方面的知识，是我今后深入学习的基础和动力，在以 后的学习生活中我会继续努力，不断前进！参考文献：1 .王兆安，刘进军.电力电子技术.北京.机械工业出版社.20092 .李传琦.电力电子技术计算机仿真实验.北京.电子工业出版社.20053 洪乃刚.电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真北京机械工业出版社.20064 钟炎平.电力电子电路设计北京华中科技大学出版社.2010