晶閘管單相橋式整流電路設(shè)計與仿真(MATLAB)

1、 引 言整流電路（rectifier）尤其是單相橋式可控整流電路是電力電子技術(shù)中最為重要，也是應(yīng)用得最為廣泛的電路，不僅應(yīng)用于一般工業(yè)，也廣泛應(yīng)用于交通運輸、電力系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、能源系統(tǒng)等其他領(lǐng)域。因此對單相橋式可控整流電路的相關(guān)參數(shù)和不同性質(zhì)負載的工作情況進行對比分析與研究具有很強的現(xiàn)實意義，不僅是電力電子電路理論學習的重要一環(huán)，而且對工程實踐的實際應(yīng)用具有預(yù)測和指導作用。matlab提供的可視化仿真工具simtlink可直接建立電路仿真模型，隨意改變仿真參數(shù)，并且立即可得到任意的仿真結(jié)果，直觀性強，進一步省去了編程的步驟。本文利用simulink對三相橋式全控整流電路進行建模，對不同控制角

2、、橋故障情況下進行了仿真分析，既進一步加深了三相橋式全控整流電路的理論，同時也為現(xiàn)代電力電子實驗教學奠定良好的實驗基礎(chǔ)。第1章 容及設(shè)計內(nèi)技術(shù)要求一 設(shè)計內(nèi)容及技術(shù)要求 計算機仿真具有效率高、精度高、可靠性高和成本低等特點，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電力電子電路（系統(tǒng)）的分析和設(shè)計中。計算機仿真不僅可以取代系統(tǒng)的許多繁瑣的人工分析，減輕勞動強度，提高分析能力和設(shè)計能力，避免因為解析法在近似處理中帶來的較大誤差，還可以與實物試制和調(diào)試相互補充，最大限度的降低設(shè)計成本，縮短系統(tǒng)研制周期。可以說，電路的計算機仿真技術(shù)大大加速了電路的設(shè)計和實驗過程。通過本次仿真，學生可以初步認識電力電子計算機仿真的優(yōu)勢，并掌握電

3、力電子計算機仿真的而基本方法。 1、晶閘管單相全控整流電路，參數(shù)要求： 電網(wǎng)頻率 f=50hz 電網(wǎng)額定電壓：u=380v 電網(wǎng)電壓波動：正負10% 阻感負載電壓：0-190v 2、設(shè)計內(nèi)容 （1）制定設(shè)計方案； （2）主電路的設(shè)計及主電路元件的選擇 （3）驅(qū)動電路和保護電路設(shè)計及參數(shù)計算 （4）繪制電路原理圖 （5）總體電路原理圖及說明 3、設(shè)計的總體要求 （1）熟悉matlab/simulink/powersystem中的仿真模塊用法和功能 （2）根據(jù)設(shè)計電路搭建仿真模型 （3）設(shè)置參數(shù)并進行仿真 （4）給出不同觸發(fā)角時對應(yīng)ud、id、i2和ivt1的波形。4、設(shè)計的總體要求 （1）熟悉整

4、流和觸發(fā)電路的基本原理，能夠運用所學的理論知識分析設(shè)計任務(wù)； （2）掌握基本電路的數(shù)據(jù)分析、處理，描繪波形并加以判斷； （3）能正確設(shè)計電路，畫出線路圖，分析電路原理； （4）廣泛收集相關(guān)技術(shù)資料； （5）按時完成課程設(shè)計任務(wù)，認真、正確的書寫課程設(shè)計報告。二、設(shè)計總結(jié)報告要求 1、設(shè)計題目、目錄、設(shè)計的基本原理、簡要說明本設(shè)計內(nèi)容、用途及特點、達到的性能指標； 2、寫出個部分設(shè)計過程、工作原理、元器件選擇； 3、給出仿真結(jié)果； 4、附錄、設(shè)計參考文獻、設(shè)計總結(jié)體會； 5、按要求完成仿真報告。 第二章 基本原理 單相可控整流電路中應(yīng)用最多的是單相橋式全控整流電路（single phase br

5、idge full-controlled rectifier），如圖5所示。在單相橋式全控整流電路中，每一個導電回路中有2個晶閘管，即用2個晶閘管同時導通以控制導電的回路。圖5 單相橋式全控整流電路原理上文已經(jīng)就單相橋式半控整流電路在純電阻性負載時進行了較為詳盡的分析，而且全控電路與半控電路在純電阻性負載時的工作情況基本一致，同時晶閘管承受的最大正向電壓和反向電壓也同前述電路相同，分別為和。以下重點分析帶電阻電感負載時的工作情況。vt1和vt4組成一對橋臂，在u2正半周(即a點電位高于b點電位)承受電壓u2，若在觸發(fā)角處給晶閘管vt1和vt4施加觸發(fā)脈沖使其開通，電流從電源a端經(jīng)vt1、r、v

6、t4流回電源b端，ud=u2。在u2過零時關(guān)斷。假設(shè)電路已工作于穩(wěn)態(tài)，id的平均值不變。負載中有電感時電流不能突變，電感對負載電流起平波作用，假設(shè)負載電感很大，負載電流id連續(xù)且近似為一水平直線，u2過零變負時，由于電感的作用晶閘管vt1和vt4中仍流過電流id，并不關(guān)斷。vt2和vt3組成另一對橋臂，在u2正半周承受電壓-u2，至t=+時刻，給vt2 和vt3施加觸發(fā)脈沖，因為vt2 和vt3本已經(jīng)承受正向電壓，故兩管導通。在u2過零時關(guān)斷。vt2 和vt3導通后，分別給vt4 和vt1施加反向電壓使其關(guān)斷。流過vt1和vd4的電流迅速轉(zhuǎn)移到vt2 和vt3上，此過程稱為換相，亦稱換流。在下

7、一周期重復相同過程，如此循環(huán)。若4個晶閘管均不導通，則負載電流id為零，負載電壓ud也為零。根據(jù)上述分析，可求出輸出負載電壓平均值為：（5）晶閘管移相范圍為90。晶閘管承受的最大正反向電壓均為 。晶閘管導通角與無關(guān)，均為180。電流的平均值和有效值分別為：（6）（7）變壓器二次側(cè)電流i 2的波形為正負各180的矩形波，其相位由決定，有效值i 2= id。帶電阻電感性負載單相橋式全控整流電路的仿真模型如圖6所示。圖6 單相橋式半控整流電路的仿真模型 第三章 各環(huán)節(jié)參數(shù) 各環(huán)節(jié)參數(shù)由調(diào)試過程結(jié)合圖形樣式比較，得出正確波形的參數(shù)。 首先，是單相電源參數(shù)。其具體參數(shù)如下圖所示。 其次，為觸發(fā)脈沖的參數(shù)

8、，幅值，脈沖寬度以波形清晰美觀為標準。其中，phase delay一欄為觸發(fā)角調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)此欄數(shù)據(jù)，可以得到不同觸發(fā)角的各個波形。具體參數(shù)見下圖所示。上圖為1和3號晶閘管的觸發(fā)脈沖參數(shù)，2和4號的脈沖與1和3的脈沖相位差為180度。下圖為觸發(fā)角30度時，2和4號晶閘管的觸發(fā)脈沖參數(shù)。 最后是負載的參數(shù)，負載為阻感性負載，調(diào)節(jié)電阻大小，使波形中的毛刺消除，記錄使毛刺消除的阻值，作為最終負載的參數(shù)。具體參數(shù)如下第4章 調(diào)試結(jié)果及結(jié)果分析按照設(shè)計的電路圖連線，仿真。得到不同觸發(fā)角是的波形。其中，包括電源電壓及電流波形，整流后的電壓和電流波形。及晶閘管的電流計電壓波形。觸發(fā)角為0度時，可以得到如下波形。

9、 如圖所示，第一欄為電源電壓波形，依次為：電源電流波形，1號3號觸發(fā)脈沖波形，2號4號觸發(fā)脈沖，整流后的電壓波形，整流后的電流波形，晶閘管的電壓波形，晶閘管的電流波形。觸發(fā)角為30度時，可以得到的波形如下。觸發(fā)角為45度時的波形。觸發(fā)為60度時的波形。 觸發(fā)角為90度時的波形。第五章 結(jié)果分析a =0時的工作原理分析：晶閘管的電壓波形，由3段組成：第1段，vt1導通期間，為一管壓降，可近似為ut1=0 第2段，在vt1關(guān)斷后，vt2導通期間，ut1=ua-ub=uab，為一段線電壓。 第3段，在vt3導通期間，ut1=ua-uc=uac ，為另一段線電壓。a = 30時的波形負載電流處于連續(xù)和

10、斷續(xù)之間的臨界狀態(tài)，各相仍導電120 。如果a30，例如a=60時，整流電壓的波形如圖所示，當導通一相的相電壓過零變負時，該相晶閘管關(guān)斷。此時下一相晶閘管雖承受正電壓，但它的觸發(fā)脈沖還未到，不會導通，因此輸出電壓電流均為零，直到觸發(fā)脈沖出現(xiàn)為止。這種情況下，負載電流斷續(xù)，各晶閘管導通角為90小于120。電感大小對仿真結(jié)果的分析：當電感l(wèi)=10e-6時，負載電流波形為同負載電壓波形的脈動波；當電感l(wèi)=10e-2時，負載電流波形如圖4-104-13所示；當電感l(wèi)=10時，負載電流波形為近似直線。如果電感不夠大，電感中的儲能不足以使負載電流維持到180+，則負載電流將會出現(xiàn)斷續(xù)現(xiàn)象。此時由于電流斷續(xù)

11、不存在兩相銜接導通的情況，在分析電路時單相橋式全控整流電路可以看成兩個單相半波可控整流地電路組成，因此可用單相半波可控整流電路的導通規(guī)則來研究觸發(fā)角。結(jié) 論 本文在對單相橋式可控整流電路理論分析的基礎(chǔ)上，利用matlab面向?qū)ο蟮脑O(shè)計思想和自帶的電力系統(tǒng)工具箱，建立了基于matlab/simulink的單相橋式可控整流電路的仿真模型，并對其進行了對比分析研究。對于電路帶純電阻性負載時的工作情況，驗證了觸發(fā)角的移相范圍是0180，負載電流不連續(xù)；對于電路帶電阻電感性負載時的工作情況，驗證了觸發(fā)角的移相范圍是090，負載電流是連續(xù)的；在應(yīng)用單相橋式半控整流電路時應(yīng)注意避免失控現(xiàn)象。通過仿真分析也驗

12、證了本文所建模型的這次電力電子技術(shù)課程設(shè)計，讓我們有機會將課堂上所學的理論知識運用到實際中。并通過對知識的綜合利用，進行必要的分析，比較。從而進一步驗證了所學的理論知識。指導我們在以后的學習，多動腦的同時，要善于自己去發(fā)現(xiàn)并解決問題。這次的課程設(shè)計，還讓我知道了最重要的是心態(tài)，在你拿到題目時會覺得困難，但是只要充滿信心，就肯定會完成的?？偨Y(jié)體會通過電力電子技術(shù)課程設(shè)計，我加深了對課本專業(yè)知識的理解，平常都是理論知識的學習，在此次課程設(shè)計中，真正做到了自己查閱資料、完成一個基本的設(shè)計任務(wù)。在此次的設(shè)計過程中，我更進一步地熟悉了三相半波整流電路的原理及matlab仿真電路的設(shè)計。當然，在這個過程中

13、我也遇到了困難，通過查閱資料，相互討論，我準確地找出錯誤所在并及時糾正了，這也是我最大的收獲，使自己的實踐能力有了進一步的提高，讓我對以后的工作學習有了更大的信心。通過這次課程設(shè)計使我懂得了只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學的理論知識與實踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。在設(shè)計的過程中難免會遇到過各種各樣的問題，同時在設(shè)計的過程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對以前所學過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固，通過這次課程設(shè)計，把以前所學過的知識重新溫故，鞏固了所學的知識。除了對理論知識更深地理解，同時也培養(yǎng)了以下幾點能力。第一，提高了自己撰寫課程設(shè)計報告水平，提高了自己的書面表達能力。第二，提高了運用所學的各門知識解決問題的能力，在本次課程設(shè)計中，涉及到很多學科，學會了如何整合自己所學的知識去解決實際問題。第三，深刻理解了單相可控整流電路的原理及應(yīng)用。參考文獻1 張加勝, 張磊. 電力電子技術(shù) m . 東營: 中國石油大學出版社, 2004. 6.2 林忠岳. 電力電子變換技術(shù) m . 重慶: 重慶大學出版社,1997.3 莫正康. 電力電子技術(shù). ( 第3 版) m . 北京: 機械工業(yè)出版社, 2000.4 陳堅. 電力電子學: 電力電子變換和控制技術(shù) m . 北京: 高等教育出版社, 2002.1.5 薛定宇