单相桥式全控整流电路课程设计 matlab.doc

电子技术课程设计说明书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，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，又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：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VT1和VT4组成一对桥臂，VT2和VT3 组成另一对桥臂。在u2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、VT4串联承受电压u2，设VT1和VT4的漏电阻相等，则各承受u2的一半。若在触发角处给VT1和VT4加触发脉冲，VT1、VT4即导通，电流从a端经VT1、R、VT4流回电源b端。当u2为零时，流经晶闸管的电流也降到零，VT1和VT4关断。在u2负半周，仍在触发延迟角处触发VT2和VT3（VT2和VT3的=0处为t=），VT2和VT3导通，电流从电源的b端流出，经VT3、R、VT2流回电源a端。到u2过零时，电流又降为零，VT2和VT3关断。此后又是VT1和VT4导通，如此循环的工作下去，整流电压ud和晶闸管VT1、VT4两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U2和U2。1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wt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ut1(4)=ut2(3)=1/2U2；在wt=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=时，因电源电压过零，通过晶闸管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wt+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=-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（0t1）：这阶段u2在正半周期，a点电位高于b点电位晶闸管VT1和VT2方向串联后于u2连接，VT1承受正向电压为u2/2，VT2承受u2/2的反向电压；同样VT3和VT4反向串联后与u2连接，VT3承受u2/2的正向电压，VT4承受u2/2的反向电压。虽然VT1和VT3受正向电压，但是尚未触发导通，负载没有电流通过，所以Ud=0，id=0。 第2阶段（t1 ）：在t1 时同时触发VT1和VT3，由于VT1和VT3受正向电压而导通，有电流经a点VT1RVT3变压器b点形成回路。在这段区间里，ud=u2，id=iVT1=iVT3=ud/R。由于VT1和VT3导通，忽略管压降，uVT1=uVT2=0，而承受的电压为uVT2=uVT4=u2。 第3阶段（t2 ）：从t=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VT1VT4都不导通，各晶闸管承受u2/2的电压，但VT1和VT3承受的事反向电压，VT2和VT4承受的是正向电压，负载没有电流通过，ud=0，id=i2=0。 第4阶段（t2 ）：在t2 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VT2RVT4a点，在这段区间里，ud=u2，id=iVT2=iVT4=i2=ud/R。由于VT2和VT4导通，VT2和VT4承受u2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。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u2的一个周期内，整流电压波形脉动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基本数量关系直流整流电流输出电压平均值为：a=0时，.，。可见a的移相角为0180.向负载输出电流平均值：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： 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： 负载电压有效值：变压器二次侧电流有效值I2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 3 电路原件参数的计算与选择题目所给条件为 1.电源电压：交流100V/50Hz 2.输出功率：500W 3.触发角 4.纯电阻负载3.1 主电路参数的计算开关频率f=50HZ 周期T=0.02s 直流整流电流输出电压平均值为：负载电压有效值：输出功率为P=500W负载电流有效值负载阻值： 向负载输出电流平均值：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：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：变压器容量3.2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：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：晶闸管承受的最大正向电压和反向电压分别为U2=70.7V和U2=141.4V考虑安全裕量：故晶闸管的额定电压为故晶闸管的额定电流为3.3 变压器参数的计算与选择一次侧： 二次侧：匝数比：变压器容量4 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D1D4整流后的直流电源WU，一路经R2、R1加在单结晶体管两个基极b1、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)所示，其振荡频率为：上式中=0.30.9是单结晶体管的分压比，即调节Re，可调节振荡频率。5 Matlab软件仿真分析 本次课程设计采用Matlab自带的动态仿真集成环境Simulink进行仿真。Simulink是一个用来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 单相桥式全控整流电路仿真模型图5.2 原件参数变压器参数设置触发脉冲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UG在t=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t=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(2)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,负载电流峰值约为.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16.1。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