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武汉理工大学电力电子技术课程设计说明书摘 要通常所用的电力有两种：直流和交流。电力变换通常有交流变直流（AC-DC）、直流变交流(DC-AC)、直流变直流(DC-DC)、交流变交流(AC-AC)，分别对应整流、逆变、直流斩波和交流电力控制的变频、变相。单项桥式半控整流电路属于整流电路的一种。类比与单项桥式全控整流电路设计出电路，只是在器件上将两个晶闸管改成了二极管，除了分析电路的结构组成、工作原理，还要进一步通过仿真软件实现对在器件、触发角、所带负载等各方面不同时，分析在波形上表现出的不同。合适的器件的使用会电路的性能更完善。而理论分析与有具体数据要求的仿真对比时，发现输出特性波形不同。理论分析时通常把器件理想化，使得输出特性近似取，分析对比得出结论。关键词：桥式半控整流反电动势负载matlab仿真11目录摘 要01方案设计11.1主电路设计11.2原理分析1参数计算及器件的选择32.晶闸管32.二极管32.电感量33触发电路的设计43.1触发器的作用及要求43.2触发器的原理与波形43.3脉冲的分类54实验仿真54.1仿真原理图及元件参数设定54.2不同情况下的仿真波形64.3仿真与理论结果的比较与分析8小结与体会9参考文献101方案设计1.1主电路设计根据技术要求：设计一单相桥式半控整流电路，对反电势负载供电，其R=10,L=20mH,E=50V；要求直流输出电压在0180伏连续可调。设计出电路如图所示：图1 单项桥式半控整流电路原理图在单项桥式半控整流电路中，设计晶闸管VT1和二极管VD2组成一桥臂，晶闸管VT2和二极管VD1组成另一桥臂，负载为电阻、电感及反电动势，VD并联在负载电压两端作续流二极管。具体的参数设定：由输出电压为0180V,可知输入电压的幅值为180V,则设置输入电压为Ui=2UisintV,其中由波形知：最大值Um=180V，有效值Ui=127.3V，f=50Hz,即=2f=100，T=1f=0.02s。1.2原理分析在Ui在正半周期，只有在触发角处给晶闸管VT1加触发脉冲，并且正向端电压反向电压，即UiE+EL时，晶闸管才能导通与VD2构成回路，此时Ud=Ui。当u2下降到零并开始变负时，负载中有电感存在使负载电流不能突变，电感对负载电流起平波作用，将产生一感应电势使VT1继续导通。但此时VD1已承受正向电压正偏导通，而VD2反偏截止，负载电流id经VD1、V1流通。此时整流桥输出电压为VT1和VD1的正向压降，接近于零，所以整流输出电压Ud没有负半周，这种现象我们把它叫做自然续流。而Ui的负半周具有与正半周相似的情况，控制角为时触发VT2，VT2、VD1导通，Ui过零变正时经VD2、VT2自然续流。）假设L值足够大时，虽本身有自然续流的能力，但在实际运行中，当突然把控制角增大到180以上或突然切断触发电路时，会发生正在导通的晶闸管一直导通，两个二极管轮流导通的现象。此时触发信号对输出电压失去了控制作用，我们把这种现象称为失控。为消除失控，带电感性负载的半控桥式整流电路还需另接续流二极管VD。此时，负载电流id近似为一条直线，如图2（b）所示，输出电压的波形与带电感性负载时一样，其中晶闸管与整流二极管的导通角仍是VT1=VD2=-，续流二极管的导通角也仍是VD=2。）若串入的电感值不够时，输出的波形如图2（c）所示，电流断续情况下电压、电流波形，此时晶闸管两端的电压的波形复杂一些，在负载电流id断续时，若VD1正偏，则UVT=-E；若VD2正偏时，则UVT=Ui-E。触发角的移相范围为180（若没有续流二极管时，范围为90）。图2 串入不同L值的电感时输出的波形图 （b）为理想L=时 （c）为L较小时参数计算及器件的选择根据波形做相应的数据处理，得：Ud=12Uisintd(t)=22Uicos+12=0.9Uicos+12Id=Ud-ER2.晶闸管晶闸管元件在电路中实际承受的最大电压为UVTMAX=2Ui=180V；考虑安全裕量，所以晶闸管承受的额定电压为UTN=(23) UVTMAX=360540V；在电路中实际承受的最大电流IVTMAX=IMAX/2=（0.9Ui-E）2R=4.56A；考虑到安全裕量，所以晶闸管的额定电流为IVTN=(1.52) IVTMAX/1.57=4.365.81A。2.二极管1）整流二极管因为在电路中是和晶闸管构成一桥臂同时工作组成回路，所以承受的最大电压和最大电流与晶闸管一样。2）续流二极管续流二极管工作在晶闸管不导通时，则工作导通时两端电压为0；不导通时电压UVD=-Ud。即续流二极管承受的最大（反向）电压UVDMAX=-2Ui=180V2.电感量串入电感做平波电抗器，用来减少电流的脉动和延长晶闸管导通的时间。有了电感，当Ui小于E，甚至Ui值变负时，晶闸管仍能导通。只要电感量足够大就能使电流连续，晶闸管每次导通180。为保证电流连续所需的电感量可由下式求出：L=22UiIdmin=2.87*10-3UiIdmin其他的器件如电压表、电流表等的选取，根据情况，并考虑裕量，适当的选取合适的量程。3触发电路的设计3.1触发器的作用及要求触发器的作用是产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在需要的时刻由阻断转为导通。晶闸管触发电路应满足下列要求：1）触发脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通；2）脉冲应有足够幅度；3）所提供的触发脉冲应不超过晶闸管门极的电压、电流和功率定额；4）有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。3.2触发器的原理与波形图3给出了常见的晶闸管触发电路。它由V1、V2构成的脉冲放大环节和脉冲变压器TM和附属电路构成的脉冲输出环节两部分。当V1、V2导通时，通过脉冲变压器向晶体管的门极和阴极之间输出触发脉冲。VD1和R3是为了使V1、V2由导通变为截止时脉冲变压器TM释放其储存的能量而设的。图3 常见的晶闸管触发电路图4 理想的晶闸管触发脉冲电流波形t1t2:脉冲前沿上升时间（1us）t2t3:强脉冲宽度Im:强脉冲幅值 t1t4：脉冲宽度I:脉冲平顶幅值3.3脉冲的分类脉冲可以很多方面分类。从脉冲形式上来说，有单脉冲、双脉冲、脉冲群，和宽脉冲；从同步和移相控制来说，有正弦波移相控制、三角波移相控制；从形成脉的电路来说，有单结晶体管、三极管、触发器、门电路和单稳电路。4实验仿真4.1仿真原理图及元件参数设定在Matlab里的simulink仿真元件库中找到交流电压源（AC voltage source），晶闸管（Thyristor）、二极管（Diode）、电压、电流表（Measurement）、阻感负载、反电动势、触发矩形脉冲（pulse generator）以及示波器（Scope）。根据原理图将元件组成仿真电路下图：图仿真电路图1） 交流电源参数设定参数peak amplitude为180V,frequency为50Hz，其它设为0。2） 触发脉冲信号参数晶闸管的触发脉冲主要设定的是相位延时（phase delay/secs），因为T=0.02s,则此处触发VT1的值为/360*0.02，VT2的为（+180）/360*0.02，其他参数满足要求即可。带=0得到的脉冲波形如下图：图 =0时，VT1(上)和VT2(下)的脉冲波形3） 负载参数根据要求设置负载参数为R=10,L=20mH,E=50V。其它元件的参数如晶闸管、电压表、电流表、示波器等，在原始设定下保持或根据需要适当地调整参数。4.2不同情况下的仿真波形当输入同一正弦电压Ui，但在不同的时，输出特性波形是不尽相同的。1） 0时输出波形如图7：设置触发延时为0和0.01，由输出波形可以看出0时，波形的特点：1.晶闸管VT2在Ui0时，两端电压为-Ui；2.整流二极管VD2与VT1组成桥臂，此时特性相同，Ui0时，完全导通；Ui0时,两端电压为Ui；3.在稳态时，负载电压Ud=Ui为0180V可调，负载电流在Ui0以后的一段时间内id0，是由于L储能图7 0时负载、晶闸管、二极管的波形 的作用。2）60时输出波形如图：设定参数为0.01/3和0.04/3，与0相比，输出的波形有以下不同：1.晶闸管VT2在晶闸管VT1接收到触发后，但由于电感值过小，无法提供导通电压而不导通时，两端电压为-E；图 =60时的负载、晶闸管、二极管波形2.以上情况的同时，无论是桥臂电路还是续流二极管都无法导通，即负载电流为0；负载电压为E；电流变化，自然引起了波形的毛刺。3）90时输出波形如图9：根据触发角90，设定参数为0.005和0.015。与0与60时的波形相比，可以总结出：1.0与0的波形差别较大，主要差别在晶闸管VT2在触发脉冲未到时，L储能释放完后，其两端电压波形近似为Ui-E。这是因为此时，VD1和VT2可以与整个反电动势负载构成回路。.不同值（除0）外波形相似，波形的不同可以近似的认为是由触发角的增大，引起波形的延时效果。图9 90时负载、晶闸管、二极管的波形4.3仿真与理论结果的比较与分析就理论分析的波形（图2）与仿真输出的波形（图79）作比较分析可以证实:1.在相同的电路等情况下，仅仅修改电感L值的大小会影响输出的波形，L=时，储能大，使得输出的波形比较理想，例如负载电流id可近似为一条直线，输出特性波形比较平滑无毛刺等；而L的值较小时，晶闸管两端的电压的波形复杂一些，电流类似正弦变化，且会出现断续情况，电压、电流波形与理想情况出入较大；.在不同触发角时，输出的波形变化也较大（如图9所示）各自的比较，所以根据具体情况的要求选取；3.虽然电路在VT2、VD1导通可以自然续流，但在实际运行中，控制角增大或突然切断触发电路时，会出现失控现象。为消除失控，一般仍需另接续流二极管VD。小结与体会在此次电力电子课程设计中，针对单相桥式半控整流电路的整个设计过程，一方面重新复习课本，加深了对理论知识点的学习理解，一方面又加深了对矩阵实验室（matlab）的运用，学会运用软件对电力电子学科的相关电路展开仿真，从而使理论的结果更加生动。课程设计强调课本理论与设计仿真的结合。通过此次课程设计的学习，我发现针对一个电力电子的电路，我们可以通过仿真，既实现对理论分析的证明它的输出波形的特性方面，又可以通过修改组成电路的各个元器件参数，例如报告中所分析的触发角、串入电感值L等等，从而分析各个参数对输出特性的不同影响。只有在对电路的结构、工作原理以及驱动触发模块等十分清楚时，我们可以针对电路的各个模块进行优化，从而改善电路的输出特性，提高整个电路的工作性能。课程设计除了在