橋式整流電路的仿真

1、電力電子電路的計(jì)算機(jī)仿真綜合訓(xùn)練報(bào)告 班級(jí) 09級(jí)電氣七班 姓名 張勝 學(xué)號(hào) 專(zhuān)業(yè) 電氣工程及其自動(dòng)化 指導(dǎo)教師 陳偉 前言電力電子學(xué),又稱(chēng)功率電子學(xué)(Power Electronics)。它主要研究各種電力電子器件，以及由這些電力電子器件所構(gòu)成的各式各樣的電路或裝置，以完成對(duì)電能的變換和控制。它既是電子學(xué)在強(qiáng)電(高電壓、大電流)或電工領(lǐng)域的一個(gè)分支，又是電工學(xué)在弱電(低電壓、小電流)或電子領(lǐng)域的一個(gè)分支，或者說(shuō)是強(qiáng)弱電相結(jié)合的新科學(xué)。電力電子學(xué)是橫跨“電子”、“電力”和“控制”三個(gè)領(lǐng)域的一個(gè)新興工程技術(shù)學(xué)科。電力電子技術(shù)是綜合了電子電路、電機(jī)拖動(dòng)、計(jì)算機(jī)控制等多學(xué)科的知識(shí)，是一門(mén)實(shí)踐性和應(yīng)用

2、性很強(qiáng)的課程。由于電力電子器件自身的開(kāi)關(guān)非線性，給電力電子電路的分析帶來(lái)的了一定的復(fù)雜性和困難，因此一般常用波形分析的方法來(lái)研究。本文就基于MATLAB軟件，利用MATLAB軟件中的Simulink庫(kù)具有模擬、數(shù)字混合仿真功能、具備大量的模擬功能模型和系統(tǒng)分析的能力，進(jìn)行橋式整流電路的計(jì)算機(jī)仿真分析。設(shè)計(jì)一單相橋式整流電路，輸入電壓為220V，輸出電壓100V，負(fù)載電阻為10歐姆，電感為1H，開(kāi)關(guān)器件選用晶閘管。設(shè)計(jì)一三相橋式整流電路，輸入電壓為220V，輸出電壓100V，負(fù)載電阻為10歐姆，電感為1H，開(kāi)關(guān)器件選用晶閘管。完成上述橋式整流電路的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，觀察輸出電壓、電流波形、

3、系統(tǒng)輸入電壓、電流波形、電壓電流波形的諧波情況、不同仿真條件時(shí)系統(tǒng)輸入輸出的變化情況和理論分析的結(jié)果進(jìn)行比較。關(guān)鍵詞：橋式整流電路 晶閘管 MATLAB計(jì)算機(jī)仿真目 錄第一章 MATLAB仿真軟件31.1 MATLAB簡(jiǎn)介31.2 Simulink簡(jiǎn)介4第二章 晶閘管簡(jiǎn)介62.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)及工作原理62.2 可關(guān)斷晶閘管7第三章 整流電路方案的確定93.1 單相整流方案的確立與工作原理93.2 三相整流方案的確立與工作原理12第四章 橋式整流電路的計(jì)算機(jī)仿真模型154.1 單相全控橋整流電路的仿真154.1.1 單相橋整流電路參數(shù)設(shè)計(jì)154.1.2 單相橋整流電路仿真波形164.2三相全控

4、橋整流電路的仿真164.2.1 三相橋整流電路參數(shù)設(shè)計(jì)174.1.2 三相橋整流電路仿真波形18第五章 總結(jié)19第六章 心得體會(huì)20附圖21參考資料23第一章 MATLAB仿真軟件1.1 MATLAB簡(jiǎn)介 MATLAB是矩陣實(shí)驗(yàn)室（Matrix Laboratory）的簡(jiǎn)稱(chēng)，是美國(guó)MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語(yǔ)言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。 MATLAB和Mathematica、Maple并稱(chēng)為三大數(shù)學(xué)軟件。它在數(shù)學(xué)類(lèi)科技應(yīng)用軟件中在數(shù)值計(jì)算方面首屈一指。MATLAB可以進(jìn)行矩陣運(yùn)算、繪

5、制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶(hù)界面、連接其他編程語(yǔ)言的程序等，主要應(yīng)用于工程計(jì)算、控制設(shè)計(jì)、信號(hào)處理與通訊、圖像處理、信號(hào)檢測(cè)、金融建模設(shè)計(jì)與分析等領(lǐng)域。MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來(lái)解算問(wèn)題要比用C、FORTRAN等語(yǔ)言完成相同的事情簡(jiǎn)捷得多，并且mathwork也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點(diǎn),使MATLAB成為一個(gè)強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件。在新的版本中也加入了對(duì)C、FORTRAN、C+ 、JAVA的支持。可直接調(diào)用,用戶(hù)也可以將自己編寫(xiě)的實(shí)用程序?qū)氲組ATLAB函數(shù)庫(kù)中方便自己以后調(diào)用，此外許多的MATLAB愛(ài)好者都編寫(xiě)了一

6、些經(jīng)典的程序，用戶(hù)可以直接進(jìn)行下載就可以用。（1）友好的工作平臺(tái)和編程環(huán)境MATLAB由一系列工具組成。這些工具方便用戶(hù)使用MATLAB的函數(shù)和文件，其中許多工具采用的是圖形用戶(hù)界面。包括MATLAB桌面和命令窗口、歷史命令窗口、編輯器和調(diào)試器、路徑搜索和用于用戶(hù)瀏覽幫助、工作空間、文件的瀏覽器。隨著MATLAB的商業(yè)化以及軟件本身的不斷升級(jí)，MATLAB的用戶(hù)界面也越來(lái)越精致，更加接近Windows的標(biāo)準(zhǔn)界面，人機(jī)交互性更強(qiáng)，操作更簡(jiǎn)單。而且新版本的MATLAB提供了完整的聯(lián)機(jī)查詢(xún)、幫助系統(tǒng)，極大的方便了用戶(hù)的使用。簡(jiǎn)單的編程環(huán)境提供了比較完備的調(diào)試系統(tǒng)，程序不必經(jīng)過(guò)編譯就可以直接運(yùn)行，而且

7、能夠及時(shí)地報(bào)告出現(xiàn)的錯(cuò)誤及進(jìn)行出錯(cuò)原因分析。（2） 簡(jiǎn)單易用的程序語(yǔ)言MATLAB一個(gè)高級(jí)的矩陣/陣列語(yǔ)言，它包含控制語(yǔ)句、函數(shù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、輸入和輸出和面向?qū)ο缶幊烫攸c(diǎn)。用戶(hù)可以在命令窗口中將輸入語(yǔ)句與執(zhí)行命令同步，也可以先編寫(xiě)好一個(gè)較大的復(fù)雜的應(yīng)用程序（M文件）后再一起運(yùn)行。新版本的MATLAB語(yǔ)言是基于最為流行的C語(yǔ)言基礎(chǔ)上的，因此語(yǔ)法特征與C語(yǔ)言極為相似，而且更加簡(jiǎn)單，更加符合科技人員對(duì)數(shù)學(xué)表達(dá)式的書(shū)寫(xiě)格式。使之更利于非計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的科技人員使用。而且這種語(yǔ)言可移植性好、可拓展性極強(qiáng)，這也是MATLAB能夠深入到科學(xué)研究及工程計(jì)算各個(gè)領(lǐng)域的重要原因。（3） 強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理能力MA

8、TLAB是一個(gè)包含大量計(jì)算算法的集合。其擁有600多個(gè)工程中要用到的數(shù)學(xué)運(yùn)算函數(shù)，可以方便的實(shí)現(xiàn)用戶(hù)所需的各種計(jì)算功能。函數(shù)中所使用的算法都是科研和工程計(jì)算中的最新研究成果，而前經(jīng)過(guò)了各種優(yōu)化和容錯(cuò)處理。在通常情況下，可以用它來(lái)代替底層編程語(yǔ)言，如C和C+ 。在計(jì)算要求相同的情況下，使用MATLAB的編程工作量會(huì)大大減少。MATLAB的這些函數(shù)集包括從最簡(jiǎn)單最基本的函數(shù)到諸如矩陣，特征向量、快速傅立葉變換的復(fù)雜函數(shù)。函數(shù)所能解決的問(wèn)題其大致包括矩陣運(yùn)算和線性方程組的求解、微分方程及偏微分方程的組的求解、符號(hào)運(yùn)算、傅立葉變換和數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析、工程中的優(yōu)化問(wèn)題、稀疏矩陣運(yùn)算、復(fù)數(shù)的各種運(yùn)算、三角函

9、數(shù)和其他初等數(shù)學(xué)運(yùn)算、多維數(shù)組操作以及建模動(dòng)態(tài)仿真等。（4）出色的圖形處理功能MATLAB自產(chǎn)生之日起就具有方便的數(shù)據(jù)可視化功能，以將向量和矩陣用圖形表現(xiàn)出來(lái)，并且可以對(duì)圖形進(jìn)行標(biāo)注和打印。高層次的作圖包括二維和三維的可視化、圖象處理、動(dòng)畫(huà)和表達(dá)式作圖?？捎糜诳茖W(xué)計(jì)算和工程繪圖。新版本的MATLAB對(duì)整個(gè)圖形處理功能作了很大的改進(jìn)和完善，使它不僅在一般數(shù)據(jù)可視化軟件都具有的功能（例如二維曲線和三維曲面的繪制和處理等）方面更加完善，而且對(duì)于一些其他軟件所沒(méi)有的功能（例如圖形的光照處理、色度處理以及四維數(shù)據(jù)的表現(xiàn)等），MATLAB同樣表現(xiàn)了出色的處理能力。同時(shí)對(duì)一些特殊的可視化要求，例如圖形對(duì)話(huà)等

10、，MATLAB也有相應(yīng)的功能函數(shù)，保證了用戶(hù)不同層次的要求。另外新版本的MATLAB還著重在圖形用戶(hù)界面（GUI）的制作上作了很大的改善，對(duì)這方面有特殊要求的用戶(hù)也可以得到滿(mǎn)足。（5）應(yīng)用廣泛的模塊集合工具箱MATLAB對(duì)許多專(zhuān)門(mén)的領(lǐng)域都開(kāi)發(fā)了功能強(qiáng)大的模塊集和工具箱。一般來(lái)說(shuō)，它們都是由特定領(lǐng)域的專(zhuān)家開(kāi)發(fā)的，用戶(hù)可以直接使用工具箱學(xué)習(xí)、應(yīng)用和評(píng)估不同的方法而不需要自己編寫(xiě)代碼。目前，MATLAB已經(jīng)把工具箱延伸到了科學(xué)研究和工程應(yīng)用的諸多領(lǐng)域，諸如數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)庫(kù)接口、概率統(tǒng)計(jì)、樣條擬合、優(yōu)化算法、偏微分方程求解、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波分析、信號(hào)處理、圖像處理、系統(tǒng)辨識(shí)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、LMI控制、魯

11、棒控制、模型預(yù)測(cè)、模糊邏輯、金融分析、地圖工具、非線性控制設(shè)計(jì)、實(shí)時(shí)快速原型及半物理仿真、嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、定點(diǎn)仿真、DSP與通訊、電力系統(tǒng)仿真等，都在工具箱（Toolbox）家族中有了自己的一席之地。（6）實(shí)用的程序接口和發(fā)布平臺(tái)新版本的MATLAB可以利用MATLAB編譯器和C /C+數(shù)學(xué)庫(kù)和圖形庫(kù)，將自己的MATLAB程序自動(dòng)轉(zhuǎn)換為獨(dú)立于MATLAB運(yùn)行的C和C+代碼。允許用戶(hù)編寫(xiě)可以和MATLAB進(jìn)行交互的C或C+語(yǔ)言程序。另外，MATLAB網(wǎng)頁(yè)服務(wù)程序還容許在Web應(yīng)用中使用自己的MATLAB數(shù)學(xué)和圖形程序。MATLAB的一個(gè)重要特色就是具有一套程序擴(kuò)展系統(tǒng)和一組稱(chēng)之為工具箱的特殊應(yīng)用

12、子程序。工具箱是MATLAB函數(shù)的子程序庫(kù)，每一個(gè)工具箱都是為某一類(lèi)學(xué)科專(zhuān)業(yè)和應(yīng)用而定制的，主要包括信號(hào)處理、控制系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯、小波分析和系統(tǒng)仿真等方面的應(yīng)用。（7）應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)（包括用戶(hù)界面）在開(kāi)發(fā)環(huán)境中，使用戶(hù)更方便地控制多個(gè)文件和圖形窗口；在編程方面支持了函數(shù)嵌套，有條件中斷等；在圖形化方面，有了更強(qiáng)大的圖形標(biāo)注和處理功能，包括對(duì)性對(duì)起連接注釋等；在輸入輸出方面，可以直接向Excel和HDF5進(jìn)行連接。1.2 Simulink簡(jiǎn)介Simulink是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和 綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無(wú)需大量書(shū)寫(xiě)程序，而只需要通過(guò)簡(jiǎn)單直

13、觀的鼠標(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。Simulink具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細(xì)、貼近實(shí)際、效率高、靈活等優(yōu)點(diǎn)，并基于以上優(yōu)點(diǎn)Simulink已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號(hào)處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計(jì)。同時(shí)有大量的第三方軟件和硬件可應(yīng)用于或被要求應(yīng)用于Simulink。1.2.1 Simulink的功能 Simulink是一種基于MATLAB的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個(gè)軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號(hào)處理的建模和仿真中。Simulink可以用連續(xù)采樣時(shí)間、離散采樣時(shí)間或兩種混合的采樣時(shí)間進(jìn)行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分

14、具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了一個(gè)建立模型方塊圖的圖形用戶(hù)接口(GUI)，這個(gè)創(chuàng)建過(guò)程只需單擊和拖動(dòng)鼠標(biāo)操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶(hù)可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。對(duì)各種時(shí)變系統(tǒng)，包括通訊、控制、信號(hào)處理、視頻處理和圖像處理系統(tǒng)，Simulink提供了交互式圖形化環(huán)境和可定制模塊庫(kù)來(lái)對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真、執(zhí)行和測(cè)試。構(gòu)架在Simulink基礎(chǔ)之上的其他產(chǎn)品擴(kuò)展了Simulink多領(lǐng)域建模功能，也提供了用于設(shè)計(jì)、執(zhí)行、驗(yàn)證和確認(rèn)任務(wù)的相應(yīng)工具。Simulink與MATLAB緊密集成，可以直接訪問(wèn)MATLAB大量的工具來(lái)進(jìn)行算法研發(fā)、仿真的

15、分析和可視化、批處理腳本的創(chuàng)建、建模環(huán)境的定制以及信號(hào)參數(shù)和測(cè)試數(shù)據(jù)的定義。 第二章 晶閘管簡(jiǎn)介2.1晶閘管的結(jié)構(gòu)及工作原理晶管又稱(chēng)為晶體閘流管，可控硅整流（Silicon Controlled Rectifier-SCR），開(kāi)辟了電力電子技術(shù)迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的嶄新時(shí)代; 20世紀(jì)80年代以來(lái)，開(kāi)始被性能更好的全控型器件取代。能承受的電壓和電流容量最高，工作可靠，以被廣泛應(yīng)用于相控整流、逆變、交流調(diào)壓、直流變換等領(lǐng)域，成為功率低頻（200Hz以下）裝置中的主要器件。晶閘管往往專(zhuān)指晶閘管的一種基本類(lèi)型-普通晶閘管。廣義上講，晶閘管還包括其許多類(lèi)型的派生器件1) 晶閘管的結(jié)構(gòu)晶閘管是大功率器件，

16、工作時(shí)產(chǎn)生大量的熱，因此必須安裝散熱器。晶閘管有螺栓型和平板型兩種封裝引出陽(yáng)極A、陰極K和門(mén)極（或稱(chēng)柵極）G三個(gè)聯(lián)接端。對(duì)于螺栓型封裝，通常螺栓是其陽(yáng)極，能與散熱器緊密聯(lián)接且安裝方便平板型封裝的晶閘管可由兩個(gè)散熱器將其夾在中間內(nèi)部結(jié)構(gòu):四層三個(gè)結(jié)如圖1.1圖2.1 晶閘管的外形、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、電氣圖形符號(hào)和模塊外形a) 晶閘管外形 b)內(nèi)部結(jié)構(gòu) c)電氣圖形符號(hào) d)模塊外形b)2) 晶閘管的工作原理圖晶閘管由四層半導(dǎo)體（P1、N1、P2、N2）組成，形成三個(gè)結(jié)J1（P1N1）、J2（N1P2）、J3（P2N2），并分別從P1、P2、N2引入A、G、K三個(gè)電極，如圖1.2(左)所示。由于具有擴(kuò)散工

17、藝，具有三結(jié)四層結(jié)構(gòu)的普通晶閘管可以等效成如圖1.2（右）所示的兩個(gè)晶閘管T1（P1-N1-P2）和（N1-P2-N2）組成的等效電路。圖2.2 晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和等效電路晶閘管的驅(qū)動(dòng)過(guò)程更多的是稱(chēng)為觸發(fā)，產(chǎn)生注入門(mén)極的觸發(fā)電流的電路稱(chēng)為門(mén)極觸發(fā)電路。也正是由于能過(guò)門(mén)極只能控制其開(kāi)通，不能控制其關(guān)斷，晶閘管才被稱(chēng)為半控型器件。其他幾種可能導(dǎo)通的情況：陽(yáng)極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值造成雪崩效應(yīng)陽(yáng)極電壓上升率du/dt過(guò)高結(jié)溫較高光直接照射硅片，即光觸發(fā)：光控晶閘管只有門(mén)極觸發(fā)是最精確、迅速而可靠的控制手段。2.2 可關(guān)斷晶閘管可關(guān)斷晶閘管簡(jiǎn)稱(chēng)GTO。可關(guān)斷晶閘管的結(jié)構(gòu)GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與普通晶閘管相同

18、，都是PNPN四層結(jié)構(gòu)，外部引出陽(yáng)極、陰極和門(mén)極如圖1.3。和普通晶閘管不同， GTO是一種多元胞的功率集成器件，內(nèi)部包含十個(gè)甚至數(shù)百個(gè)共陽(yáng)極的小GTO元胞，這些GTO元胞的陰極和門(mén)極在器件內(nèi)部并聯(lián)在一起，使器件的功率可以到達(dá)相當(dāng)大的數(shù)值。圖2.3 GTO的結(jié)構(gòu)、等效電路和圖形符號(hào)1) 可關(guān)斷晶閘管的工作原理GTO的導(dǎo)通機(jī)理與SCR是完全一樣的。 GTO一旦導(dǎo)通之后，門(mén)極信號(hào)是可以撤除的，在制作時(shí)采用特殊的工藝使管子導(dǎo)通后處于臨界飽和，而不像普通晶閘管那樣處于深飽和狀態(tài)，這樣可以用門(mén)極負(fù)脈沖電流破壞臨界飽和狀態(tài)使其關(guān)斷。 GTO在關(guān)斷機(jī)理上與SCR是不同的。門(mén)極加負(fù)脈沖即從門(mén)極抽出電流（即抽出

19、飽和導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存的大量載流子），強(qiáng)烈正反饋使器件退出飽和而關(guān)斷。2.3 晶閘管的派生器件在晶閘管的家族中，除了最常用的普通型晶閘管之外，根據(jù)不同的的實(shí)際需要，珩生出了一系列的派生器件，主要有快速晶閘管（FST）、雙向晶閘管（TRIAL）、可關(guān)斷晶閘管（GTO）、逆導(dǎo)晶閘管、（RCT）和光控晶閘管?？申P(guān)斷晶閘管具有普通晶閘管的全部?jī)?yōu)點(diǎn)，如耐壓高，電流大等。同時(shí)它又是全控型器件，即在門(mén)極正脈沖電流觸發(fā)下導(dǎo)通，在負(fù)脈沖電流觸發(fā)下關(guān)斷。故我們選擇可關(guān)斷晶閘管。第三章 橋式整流電路的工作原理3.1單相整流電路方案的選擇及工作原理1）單相整流電路方案的選擇我們知道，單相整流器的電路形式是各種各樣的，整流的結(jié)

20、構(gòu)也是比較多的。因此在做設(shè)計(jì)之前我們主要考慮了以下幾種方案：方案1：?jiǎn)蜗鄻蚴桨肟卣麟娐冯娐泛?jiǎn)圖如下： 圖 3.1對(duì)每個(gè)導(dǎo)電回路進(jìn)行控制，相對(duì)于全控橋而言少了一個(gè)控制器件，用二極管代替，有利于降低損耗！如果不加續(xù)流二極管，當(dāng)突然增大至180或出發(fā)脈沖丟失時(shí)，由于電感儲(chǔ)能不經(jīng)變壓器二次繞組釋放，只是消耗在負(fù)載電阻上，會(huì)發(fā)生一個(gè)晶閘管導(dǎo)通而兩個(gè)二極管輪流導(dǎo)通的情況，這使ud成為正弦半波，即半周期ud為正弦，另外半周期為ud為零，其平均值保持穩(wěn)定，相當(dāng)于單相半波不可控整流電路時(shí)的波形，即為失控。所以必須加續(xù)流二極管，以免發(fā)生失控現(xiàn)象。方案2：?jiǎn)蜗鄻蚴饺卣麟娐冯娐泛?jiǎn)圖如下： 圖 3.2此電路對(duì)每個(gè)

21、導(dǎo)電回路進(jìn)行控制，無(wú)須用續(xù)流二極管，也不會(huì)失控現(xiàn)象，負(fù)載形式多樣，整流效果好，波形平穩(wěn)，應(yīng)用廣泛。變壓器二次繞組中，正負(fù)兩個(gè)半周電流方向相反且波形對(duì)稱(chēng)，平均值為零，即直流分量為零，不存在變壓器直流磁化問(wèn)題，變壓器的利用率也高。方案3：?jiǎn)蜗喟氩煽卣麟娐罚弘娐泛?jiǎn)圖如下： 圖 3.3此電路只需要一個(gè)可控器件，電路比較簡(jiǎn)單，VT的a 移相范圍為180。但輸出脈動(dòng)大，變壓器二次側(cè)電流中含直流分量，造成變壓器鐵芯直流磁化。為使變壓器鐵心不飽和，需增大鐵心截面積，增大了設(shè)備的容量。實(shí)際上很少應(yīng)用此種電路。方案4：?jiǎn)蜗嗳煽卣麟娐罚弘娐泛?jiǎn)圖如下： 圖 3.4此電路變壓器是帶中心抽頭的，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，只

22、要用2個(gè)可控器件，單相全波只用2個(gè)晶閘管，比單相全控橋少2個(gè)，因此少了一個(gè)管壓降，相應(yīng)地，門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路也少2個(gè)，但是晶閘管承受的最大電壓是單相全控橋的2倍。不存在直流磁化的問(wèn)題，適用于輸出低壓的場(chǎng)合作電流脈沖大（電阻性負(fù)載時(shí)），且整流變壓器二次繞組中存在直流分量,使鐵心磁化，變壓器不能充分利用。而單相全控式整流電路具有輸出電流脈動(dòng)小，功率因數(shù)高，變壓器二次電流為兩個(gè)等大反向的半波，沒(méi)有直流磁化問(wèn)題，變壓器利用率高的優(yōu)點(diǎn)。相同的負(fù)載下流過(guò)晶閘管的平單相全控式整流電路其輸出平均電壓是半波整流電路2倍，在均電流減小一半；且功率因數(shù)提高了一半。 根據(jù)以上的比較分析因此選擇的方案為單相全控橋式整流電路（

23、負(fù)載為阻感性負(fù)載）。綜上所述，針對(duì)它們的優(yōu)缺點(diǎn)，我們采用方案二，即單相橋式全控整流電路。2） 單相橋式整流電路的工作原理當(dāng)負(fù)載由電阻和電感組成時(shí)稱(chēng)為阻感性負(fù)載。例如各種電機(jī)的勵(lì)磁繞組,整流輸出端接有平波電抗器的負(fù)載等等。單相橋式整流電路帶阻感性負(fù)載的電路如圖3.1所示。由于電感儲(chǔ)能,而且儲(chǔ)能不能突變因此電感中的電流不能突變,即電感具有阻礙電流變化的作用。當(dāng)流過(guò)電感中的電流變化時(shí),在電感兩端將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),引起電壓降UL負(fù)載中電感量的大小不同，整流電路的工作情況及輸出Ud、id 的波形具有不同的特點(diǎn)。當(dāng)負(fù)載電感量L較?。簇?fù)載阻抗角），控制角時(shí)，負(fù)載上的電流不連續(xù)；當(dāng)電感L增大時(shí)，負(fù)載上的電流

24、不連續(xù)的可能性就會(huì)減?。划?dāng)電感L很大，且LdRd示時(shí)，這種負(fù)載稱(chēng)為大電感負(fù)載。此時(shí)大電感阻止負(fù)載中電流的變化，負(fù)載電流連續(xù)，可看作一條水平直線。各電量的波形圖如圖3.5所示。在電源電壓u2 正半周期間， 晶閘管T1 、T2 承受正向電壓，若在t=時(shí)觸發(fā)，T1 、T2 導(dǎo)通，電流經(jīng)T1 、負(fù)載、T2 和Tr二次形成回路，但由于大電感的存在，u2 過(guò)零變負(fù)時(shí)，電感上的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)使T1 、T2 繼續(xù)導(dǎo)通，直到T3、T4 被觸發(fā)時(shí)，T1 、T2 承受反向電壓而截止。輸出電壓的波形出現(xiàn)了負(fù)值部分。在電源電壓u2 負(fù)半周期間，晶閘管T3、T4 承受正向電壓，在t=+時(shí)觸發(fā)，T3、T4 導(dǎo)通，T1 、T2

25、反向則制，負(fù)載電流從T1 、T2 中換流至T3、T4中。在t=2時(shí)，電壓u2過(guò)零，T3、T4因電感中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)一直導(dǎo)通，直到下個(gè)周期T1 、T2 導(dǎo)通時(shí)，T3、T4因加反向電壓才截止。值得注意的是，只有當(dāng)=/2時(shí)，負(fù)載電流才連續(xù)，當(dāng)/2時(shí)，負(fù)載電流不連續(xù)，而且輸出電壓的平均值均接近于零，因此這種電路控制角的移相范圍是0/2。在生產(chǎn)實(shí)踐中，除了電阻性負(fù)載外， 最常見(jiàn)的負(fù)載還有電感性負(fù)載， 如電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組，整流電路中串入的濾波電抗器等。 為了便于分析和計(jì)算， 在電路圖中將電阻和電感分開(kāi)表示。 流過(guò)每個(gè)晶閘管的電流平均值和有效值分別當(dāng)=0時(shí)，Ud=0.9U2； 當(dāng)=90時(shí)，Ud=0，其移相范圍

26、為90。圖 3.5 單相全控橋式整流電路電感性負(fù)載及其波形(a)電路； (b) 電源電壓； (c) 觸發(fā)脈沖； (d) 輸出電壓； (e) 輸出電流； (f) 晶閘管V -1 , V -4上的電流； (g) 晶閘管V -2 , V -3上的電流；(h) 變壓器副邊電流； (i) 晶閘管V -1 , V -4上的電壓當(dāng)整流電路帶電感性負(fù)載時(shí)，因?yàn)殡姼袑?duì)電流的變化有阻礙作用，即電感元件中的電流不能突變，當(dāng)電流變化時(shí)電感要產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)而阻礙其變化，所以，電路電流的變化總是滯后于電壓的變化。負(fù)載電流連續(xù)時(shí)，整流電壓平均值可按下式計(jì)算：輸出電流波形因電感很大，平波效果很好而呈一條水平線。兩組晶閘管輪流

27、導(dǎo)電，一個(gè)周期中各導(dǎo)電180， 且與無(wú)關(guān)， 變壓器二次繞組中電流i2的波形是對(duì)稱(chēng)的正、負(fù)方波。負(fù)載電流的平均值Id和有效值I相等，其波形系數(shù)為1。3.2 三相整流方案的確立與工作原理1）三相整流電路方案的選擇三相橋式相控整流電路優(yōu)于三相半波相控整流電路，再對(duì)三相橋式半控整流電路與三相橋式全控整流電路進(jìn)行比較。半控橋只有共陰極組是晶閘管，觸發(fā)電路只需給共陰極組3個(gè)晶閘管送出相隔120的單窄脈沖觸發(fā)，而全控橋要向6個(gè)晶閘管送出相隔60的雙窄觸發(fā)脈沖，因此半控橋電路較簡(jiǎn)單，投資省。而在移相控制角a較大時(shí)，半控橋輸出電壓脈動(dòng)較大，脈動(dòng)頻率也較低。全控橋脈動(dòng)小，脈動(dòng)頻率也高，因此半控橋要求的平波電抗器電

28、感量較大。同時(shí)半控橋觸發(fā)脈沖間隔在120，全控橋觸發(fā)脈沖間隔僅60，因此全控橋的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，系統(tǒng)調(diào)整及時(shí)。因此三相全控橋廣泛應(yīng)用在大功率直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，以及對(duì)整流各項(xiàng)指標(biāo)要求較高的整流裝置。而三相半控橋只能用在一般要求的調(diào)流裝置中。三相相控整流電路當(dāng)整流容量較大，要求直流電壓脈動(dòng)較小,對(duì)快速性有特殊要求的場(chǎng)合,應(yīng)考慮采用三相可控整流電路。采用三相全控橋式整流電路時(shí)，輸出電壓交變分量的最低頻率是電網(wǎng)頻率的6倍,交流分量與直流分量之比也較小，因此濾波器的電感量比同容量的單相或三相半波電路小得多。另外，晶閘管的額定電壓值也較低。因此，這種電路適用于大功率變流裝置。半控橋只有共陰極組是晶閘管，觸發(fā)

29、電路只需給共陰極組3個(gè)晶閘管送出相隔120的單窄脈沖觸發(fā)。在移相控制角a較大時(shí)，半控橋輸出電壓脈動(dòng)較大，脈動(dòng)頻率也較低，同時(shí)半控橋觸發(fā)脈沖間隔在120。三相橋式全控整流電路電路特點(diǎn)：全控橋在工作時(shí)要向6個(gè)晶閘管送出相隔60的雙窄觸發(fā)脈沖。在移相控制角a較大時(shí)，全控橋輸出電壓脈動(dòng)小。全控橋觸發(fā)脈沖間隔僅60。所以電路設(shè)計(jì)采用三相橋式全控整流方案。2）三相橋式全控整流電路的工作原理一般變壓器一次側(cè)接成三角型，二次側(cè)接成星型，晶閘管分共陰極和共陽(yáng)極。一般1、3、5為共陰極，2、4、6為共陽(yáng)極。（1）2管同時(shí)導(dǎo)通形成供電回路，其中共陰極組和共陽(yáng)極組各1個(gè)晶閘管，不能為同1相器件。（2）對(duì)觸發(fā)脈沖的要求

30、：1）按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的順序，相位依次差60。2）共陰極組VT1、VT3、VT5的脈沖依次差120。3）共陽(yáng)極組VT4、VT6、VT2也依次差120。4）同一相的上下兩個(gè)橋臂，即VT1與VT4，VT3與VT6， VT5與VT2，脈沖相差180。（3）需保證同時(shí)導(dǎo)通的2個(gè)晶閘管均有脈沖，可采用兩種方法：一種是寬脈沖觸發(fā)一種是雙脈沖觸發(fā)（常用）。（4）晶閘管承受的電壓波形與三相半波時(shí)相同，晶閘管承受最大正、反向電壓的關(guān)系也相同。在實(shí)際運(yùn)用中，習(xí)慣將其中陰極連接在一起的3個(gè)晶閘管稱(chēng)為共陰極組；陽(yáng)極連接在一起的3個(gè)晶閘管稱(chēng)為共陽(yáng)極組。共陰極組中與三相電源相接的3個(gè)晶閘管

31、分別為VT1、VT3、VT5， 共陽(yáng)極組中與三相電源相接的3個(gè)晶閘管分別為VT4、VT6、VT2。從而使晶閘管的導(dǎo)通順序?yàn)?VT1VT2VT3VT4VT5VT6。變壓器為型接法。變壓器二次側(cè)接成星形得到零線，而一次側(cè)接成三角形避免3次諧波流入電網(wǎng)。本次設(shè)計(jì)為三相橋式相控帶阻感負(fù)載，根據(jù)要求要考慮電動(dòng)機(jī)的電樞電感與電樞電阻，故為阻感負(fù)載。帶阻感性負(fù)載時(shí)的電路原理圖如圖4所示。圖4 三相橋式全控整流電路帶電動(dòng)機(jī)負(fù)載原理圖晶閘管觸發(fā)角=0o時(shí)的情況：此時(shí)，對(duì)于共陰極組的3個(gè)晶閘管，陽(yáng)極所接交流電壓值最高的一個(gè)導(dǎo)通。而對(duì)于共陽(yáng)極組的3個(gè)晶閘管，則是陰極所接交流電壓值最低（或者說(shuō)負(fù)得最多）的一個(gè)導(dǎo)通。這

32、樣，任意時(shí)刻共陽(yáng)極組和共陰極組中各有1個(gè)晶閘管處于導(dǎo)通狀態(tài)，施加于負(fù)載上的電壓為某一線電壓。當(dāng)觸發(fā)角=0o時(shí)，各晶閘管均在自然換相點(diǎn)處換相。由變壓器二繞組中相電壓與線電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系可知，各自然換相點(diǎn)既是相電壓的交點(diǎn)，同時(shí)也是線電壓的交點(diǎn)。從而總的整流輸出電壓為兩個(gè)晶閘管端電壓之間的差值。若將一個(gè)周期等分為6段，每段為60，每一段中導(dǎo)通的晶閘管及輸出整流電壓的情況如下表1所示。表1 晶閘管的導(dǎo)通及整流輸出情況 時(shí) 段 1 2 3 4 5 6共陰極組中導(dǎo)通的晶閘管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共陽(yáng)極組中導(dǎo)通的晶閘管VT6VT2VT2VT4VT4VT6整流輸出電壓UUa-Ub=Uab Ua-U

33、c=UacUb-Uc=UbcUb-Ua=UbaUc-Ua=UcaUc-Ub=Ucb6個(gè)晶閘管的脈沖按VT1VT2VT3VT4VT5VT6的順序?qū)ǎ蚁辔灰来尾?0o；共陰極組和陽(yáng)極組依次差120o；同一相的上下兩個(gè)橋臂脈沖相差180o。 整流輸出電壓Ud一周期脈動(dòng)6次，每次脈動(dòng)的波形都一樣，故該電路為6脈波整流電路。在整流電路合閘啟動(dòng)過(guò)程中或電流斷續(xù)時(shí)，為確保電路的正常工作，需保證同時(shí)導(dǎo)通的2個(gè)晶閘管均有觸發(fā)脈沖。為此，可采用兩種方法：一種是使脈沖寬度大于60o，稱(chēng)為寬脈沖觸發(fā)。另一種方法是，在觸發(fā)某個(gè)晶閘管的同時(shí)，給序號(hào)前的一個(gè)晶閘管補(bǔ)發(fā)脈沖,即用兩個(gè)窄脈沖代替寬脈沖，兩個(gè)窄脈沖的前沿相

34、差60o，脈寬一般為20o30o，稱(chēng)為雙脈沖觸發(fā)。雙脈沖電路較復(fù)雜，但要求的觸發(fā)電路輸出功率小。寬脈沖觸發(fā)電路雖可少輸出一半脈沖，但為了不使脈沖變壓器飽和，需將鐵心體積做得較大， 繞組匝數(shù)較多，導(dǎo)致漏感增大，脈沖前沿不夠陡，對(duì)于晶閘管串聯(lián)使用不利，故采用雙脈沖觸發(fā)。 當(dāng)觸發(fā)角改變時(shí)，電路的工作情況將發(fā)生變化。當(dāng)=30o時(shí)。如果把一個(gè)周期等分為6段，每段為60。與0o時(shí)的情況相比，一周期中U仍由6段線電壓構(gòu)成，每一段導(dǎo)通晶閘管的編號(hào)等仍符合表1的規(guī)律。區(qū)別在于，晶閘管起始導(dǎo)通時(shí)刻推遲了30o,組成U的每一段線電壓因此推遲30o，U平均值降低。當(dāng)=60o時(shí)，電路工作情況仍可用前面的方法分析，U每段

35、線電壓的波形繼續(xù)向后移，U平均值繼續(xù)降低。60o時(shí),U出現(xiàn)了為零的點(diǎn)。當(dāng)60o時(shí):如90o時(shí)電阻負(fù)載情況下，此時(shí)U每60o中有30o為零，這是因?yàn)殡娮柝?fù)載時(shí)I與U一致，一旦U降至零，I也降至零，流過(guò)晶閘管的電流即降至零，晶閘管關(guān)斷，輸出整流電壓U為零，因此U波形不能出現(xiàn)負(fù)值。如果繼續(xù)增大至120o，整流輸出電壓U波形將全為零，其平均值也為零，可見(jiàn)帶電阻負(fù)載時(shí)三相橋式相控整流電路角的移相范圍是120o。 三相橋式相控整流電路大多用于向阻感負(fù)載和反電動(dòng)勢(shì)阻感負(fù)載供電（即用于直流電機(jī)傳動(dòng)），下面主要分析阻感負(fù)載時(shí)的情況，對(duì)于帶反電動(dòng)勢(shì)阻感負(fù)載的情況，只需在阻感負(fù)載的基礎(chǔ)上掌握其特點(diǎn)，即可把握其工作情

36、況。 當(dāng)60o時(shí)，U連續(xù)，電路的工作情況與帶電阻負(fù)載時(shí)十分相似，各晶閘管的通斷情況、輸出整流電壓U、晶閘管承受的電壓U等都一樣。區(qū)別在于負(fù)載不同時(shí)，同樣的整流輸出電壓加到負(fù)載上，得到的負(fù)載電流I不同，電阻負(fù)載時(shí)I與 U形狀一樣。而阻感負(fù)載時(shí)，由于電感的作用，使得負(fù)載電流變得平直，當(dāng)電感足夠大的時(shí)候，負(fù)載電流的可近似為一條水平線。當(dāng)60o時(shí)，阻感負(fù)載時(shí)的工作情況與電阻負(fù)載時(shí)不同，電阻負(fù)載時(shí)U不會(huì)出現(xiàn)負(fù)的部分，而阻感負(fù)載時(shí)，由于電感L的作用，U會(huì)出現(xiàn)負(fù)的部分。若電感L值足夠大，U中正負(fù)面積將基本相等，U平均值近似為零。這表明，帶阻感負(fù)載時(shí)，三相橋式相控整流電路的角移相范圍為90o。 三相橋式相控整

37、流電路用作有源逆變時(shí)，就成為三相橋式逆變電路。由整流狀態(tài)轉(zhuǎn)換到逆變狀態(tài)必須同時(shí)具備兩個(gè)條件：一定要有直流電動(dòng)勢(shì)源，其極性須和晶閘管的導(dǎo)通方向一致，其值應(yīng)稍大于變流器直流側(cè)的平均電壓；其次要求晶閘管的 a 90，使 U為負(fù)值。 第四章 橋式整流電路的計(jì)算機(jī)仿真模型1）建立仿真模型 1建立一個(gè)仿真模型的新文件。在 MATLAB 的菜單欄上點(diǎn)擊 File，選擇 New，再在彈出菜單中選擇 Model，這時(shí)出現(xiàn)一個(gè)空白的仿真平臺(tái)，在這個(gè)平臺(tái)上可以繪制電路的仿真模型。 2提取電路元器件模塊。在仿真模型窗口的菜單上點(diǎn)擊圖標(biāo)調(diào)出模型庫(kù)瀏覽器，在模型庫(kù)中提取所需的模塊放到仿真窗口。3將電路元器件模塊按單相橋式

38、全控整流的原理圖連接起來(lái)組成仿真電路。如附圖 4.1 單相全控橋整流電路的仿真2）設(shè)置模型參數(shù) 設(shè)置模型參數(shù)時(shí)保證仿真準(zhǔn)確和順利的重要一步。有些參數(shù)由仿真任務(wù)決定，如電壓、電流等，有些參數(shù)是需要通過(guò)通過(guò)仿真來(lái)確定的。雙擊模塊圖標(biāo)彈出參數(shù)設(shè)置對(duì)話(huà)框，然后按框中提示輸入，若有不清楚的地方可以借助 help 幫助。4.1.1 單相橋整流電路參數(shù)設(shè)計(jì)3）模型仿真 在參數(shù)設(shè)置完畢后即可以開(kāi)始仿真。在菜單 Simulation 下選擇 Start，立即開(kāi)始仿真，若要中途停止仿真可以選擇 Stop。在仿真計(jì)算完成后即可以通過(guò)示波器來(lái)觀察仿真的結(jié)果。在需要觀察的點(diǎn)上放置示波器，雙擊示波器圖標(biāo)，即彈出示波器窗口

39、顯示輸出波形。 4.1.2 單相橋整流電路仿真波形 =0 =30 =45 =60 =904.2 三相全控橋整流電路的仿真4.2.1 三相橋整流電路參數(shù)設(shè)計(jì)1）建立仿真模型 1建立一個(gè)仿真模型的新文件。在 MATLAB 的菜單欄上點(diǎn)擊 File，選擇 New，再在彈出菜單中選擇 Model，這時(shí)出現(xiàn)一個(gè)空白的仿真平臺(tái)，在這個(gè)平臺(tái)上可以繪制電路的仿真模型。 2提取電路元器件模塊。在仿真模型窗口的菜單上點(diǎn)擊圖標(biāo)調(diào)出模型庫(kù)瀏覽器，在模型庫(kù)中提取所需的模塊放到仿真窗口。3將電路元器件模塊按單相橋式全控整流的原理圖連接起來(lái)組成仿真電路。如附圖 2）設(shè)置模型參數(shù) 設(shè)置模型參數(shù)時(shí)保證仿真準(zhǔn)確和順利的重要一步。有些參數(shù)由仿真任務(wù)決定，如電壓、電流等，有些參數(shù)是需要通過(guò)通過(guò)仿真來(lái)確定的。雙擊模塊圖標(biāo)彈出參數(shù)設(shè)置對(duì)話(huà)框，然后按框中提示輸入，若有不清楚的地方可以借助 help 幫助。3）模型仿真 在參數(shù)設(shè)置完畢后即可以開(kāi)始仿真。在菜單 Simulation 下選擇 Start，立即開(kāi)始仿真，若要中途停止仿真可以選擇 Stop。在仿真計(jì)算完成后即可以通過(guò)示波器來(lái)觀察仿真的結(jié)果。在需要觀察的點(diǎn)上放置示波器，雙擊示波器圖標(biāo)，即彈出示波器窗口顯示輸出波形。4.2.2 三相橋整流電路仿真波形 =0 =30 =60 =70 第五章 總結(jié)通