單相橋式全控整流電路課程設(shè)計-matlab

1、1引言隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步,電力電子技術(shù)正以令人矚目的開展速的,改變著我國電力工業(yè)的整體面貌.電子技術(shù)包括信息電子技術(shù)和電力電子技術(shù)兩大分支.電力電子技術(shù)是一門新興的應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù),具體的說,就是使用電力電子器件如品閘管,GTOIGBT等對電能進(jìn)行變換和限制整流,逆變,斬波,變頻,變相等的技術(shù).電力電子涉及由半導(dǎo)體開關(guān)啟動裝置進(jìn)行電源的限制與轉(zhuǎn)換領(lǐng)域,包括交流變直流,直流變交流,交流變交流,直流變直流等四大電力變換技術(shù).整流電路Rectifier是電力電子電路中出現(xiàn)最早的一種,它的作用是把交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能供應(yīng)直流用電設(shè)備.整流電路的應(yīng)用十分廣泛,例如直流電動機,電鍍、電解

2、電源,同步發(fā)電機勵磁,通信系統(tǒng)電源燈,大多數(shù)整流電路由變壓器、 整流主電路和濾波器等組成.可以從各種角度對整流電路進(jìn)行分類,主要的分類方法有： 按組成的期間可分為不可控,半控,全控三種； 按電路的結(jié)構(gòu)可分為橋式電路和零式電路；按交流輸入相數(shù)分為單相電路和多相電路；按變壓器二次側(cè)電流的方向是單向還是雙向,又可分為單拍電路和雙拍電路.而單相整流電路中應(yīng)用較多的是單相橋式全控整流電路.2單相橋式全控整流電路的結(jié)構(gòu)與工作原理2.1電路結(jié)構(gòu)電路圖：/1./fl一1%RL圖i單相橋式全控整流電路純電阻負(fù)載的電路原理圖2.2工作原理在單項橋式全控整流電路中,晶閘管VT和VT4組成一對橋臂,V和VT3組成另一

3、對橋臂.在U2正半周即a點電位高于b點電位,假設(shè)4個品閘管均不導(dǎo)通,負(fù)載電流id為零,Ud也為零,VT、VT4串聯(lián)承受電壓業(yè),設(shè)VI和VT4的漏電阻相等,那么各承受u2的一半.假設(shè)在觸發(fā)角a處給VT1和VT4加觸發(fā)脈沖,VT、VT4即導(dǎo)通,電流從a端經(jīng)VI、RVT4流回電源b端.當(dāng)U2為零時,流經(jīng)晶閘管的電流也降到零,VTi和VT4關(guān)斷.在U2負(fù)半周,仍在觸發(fā)延遲角a處觸發(fā)VT2和VT3(VT2和V飛的a=0處為t=兀),VT2和VT3導(dǎo)通,電流從電源的b端流出,經(jīng)VT3、RVT2流回電源a端.至Uu2過零時,電流又降為零,VF和V飛關(guān)斷.此后又是VT1和VT4導(dǎo)通,如此循環(huán)的工作下去,整流電

4、壓ud和晶閘管VTi、VT4兩端的電壓波形如下列圖(2)所示.品閘管承受的最大正向電壓和反向電壓分別為W2U2和J2U.12n ?n 回圖2單項橋式全控整流電路帶電阻負(fù)載時的波形在電源電壓正半波,在wta時,晶閘管VT1,VT4承受正向電壓,晶閘管VT2,VT3承受反向電壓,止匕時4個晶閘管都不導(dǎo)通,且假設(shè)4個晶閘管的漏電阻相等,那么ut1(4)=ut2(3)=1/2U2;在wt=a時,晶閘管VT1,VT4滿足晶閘管導(dǎo)通的兩條件,晶閘管VT1,VT4導(dǎo)通,負(fù)載上的電壓等于變壓器兩端的電壓U2;在wt=Tt時,因電源電壓過零,通過晶閘管VT1,VT4的陽極電流小于維持晶閘管導(dǎo)通的條件下降為零,品

5、閘管關(guān)斷.在電源負(fù)半波,在wta+九時,觸發(fā)晶閘管VT2,VT3使其元件導(dǎo)通,電源電壓沿正半周期的方向施加到負(fù)載電阻上,負(fù)載上有輸出電壓Ud=-U22和電流,且波形相位相同.此時電源電壓反向施加到晶閘管VT1,VT4,使其承受反向電壓而處于關(guān)斷狀態(tài)；在wt=2幾時,因電源電壓過零,通過晶閘管VT2,VT3的陽極電流小于維持晶閘管導(dǎo)通的條件下降為零,晶閘管關(guān)斷.具體而言：第1階段0必ti :這階段u2在正半周期,a點電位高于b點電位晶閘管VTi和VT2方向串聯(lián)后于U2連接,VT1承受正向電壓為U2/2,VT2承受比/2的反向電壓；同樣VT和VT4反向串聯(lián)后與U2連接,VT3承受U2/2的正向電壓

6、,VT4承受比/2的反向電壓.雖然VT1和VT3受正向電壓,但是尚未觸發(fā)導(dǎo)通,負(fù)載沒有電流通過,所以Ud=0,id=0.第2階段cotiTt:在ti時同時觸發(fā)VT和VT3,由于VT1和VT3受正向電壓而導(dǎo)通,有電流經(jīng)a點-VT1-R-V一一變壓器b點形成回路.在這段區(qū)間里,Ud=U2,id=iVTi=iVT3=Ud/R.由于VT1和VT3導(dǎo)通,忽略管壓降,UVT產(chǎn)UVT2=0,而承受的電壓為UVT2=UVT4=U2.第3階段冗3t2:從t=冗開始u2進(jìn)入了負(fù)半周期,b點電位高于a點電位,VT1和VT3由于受反向電壓而關(guān)斷,這時VTVT者B不導(dǎo)通,各品閘管承受U2/2的電壓,但VT和VT3承受的

7、事反向電壓,VT2和VT4承受的是正向電壓,負(fù)載沒有電流通過,業(yè)=0,id=i2=00第4階段cot2Tt：在t2時,u2電壓為負(fù),VT2和VT4受正向電壓,觸發(fā)VT2和VT4導(dǎo)通,有電流經(jīng)過b點一VT2一R-VT4一a點,在這段區(qū)間里,Ud=U2,id=ivT2=ivT4=i2=Ud/R0由于V不和VT4導(dǎo)通,VT2和VT4承受晚的負(fù)半周期電壓,至此一個周期工作完畢,下一個周期,重復(fù)上述過程,單項橋式整流電路兩次脈沖間隔為180.由于在交流電源的正負(fù)半周都有整流輸出電流流過負(fù)載,故該電路稱為全波整流.在U2的一個周期內(nèi),整流電壓波形脈動2次,脈動次數(shù)多于半波整流電路,該電路屬于雙脈搏整流電路

8、.變壓器二次測繞組中,正負(fù)兩個半周電流方向相反且波形對稱,平均值為零,即直流分量為零,所以變壓器不存在直流磁化問題,變壓器繞組的利用率也高.2.3根本數(shù)量關(guān)系直流整流電流輸出電壓平均值為：一2、2U21%2U2sintd(t)2-1cos0.9U22向負(fù)載輸出電流平均值：流過晶閘管的電流平均值只有輸出直流平均值的一半由于一個周期內(nèi)每個品閘管只有半個周期導(dǎo)通,即:U21cos0.45-導(dǎo)體橫截面積等定額,需考慮發(fā)熱問題,為此計算電流有效值.流過負(fù)載電壓有效值:3電路原件參數(shù)的計算與選擇2.輸出功率：500W3.觸發(fā)角 60Udcosa=0時,UdUd00.9U2.Ud=0可見a的移相角為0180

9、.IdUdRU20.92R1cosa2為選擇晶閘管,變壓器容量,晶閘管的電流有效值為:IVTU2sin2a變壓器二次側(cè)電流有效值由上可知:UU2.sin2a2I2與負(fù)載電流有效值相同,都為:I2UR2,sin2a2IVT12I不考慮變壓器損耗時,要求變壓器的容量為U2I2題目所給條件為1.電源電壓：交流100V/50Hz4.純電阻負(fù)載4.1主電路參數(shù)的計算開關(guān)頻率f=50HZ周期T=0.02s直流整流電流輸出電壓平均值為：1cos0.9U2=67.5V2負(fù)載電壓有效值:輸出功率為P=500W負(fù)載電流有效值向負(fù)載輸出電流平均值：Ud1、2U2sintd(t)2,2U21cosU2.sin2aa1

10、000.897V89.7V負(fù)載阻值:U2U2sin2a2鬻A5.57A16.1IdU21cosa0.9.4.19A流過晶閘管的電流平均值只有輸出直流平均值的一半由于一個周期內(nèi)每個品閘管只有半個周期導(dǎo)通,即:U21cos0.452R2.095A為選擇晶閘管,變壓器容量,導(dǎo)體橫截面積等定額,需考慮發(fā)熱問題,為此計算電流有效值.流過晶閘管的電流有效值為：IU2IVT-2Rsin2a1rI3.94A變壓器容量SU2I2=557W3.2品閘管參數(shù)的計算與選擇流過晶閘管的電流平均值只有輸出直流平均值的一半由于一個周期內(nèi)每個品閘管只有半個周期導(dǎo)通,即：IdVTlid0.45U-kO2.095A2dR2為選擇

11、晶閘管,變壓器容量,導(dǎo)體橫截面積等定額,需考慮發(fā)熱問題,為此計算電流有效值.流過晶閘管的電流有效值為：變壓器容量SU2l2=557W4 觸發(fā)電路的設(shè)計4.2觸發(fā)電路要求第一,觸發(fā)電路應(yīng)有足夠功率；第二,觸發(fā)脈沖寬度要能維持到品閘管徹底導(dǎo)通后才能撤掉；第三,觸發(fā)脈沖要與晶閘管陽極電壓同步,脈沖移相范圍必須滿足要求4.2觸發(fā)電路圖IVTU2,2Rsin2a21I3.94A2晶閘管承受的最大正向電壓和反向電壓分別為.2一U=70.7V和v12U2=141.4V2考慮平安裕量:故品閘管的額定電壓為 UN(23)141.4V283N424V故品閘管的額定電流為 IN(1.52)3.94A5.91M7.8

12、8A次側(cè)：U1220V次側(cè)：U2100Vn2U254.3工作原理經(jīng)D1D4S流后的直流電源WU一品&經(jīng)R2、R1加在單結(jié)晶體管兩個基極bl、b2之間;另一路通過Re對電容C充電、通過單結(jié)晶體管放電.限制BT的導(dǎo)通、截止；在電容上形成鋸齒波振蕩電壓,在R上得到一系列前沿很陡的觸發(fā)尖脈沖gu;如圖4.2.1(b)所小,其振蕩頻率為：0.1)RChK17上式中q=0.30.9是單結(jié)晶體管的分壓比,即調(diào)節(jié)Re,可調(diào)節(jié)振蕩頻率.5Matlab 軟件仿真分析O一 220V很1r平-ILJF立JLDi%本次課程設(shè)計采用Matlab自帶的動態(tài)仿真集成環(huán)境Simulink進(jìn)行仿真.Simulink是一個

13、用來對動態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行仿真和分析的軟件庫.它支持連續(xù)、離散、及兩者混合的線性和非線性系統(tǒng).它與用微分方程和差分方程建模的傳統(tǒng)仿真相比具有更直觀、更方便、更靈活的優(yōu)點.25.1仿真模型*.mdl文件是Simulink仿真工具箱仿真所設(shè)計的文件.它具有功能強大,而且包含了常用的大局部元器件仿真數(shù)學(xué)模型,形象易懂,便于設(shè)計.3單相橋式全控整流電路的Matlab仿真電路圖如圖2所示：圖2單相橋式全控整流電路仿真模型圖5.2原件參數(shù)變壓器參數(shù)設(shè)置負(fù)載參數(shù)設(shè)置.Sourer引口匚kramrTrPuKGt-nt!出口dPuloorypedot屯口thocotnfjtITionoltochraquouMd-7ir

14、te-hB3redzsTE二 口runuixledtoruzeuratha.vacLaz1e-solvtfi,whj_led_i.pll匕 也3Hd,二2s.MIU1f_ruse1fiKodrtoj:salvaeocmthi乳adurrotopertion&fusing：Bvanabli?siTSDIVETIParajetersPulsetype:TuwbasE1iJiEO)i百期pMM.；10Period recsD.02Pulsetfidth0ofperiocD:-IlPhajcdilay(cc-w)tD.0D331331333333333353333333M3M1Ml333133

15、3333313Interpretwctcirparanetersas-DIITOftCfihced-Hiir觸發(fā)脈沖1參數(shù)設(shè)置觸發(fā)脈沖2參數(shù)設(shè)置rtepWLth.aamndo5.3示波器波形示波器輸出波形5.4結(jié)果分析在電源電壓正半波0九區(qū)間,晶閘管承受正向電壓,脈沖UGftcot=a處觸發(fā)晶閘管,品閘管開始導(dǎo)通,形成負(fù)載電流id,負(fù)載上有輸出電壓和電流.3在t=兀時刻,U2=0,電源電壓自然過零,晶閘管電流小于維持電流而關(guān)斷,負(fù)載電流為零.在電源電壓負(fù)半波冗2冗區(qū)間,品閘管承受反向電壓而處于關(guān)斷狀態(tài),負(fù)載上沒有輸出電壓,負(fù)載電流為零,晶閘管上電壓波形與電源電壓波形相同.情況一直持續(xù)到電源的下

16、個周期的正半波,脈沖信號的來臨.3在設(shè)計時,觸發(fā)脈沖的參數(shù)設(shè)定十分關(guān)鍵,觸發(fā)脈沖1相位延遲0.003333一秒即一個a延遲角,而觸發(fā)脈沖2相位延遲要0.0133333一秒即a+180延遲角.獲得的負(fù)載電壓峰值約為Um=126.854V,負(fù)載電流峰值約為 Im=8.12423A.與理論推導(dǎo)值根本相同.仿真結(jié)果符合條件！6 課程設(shè)計體會通過這次單相橋式全控整流電路的設(shè)計,我加深了對電力電子技術(shù)及整流技術(shù)的理解,特別是對單相橋式全控整流電路相關(guān)內(nèi)容有了更深刻的熟悉和理解.另外,此次設(shè)計內(nèi)容不僅僅只涉及了整流系列電路,還有與主電路相配套的觸發(fā)電路設(shè)計,擴(kuò)大了我的知識面,為以后課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計打下知識

17、根底.同時,通過對各局部電路的仿真分析,原理圖的繪制,使我對MATLAB的Simulink軟件有了一個很好的學(xué)習(xí)時機,基本掌握了這些軟件的使用和調(diào)試方法,提升了理論分析水平,大大簡化了我們的設(shè)計時問和步驟.在單項橋式全控整流電路中,給晶閘管提供觸發(fā)脈沖是設(shè)計的關(guān)鍵.要給定正確的觸發(fā)脈沖必須熟悉單項橋式全控整流電路的原理,掌握觸發(fā)脈沖的過程；建立電路的Simulink模型時要特別主要防止原理性錯誤.本文在建立限制電路時,就采用了電路原理與Simulink模塊原理相結(jié)合的方法；用Simulink的菜單直接進(jìn)行仿真時,負(fù)載的參數(shù)也要設(shè)置為計算值16.1o將輸出電壓,電流即仿真結(jié)果設(shè)置在一個示波器上,易于分析和比擬,從而到達(dá)最正確設(shè)計要求,大大簡化了設(shè)計流程,減輕了設(shè)計者的負(fù)擔(dān),充分表達(dá)了Simulink工具的優(yōu)越性.最后感謝石喜玲老師