晶闸管单相桥式整流电路设计与仿真(MATLAB)

引言
整流电路（Rectifier）尤其是单相桥式可控整流电路是电力电子技术中最为重要，也是应用得最为广泛的电路，不仅应用于一般工业，也广泛应用于交通运输、电力系统、通信系统、能源系统等其他领域。

因此对单相桥式可控整流电路的相关参数和不同性质负载的工作情况进行对比分析与研究具有很强的现实意义，不仅是电力电子电路理论学习的重要一环，而且对工程实践的实际应用具有预测和指导作用。

Matlab提供的可视化仿真工具Simtlink可直接建立电路仿真模型，随意改变仿真参数，并且立即可得到任意的仿真结果，直观性强，进一步省去了编程的步骤。

本文利用Simulink对三相桥式全控整流电路进行建模，对不同控制角、桥故障情况下进行了仿真分析，既进一步加深了三相桥式全控整流电路的理论，同时也为现代电力电子实验教学奠定良好的实验基础。

第一章容及设计内技术要求
一设计内容及技术要求
计算机仿真具有效率高、精度高、可靠性高和成本低等特点，已经广泛应用于电力电子电路（系统）的分析和设计中。

计算机仿真不仅可以取代系统的许多繁琐的人工分析，减轻劳动强度，提高分析能力和设计能力，避免因为解析法在近似处理中带来的较大误差，还可以与实物试制和调试相互补充，最大限度的降低设计成本，缩短系统研制周期。

可以说，电路的计算机仿真技术大大加速了电路的设计和实验过程。

通过本次仿真，学生可以初步认识电力电子计算机仿真的优势，并掌握电力电子计算机仿真的而基本方法。

1、晶闸管单相全控整流电路，参数要求：
电网频率 f=50HZ
电网额定电压：U=380V
电网电压波动：正负10%
阻感负载电压：0--190V
2、设计内容
（1）制定设计方案；
（2）主电路的设计及主电路元件的选择
（3）驱动电路和保护电路设计及参数计算
（4）绘制电路原理图
（5）总体电路原理图及说明
3、设计的总体要求
（1）熟悉matlab/simulink/powersystem中的仿真模块用法和功能
（2）根据设计电路搭建仿真模型
（3）设置参数并进行仿真
（4）给出不同触发角时对应ud、id、i2和iVT1的波形。

4、设计的总体要求
（1）熟悉整流和触发电路的基本原理，能够运用所学的理论知识分析设计任务；
（2）掌握基本电路的数据分析、处理，描绘波形并加以判断；
（3）能正确设计电路，画出线路图，分析电路原理；
（4）广泛收集相关技术资料；
（5）按时完成课程设计任务，认真、正确的书写课程设计报告。

二、设计总结报告要求
1、设计题目、目录、设计的基本原理、简要说明本设计内容、用途及特点、达到的性能指标；
2、写出个部分设计过程、工作原理、元器件选择；
3、给出仿真结果；
4、附录、设计参考文献、设计总结体会；
5、按要求完成仿真报告。

第二章基本原理
单相可控整流电路中应用最多的是单相桥式全控整流电路（Single Phase Bridge Full-Controlled Rectifier），如图5所示。

在单相桥式全控整流电路中，每一个导电回路中有2个晶闸管，即用2个晶闸管同时导通以控制导电的回路。

图5 单相桥式全控整流电路原理
上文已经就单相桥式半控整流电路在纯电阻性负载时进行了较为详尽的分析，而且全控电路与半控电路在纯电阻性负载时的工作情况基本一致，同时晶闸管承受的最大正向电压和反向电压也同前述电路相同，分别为和。

以下重点分析带电阻电感负载时的工作情况。

VT1和VT4组成一对桥臂，在u2正半周(即a点电位高于b点电位)承受电压u2，若在触发角α处给晶闸管VT1和VT4施加触发脉冲使其开通，电流从电源a端经VT1、R、VT4流回电源b端，ud=u2。

在u2过零时关断。

假设电路已工作于稳态，id的平均值不变。

负载中有
电感时电流不能突变，电感对负载电流起平波作用，假设负载电感很大，负载电流id连续且近似为一水平直线，u2过零变负时，由于电感的作用晶闸管VT1和VT4中仍流过电流id，并不关断。

VT2和VT3组成另一对桥臂，在u2正半周承受电压-u2，至ωt=π+α时刻，给VT2 和VT3施加触发脉冲，因为VT2 和VT3本已经承受正向电压，故两管导通。

在u2过零时关断。

VT2 和VT3导通后，分别给VT4 和VT1施加反向电压使其关断。

流过VT1和VD4的电流迅速转移到VT2 和VT3上，此过程称为换相，亦称换流。

在下一周期重复相同过程，如此循环。

若4个晶闸管均不导通，则负载电流id为零，负载电压ud也为零。

根据上述分析，可求出输出负载电压平均值为：
（5）晶闸管移相范围为90°。

晶闸管承受的最大正反向电压均为。

晶闸管导通角θ与α无关，均为180°。

电流的平均值和有效值分别为：
（6）
（7）
变压器二次侧电流i 2的波形为正负各180°的矩形波，其相位由α决定，有效值i 2= id。

带电阻电感性负载单相桥式全控整流电路的仿真模型如图6所示。

图6 单相桥式半控整流电路的仿真模型
第三章各环节参数
各环节参数由调试过程结合图形样式比较，得出正确波形的参数。

首先，是单相电源参数。

其具体参数如下图所示。

其次，为触发脉冲的参数，幅值，脉冲宽度以波形清晰美观为标
准。

其中，Phase delay一栏为触发角调节。

调节此栏数据，可以得到不同触发角的各个波形。

具体参数见下图所示。

上图为1和3号晶闸管的触发脉冲参数，2和4号的脉冲与1和3的脉冲相位差为180度。

下图为触发角30度时，2和4号晶闸管的触发脉冲参数。

最后是负载的参数，负载为阻感性负载，调节电阻大小，使波形中的毛刺消除，记录使毛刺消除的阻值，作为最终负载的参数。

具体参数如下
第四章调试结果及结果分析
按照设计的电路图连线，仿真。

得到不同触发角是的波形。

其中，包括电源电压及电流波形，整流后的电压和电流波形。

及晶闸管的电流计电压波形。

触发角为0度时，可以得到如下波形。

如图所示，第一栏为电源电压波形，依次为：电源电流波形，1号3号触发脉冲波形，2号4号触发脉冲，整流后的电压波形，整流后的电流波形，晶闸管的电压波形，晶闸管的电流波形。

触发角为30度时，可以得到的波形如下。

触发角为45度时的波形。

触发为60度时的波形。

触发角为90度时的波形。

第五章结果分析
a =0︒时的工作原理分析：晶闸管的电压波形，由3段组成：
第1段，VT1导通期间，为一管压降，可近似为u T1=0
第2段，在VT1关断后，VT2导通期间，u T1=u a-u b=u ab，为一段线电压。

第3段，在VT3导通期间，uT1=ua-uc=uac ，为另一段线电压。

a= 30︒时的波形负载电流处于连续和断续之间的临界状态，各相仍导电120︒。

如果a﹥30°，例如a=60°时，整流电压的波形如图所示，当导通一相的相电压过零变负时，该相晶闸管关断。

此时下一相晶闸管虽承受正电压，但它的触发脉冲还未到，不会导通，因此输出电压电流均为零，直到触发脉冲出现为止。

这种情况下，负载电流断续，各晶闸管导通角为90°小于120°。

电感大小对仿真结果的分析：当电感L=10e-6时，负载电流波形为同负载电压波形的脉动波；当电感L=10e-2时，负载电流波形如图4-10—4-13所示；当电感L>=10时，负载电流波形为近似直线。

如果电感不够大，电感中的储能不足以使负载电流维持到180+α，则负载电流将会出现断续现象。

此时由于电流断续不存在两相衔接导通的情况，在分析电路时单相桥式全控整流电路可以看成两个单相半波可控整流地电路组成，因此可用单相半波可控整流电路的导通规则来研究触发角α。

结论
本文在对单相桥式可控整流电路理论分析的基础上，利用MATLAB面向对象的设计思想和自带的电力系统工具箱，建立了基于MATLAB/Simulink的单相桥式可控整流电路的仿真模型，并对其进行了对比分析研究。

对于电路带纯电阻性负载时的工作情况，验证了触发角α的移相范围是0～180◦，负载电流不连续；对于电路带电阻电感性负载时的工作情况，验证了触发角α的移相范围是0～90◦，负载电流是连续的；在应用单相桥式半控整流电路时应注意避免失控现象。

通过仿真分析也验证了本文所建模型的这次电力电子技术课程设计，让我们有机会将课堂上所学的理论知识运用到实际中。

并通过对知识的综合利用，进行必要的分析，比较。

从而进一步验证了所学的理论知识。

指导我们在以后的学习，多动脑的同时，要善于自己去发现并解决问题。

这次的课程设计，还让我知道了最重要的是心态，在你拿到题目时会觉得困难，但是只要充满信心，就肯定会完成的。

总结体会
通过电力电子技术课程设计，我加深了对课本专业知识的理解，平常都是理论知识的学习，在此次课程设计中，真正做到了自己查阅资料、完成一个基本的设计任务。

在此次的设计过程中，我更进一步地熟悉了三相半波整流电路的原理及MATLAB仿真电路的设计。

当然，在这个过程中我也遇到了困难，通过查阅资料，相互讨论，我准确地找出错误所在并及时纠正了，这也是我最大的收获，使自己的实践能力有了进一步的提高，让我对以后的工作学习有了更大的信心。

通过这次课程设计使我懂得了只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。

在设计的过程中难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，通过这次课程设计，把以前所学过的知识重新温故，巩固了所学的知识。

除了对理论知识更深地理解，同时也培养了以下几点能力。

第一，提高了自己撰写课程设计报告水平，提高了自己的书面表达能力。

第二，提高了运用所学的各门知识解决问题的能力，在本次课程设计中，涉及到很多学科，学会了如何整合自己所学的知识去解决实际问题。

第三，深刻理解了单相可控整流电路的原理及应用。

参考文献
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