单相桥式整流电路纯电阻负载课程设计

1引言
什么是电力电子技术？顾名思义，可以认为，所谓电力电子技术就是应用于电力领域的电子技术。

电子技术包括信息电子技术和电力电子技术两大分支。

通常所说的模拟电子技术和数字电子技术都属于信息电子技术。

具体地说，电力电子技术就是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。

目前所用的电力电子器件均由半导体制成，故也称“电力半导体器件”。

电力电子技术所变换的“电力”功率可以大到数百兆瓦甚至吉瓦，也可以小到数瓦甚至毫瓦级。

本文以单相桥式全控整流电路电阻性负载为研究对象，介绍了单相桥式全控整流电路的工作原理，并对MATLAB／SIMULINK模块中电力电子仿真所需要的电力系统模块做了简要的说明，介绍了单相桥式全控整流电路的主要环节及工作原理，并且分析了触发角为30°的情况，在此基础上运用MATLAB软件分别对电路的仿真进行了设计，实现了对单相桥式全控整流电路的仿真，并对仿真结果进行分析。

2 单相桥式全控整流电路纯电阻负载
2.1 理论设计
2.1.1 电路分析与工作原理
单相桥式全控整流电路带电阻负载电路如图（1）：
图（1）
1）闸管VT1和VT4组成一对桥臂，VT2和VT3组成另一对桥臂。

2）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，id=0,ud=0,VT1、VT4串联承受电压U2。

√在触发角α处给VT1和VT4加触发脉冲，VT1和VT4即导通，电流从电源a 端经VT1、R 、VT4流回电源b 端。

3）当U2过零时，流经晶闸管的电流也降到零，VT1和VT4关断。

4）在U2负半周，仍在触发角α处触发VT2和VT3，VT2和VT3导通，电流从电源b 端流出，经VT3、R 、VT2流回电源a 端。

5）到U2过零时，电流又降为零，VT2和VT3关断。

单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形如图（2）所示：
图（2）
2.1.2 参数计算
1）晶闸管承受的最大正向电压和反向电压分别为
和 。

2）整流电压平均值为：
b)
c)
d)
u
VT
22
2
U 22U ⎰+=+==παααπωωπ2
cos 19.02cos 122)(d sin 212
22U U t t U U d
α=0时，Ud= Ud0=0.9U2。

α=180︒时，Ud=0。

可见，α角的移相范围为180︒。

3）向负载输出的直流电流平均值为：
4）流过晶闸管的电流平均值 ：
5）为选择晶闸管、变压器容量、导线截面积等定额，需考虑发热等问题，为此需计算电流有效值。

流过晶闸管的电流有效值：
π
α
παπωωπ
π
α
-+==
⎰2sin 212)(d )sin 2(
21222R
U
t t R U I T 变压器二次电流有效值I2与输出直流电流有效值I 相等，为：
π
α
παπωωπ
π
α
-+
==
=⎰2sin 21)()sin 2(
1
2222R U
t d t R U I I 由上两式可见
I I T 21=
不考虑变压器的损耗时，要求变压器的容量为S=U 2I 2 2.1.3 晶闸管选型
该电路为纯电阻负载。

U 2=100V 时，不计控制角余量按α=30°计算 1）由 U d =0.84U 2 得 Ud=83.97V 2）由 P=500W 得 I d =5.95V 所以R=14.11Ω 3）U1=220V ，U2=100V 变压器变比K=2.2
4）晶闸管承受的最大正向电压为 =70.7V,最大反向电压为22U =141.4V ，考虑安全余量，则晶闸管额定电压U N =（2~3）=283~424V ⅰ）所选晶闸管电流有效值I Tn 大于元件在电路中可能流过的最大电流有效
2
cos 19.02cos 1222
2ααπ+=+==R U R U R U I d d 2
cos 145.0212α+==
R U I I d dT 22
2
U
值。

ⅱ）选择是考虑（1.5~2）倍的安全余量。

即
I Tn =1.57I T （AV ）=（1.5~2）I TM I T （AV ）≥（1.5~2）I TM ／1.57
5）当α=30°时晶闸管流过最大电流有效值I VT =4.94A ，则晶闸管额定电流 I T =4.94／1.57=3.15A ，则I D =（1.5~2）I T =4.725~6.3A 。

6）晶闸管VT1和VT4触发角α脉冲延迟时间t=αT ／360°=0.00167s VT2和VT3触发角α脉冲延迟时间t=（α+180°）T ／360°=0.01167s 7）变压器二次侧电流有效值I 2=6.984A ,则S=U 2I 2=698.4V A 所以在本次设计中我选用4个KP-4晶闸管。

3 仿真实验
利用MATLAB 仿真软件对单相桥式全控整流电路和控制电路进行建模并仿真。

3.1 单相桥式全控整流电路带电阻性负载MATLAB 建模
单相桥式全控整流电路电阻性负载仿真电路图如图（3）所示：
π
α
παπωωπ
π
α
-+==
⎰2sin 212)(d )sin 2(
21222R U
t t R U I T
图（3）
3.2 仿真与分析
当触发角α=30°时，电源电压、VT1和VT4上的脉冲信号、VT2和VT3上的脉冲信号、VT4两端的电压、VT4两端的电流、输出的平均电压Ud、输出电流Id、
VT3两端的电压、VT2两端的电流的波形图分别如图（4）所示：
图（4）
4 触发电路
晶闸管可控整流电路是通过控制触发角α的大小，即控制触发脉冲起始相位来控制输出电压大小的，属于相控电路。

为保证相控电路正常工作，很重要的是应保证按触发角 的大小在正确的时刻向电路中的晶闸管施加有效的触发脉冲。

由于相控电路一般都使用晶闸管器件，因此，习惯上也将实现对相控电路相位控制的电路总称为触发电路。

触发电路可分为三个基本环节：脉冲的形成与放大、锯齿波的形成和脉冲移相、同步环节。

电路输出为双窄脉冲（适用于有两个晶闸管同时导通的电路）。

触发电路对其产生的触发脉冲要求：
1）触发脉冲应有一定的宽度。

当α＜δ（δ为停止导电角）触发脉冲到来时，晶闸管承受负电压，不可能导通。

为了使晶闸管可靠导通，要求触发脉冲有足够的宽度，保证当ωt=δ时刻有晶闸管开始承受正向电压时，触发脉冲仍然存在。

这样，相当于触发角被推迟为δ。

2）在锯齿波同步的触发电路中，触发电路与主电路的同步是指要求锯齿波的频率与主电路电源的频率相同且相位关系确定。

3）触发电路的定相
向晶闸管整流电路供电的交流侧电源通常来自电网，电网电压的频率不是固定不变的，而是会在允许范围内有一定的波动。

触发电路除了应当保证工作频率与主电路交流电源的频率一致外，还应保证每个晶闸管触发脉冲与施加晶闸管的交流电压保持固定、正确的相位关系，即触发电路的定相。

5 结论
通过这次对单相桥式全控整流电路纯电阻负载的设计，使我加深了对整流电路的理解。

在本次课程设计过程中，我遇到最大的问题就是对电路的仿真。

由于之前没有接触过任何有关MATLAB软件的知识，在具体仿真过程中遇到了不少问题，但通过阅读相关知识都一一解决了。

整个课程设计过程中，由于对理论知识掌握的不深刻，以及对课程设计的不熟悉，课程设计中还有许多不足之处，在以后的课程设计中，我会努力完善。

参考文献
[1].王兆安.电力电子技术.机械工业出版社.2009
[2].洪乃刚.电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真.机械工业出版社.2006。