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：