单相桥式全控整流电路阻感负载课程设计matlab
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1 引言
1.1 设计目的
“电力电子技术”课程设计是在教学及实验基础上，对课程所学理论知识的深化和提高。
因此，通过电力电子计术的课程设计达到以下几个目的：1.培养综合应用所学知识，设计电路的能力；2.较全面地巩固和应用本课程中所学的理论和方法，掌握整流电路设计的基本方法；3.培养独立思考、独立收集资料、独立设计的能力；4.培养分析、总结及撰写技术报告的能力。
1.2 内容简介
介绍了单相桥式全控整流电路的工作原理和主要环节，并且分析几种常用的触发角，在此基础上运用MATlAB 软件分别对电路的仿真进行了设计；实现了对单项桥式全控整流电路的仿真，并对仿真结果进行分析。
1.3 设计要求
1、单相桥式相控整流的设计要求为： 负载为阻感性负载
2、技术要求:
1)、电源电压：交流100V/50Hz
2)、输出功率：500W
3)、触发角： 60=α
2 课程设计方案
2.1 整流电路
单相相控整流电路可分为单相半波、单相全波和单相桥式相控流电路，它们所连接的负载性质不同就会有不同的特点。
而负载性质又分为带电阻性负载、电阻-电感性负载和反电动势负载时的工作情况。
单相桥式全控整流电路，电阻-电感性负载，电路简图如下
此电路对每个导电回路进行控制，与单相桥式半控整流电路相比，无须用续流二极管，也不会失控现象，负载形式多样，整流效果好，波形平稳，应用广泛。
变压器二次绕组中，正负两个半周电流方向相反且波形对称，平均值为零，即直流分量为零，不存在变压器直流磁化问题，变压器的利用率也高。
单相全控桥式整流电路具有输出电流脉动小，功率因数高，变压器二次电流为两个等大反向的半波，没有直流磁化问题，变压器利用率高的优点。
单相全控桥式整流电路其输出平均电压是半波整流电路2倍，在相同的负载下流过晶闸管的平均电流减小一半，且功率因数提高了一半。
2.2 主电路的设计
2.2.1电路的组成
电路组成：该电路为单相桥式全控整流电路，由变压器﹑四个晶闸管﹑电感
及电阻组成，如图（a）所示。
2.2.2 电路工作原理及分析
1）工作原理：
第一阶段：（a）
在U2正半波的（0～α）区间：晶闸管VT1、VT4承受正压，但无触发脉冲，处于关断状态。
假设电路已工作在稳定状态，则在0～α区间由于电感释放能量，晶闸管VT2、VT3维持导通。
第二阶段：
在U2正半波的ωt=α时刻及以后：在ωt=α处触发晶闸管VT1、VT4使其导通，电流沿a→VT1→L→R→VT4→b→Tr的二次绕组→a流通，此时负载上有输出电压（Ud=U2）和电流。
电源电压反向加到晶闸管VT2、VT3上，使其承受反压而处于关断状态。
第三阶段：
在U2负半波的（π～π+α）区间：当ωt=π时，电源电压自然过零，感应电势使晶闸管VT1、VT4继续导通。
在电压负半波，晶闸管VT2、VT3承受正压，因无触发脉冲，VT2、VT3处于关断状态。
第四阶段：
在U2负半波的ωt=π+α时刻及以后：在ωt=π+α处触发晶闸管VT2、VT3使其导通，电流沿b→VT3→L→R→VT2→a→Tr的二次绕组→b流通，电源电压沿正半周期的方向施加到负载上，负载上有输出电压（Ud=-U2）和电流。
此时电源电压反向加到VT1、VT4上，使其承受反压而变为关断状态。
晶闸管VT2、VT3一直要导通到下一周期ωt=2π+α处再次触发晶闸管VT1、VT4为止。
从波形可以看出α＞90º输出电压波形正负面积相同，平均值为零，所以移相范围是0～90º。
控制角α在0～90º之间变化时，晶闸管导通角θ=π，导通角θ与控制角α无关。
2）电路分析:假设电路已经工作在稳定状态如图（b）
在U2正半周期，触发角α处给晶闸管VT1和VT4加触发脉冲使其开通,Ud=U2。
负载中有电感存在是负载电流不能突变，电感对负载电流起平波作用，假设负载电感很大，负载电流连续，且波形近似为一水平线。
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。
至ωt=π+α时刻，给VT2和VT3加触发脉冲，VT2和VT3承受正向电压导通。
U2通过VT2和VT3分别向VT1和VT4施加反压使VT1和VT4关断，流过VT1和VT4的电流迅速转移到VT2和VT3上，此过程称为换相，亦称换流。
3 参数计算和晶闸管的选择
3.1 参数关系
①输出电压平均值Ud 和输出电流平均值Id ⎰+===απα
ααπωωπcos 9.0cos 22)(d sin 21222d U U t t U U R U I d d
=
②晶闸管的电流平均值I dT 和有效值I T d dT 21
I I =
d
d T 707.021
I I I ==
③输出电流有效值I 和变压器二次电流有效值I 2
d 2I I I ==
④ 晶闸管所承受的最大正向电压和反向电压均为:
22U 3.2 参数的计算
1.在阻感负载下电流连续，整流输出电压的平均值为
V V U U d 452/1*100*9.0cos 9.02===α
2.变压器二次侧输出电压为 ()()V
U t d t U U 100sin 21222===⎰+ωωπαππ
3.整流输出电流平均值为
A
A U P
I d d 1.1145500
===
4.变压器二次侧电流为
A I I d 1.112==
5.电阻为
Ω
=Ω==05.41.1145
d d I U R
6.晶闸管承受的最大反向电压为
V V U 4.141210022==
7.晶闸管的额定电压为
()V V U N 424~2834.1413~2=⨯=
8.流过晶闸管电流有效值为
A
I
I d
VT 85.72==
9.晶闸管的额定电流为
()A I I VT
N 10~5.757.12~5.1=⨯=
10.延迟时间为
ms T t 33.3360501603601=⨯== α ()ms
t 3.1336050
1
180602=⨯+=
11.U1=220V U2=100V 变压器变比为
K=U1/U2=220/100=2.2
3.3 晶闸管的选择
该电路为大电感负载，电流波形可看作连续且平直的。
晶闸管的额定电压和晶闸管的额定电流为
()V V U N 424~2834.1413~2=⨯=
()A I I VT
N 10~5.757.12~5.1=⨯=
4 MATLAB 仿真
4.1 单相桥式全控整流电路带阻感负载MATLAB建模
利用MATLAB仿真软件对单项桥式全控整流电路和控制电路进行建模并仿真，单相桥式全控整流电路带阻感性负载MATLAB建模。
单相桥式全控整流电路带阻感性负载仿真电路图如图所示：
4.2 仿真结果与分析
当延迟角α=60°,U=100V,P=500W，f=50H Z时波形如图：
（单相桥式全控桥阻感负载α=60°）
波形分别为：①U2②VT1和VT4脉冲③VT2和VT3脉冲④VT2和VT3导通电压⑤ VT1和VT4 ⑥Ud ⑦Id
5 触发电路
触发电路对其产生的触发脉冲要求：
①触发信号可为直流、交流或脉冲电压。
②触发信号应有足够的功率。
③触发脉冲应有一定的宽度，脉冲的前沿尽可能陡，以使元件在触发导通后，阳极电流能迅速上升超过掣住电流而维持导通。
④触发脉冲必须与晶闸管的阳极电压同步，脉冲移相范围必须满足电路要求。
⑤触发脉冲与主电路电源必须同步。
为了使晶闸管在每一个周期都以相同的控制角α被触发导通，触发脉冲必须与电源同步，两者的频率应该相同，而且要有固定的相位关系，以使每一周期都能在同样的相位上触发。
6 心得体会
通过这次的MATLAB仿真设计过程中，我不仅掌握了MATLAB中SIMULINK仿真的使用，还对单相桥式全控整流电路有了更深刻的认识。
在建模的过程中总结了以下几点：1.在单项桥式全控整流电路中，给晶闸管提供触发脉冲是设计的关键；2.给定正确的触发脉冲必须熟悉单项桥式全控整流电路的原理，掌握触发脉冲的过程；3.对同一个电路，可以建立不同的SIMULINK模型。
我觉得课程设计的魅力就在于此，既可以加深对书本上的原理的理解，又可以增强软件操作的能力。
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.机械工业出社.2006。
