電力電子與變頻器課程設(shè)計(jì)--單相橋式全控整流電路

1、<p>　　電力電子技術(shù)與變頻器</p><p>　　學(xué) 院：機(jī)械與電子學(xué)院</p><p><b>　　姓 名： </b></p><p><b>　　學(xué) 號(hào)： </b></p><p>　　班 級(jí)：自動(dòng)化<2>班</p><p&

2、gt;　　專(zhuān) 業(yè)：自動(dòng)化</p><p>　　2013年11月20日</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　一.摘要- 1 -</p><p>　　二.單相橋式全控整流電路(電阻性負(fù)載)- 2-</p><p>　　1.電路的結(jié)構(gòu)與工作原理-3-</

3、p><p>　　2.單相橋式全波整流電路建模- 4 -</p><p>　　3.仿真結(jié)果與分析- 4 -</p><p>　　4.小結(jié)- 6 -</p><p>　　三.單相橋式全控整流電路(阻-感性負(fù)載)- 6 -</p><p>　　1.電路的結(jié)構(gòu)與工作原理-8 -</p><p

4、>　　2.建模- 11-</p><p>　　3.仿真結(jié)果與分析-13-</p><p>　　4.小結(jié)- 14 -</p><p>　　心得體會(huì)- 16 -</p><p>　　五.參考文獻(xiàn)- 17-</p><p><b>　　摘 要</b></p>&l

5、t;p>　　電子技術(shù)的應(yīng)用已深入到工農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)建設(shè),交通運(yùn)輸,空間技術(shù),國(guó)防現(xiàn)代化,醫(yī)療,環(huán)保,和億萬(wàn)人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€(gè)領(lǐng)域,進(jìn)入21世紀(jì)后電力電子技術(shù)的應(yīng)用更加廣泛,因此對(duì)電力電子技術(shù)的研究更為重要。近幾年越來(lái)越多電力電子應(yīng)用在國(guó)民工業(yè)中,一些技術(shù)先進(jìn)的國(guó)家,經(jīng)過(guò)電力電子技術(shù)處理的電能已得到總電能的一半以上。本文主要介紹單向橋式全控整流電路的主電路和觸發(fā)電路的原理及控制電路圖。</p><p>　　一、單相

6、橋式全控整流電路(電阻性負(fù)載)</p><p>　　1.電路的結(jié)構(gòu)與工作原理</p><p><b>　　1.1電路結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　圖 1 單相橋式全控整流電路(純電阻負(fù)載)的電路原理圖</p><p><b>　　1.2 工作原理</b></p><p>

7、;　　在電源電壓正半波，在wt＜α?xí)r，晶閘管VT1，VT4承受正向電壓，晶閘管VT2，VT3承受反向電壓，此時(shí)4個(gè)晶閘管都不導(dǎo)通，且假設(shè)4個(gè)晶閘管的漏電阻相等，則ut1(4)=ut2(3)=1/2U2；在wt=α?xí)r，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=π時(shí)，因電源電壓過(guò)零，通過(guò)晶閘管VT1，VT4的陽(yáng)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；在電源

8、負(fù)半波，在wt＜α+π時(shí)，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=-U2）和電流，且波形相位相同。此時(shí)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=2π時(shí)，因電源電壓過(guò)零，通過(guò)晶閘管VT2，VT3的陽(yáng)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。 </p><p><b>　　1.3基本數(shù)量關(guān)系<

9、;/b></p><p>　　a.直流輸出電壓平均值</p><p><b>　　b.輸出電流平均值</b></p><p><b>　　c.負(fù)載電壓有效值</b></p><p><b>　　d.負(fù)載電流有效值</b></p><p>　　2.

10、單相橋式全控整流電路建模</p><p>　　在MATLAB新建一個(gè)Model，命名為qk1，同時(shí)模型建立如下圖所示：</p><p>　　圖 2 單相橋式全控整流電路(電阻性負(fù)載)的MATLAB仿真模型</p><p><b>　　2.1模型參數(shù)設(shè)置</b></p><p>　　在此電路中，輸入電壓的電壓設(shè)置為220

11、V，頻率設(shè)置為50Hz，電阻阻值設(shè)置為1歐姆，電感設(shè)置為1e-3H，脈沖輸入的電壓設(shè)置為3V，周期設(shè)置為0.02（與輸入電壓一致周期），占空比設(shè)置為10%，觸發(fā)角分別設(shè)置為20°，60°，90°，150°因?yàn)閮蓚€(gè)晶閘管在對(duì)應(yīng)時(shí)刻不斷地周期性交替導(dǎo)通，關(guān)斷，所以脈沖出發(fā)周琴應(yīng)相差180°。</p><p><b>　　a.交流電源參數(shù) </b>

12、</p><p>　　b.同步脈沖信號(hào)發(fā)生器參數(shù) </p><p>　　c.負(fù)載上的參數(shù)設(shè)置</p><p><b>　　d.示波器參數(shù)</b></p><p>　　示波器五個(gè)通道信號(hào)從上到下依次是：1.通過(guò)晶閘管電流；2.晶閘管電壓；3.輸入電流4.通過(guò)負(fù)載電流Id；5.負(fù)載兩端的電壓Ud。</p>

13、<p><b>　　3 仿真結(jié)果與分析</b></p><p>　　a. 觸發(fā)角α=20°，MATLAB仿真波形如下</p><p>　　圖 3 α=20°單相橋式全控整流電路仿真結(jié)果(電阻性負(fù)載)</p><p>　　b. 觸發(fā)角α=60°，MATLAB仿真波形如下</p><p&

14、gt;　　圖 4 α=60°單相橋式全控整流電路仿真結(jié)果(電阻性負(fù)載)</p><p>　　c. 觸發(fā)角α=90°，MATLAB仿真波形如下</p><p>　　圖 5 α=90°單相橋式全控整流電路仿真結(jié)果(電阻性負(fù)載)</p><p>　　d. 觸發(fā)角α=150°，MATLAB仿真波形如下</p><

15、;p>　　圖 6 α=150°單相橋式全控整流電路仿真結(jié)果(電阻性負(fù)載)</p><p>　　在電源電壓正半波(0~π)區(qū)間，晶閘管承受正向電壓，脈沖UG在ωt=α處觸發(fā)晶閘管，晶閘管開(kāi)始導(dǎo)通，形成負(fù)載電流id，負(fù)載上有輸出電壓和電流。</p><p>　　在ωt=π時(shí)刻，U2=0，電源電壓自然過(guò)零，晶閘管電流小于維持電流而關(guān)斷，負(fù)載電流為零。</p><

16、;p>　　在電源電壓負(fù)半波(π~2π)區(qū)間，晶閘管承受反向電壓而處于關(guān)斷狀態(tài)，負(fù)載上沒(méi)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)到電源的下個(gè)周期的正半波，脈沖信號(hào)的來(lái)臨。</p><p><b>　　4小結(jié)</b></p><p>　　該輸入電壓U2是交變的，但是負(fù)載上正負(fù)兩個(gè)半波內(nèi)均有相同方向的電流流過(guò)，輸出電壓一個(gè)周期內(nèi)跳動(dòng)兩

17、次，由于橋式整流電路在正負(fù)半周期均能工作，變壓器二次繞組在正負(fù)班子均有大小相等，方向相反的電流流過(guò)，消除了變壓器的直流磁化，提高了變壓器的有效利用率。</p><p>　　二、單相橋式全控整流電路(阻感性負(fù)載)</p><p>　　1.電路的結(jié)構(gòu)與工作原理</p><p><b>　　1.1電路結(jié)構(gòu)</b></p><p&g

18、t;　　圖 7 單相橋式全控整流電路(阻-感性負(fù)載)的電路原理圖</p><p><b>　　1.2 工作原理</b></p><p>　?。?）在u2正半波的（0~α）區(qū)間： 晶閘管VT1、VT4承受正壓，但無(wú)觸發(fā)脈沖，處于關(guān)斷狀態(tài)。假設(shè)電路已工作在穩(wěn)定狀態(tài)，則在0～α區(qū)間由于電感釋放能量，晶閘管VT2、VT3維持導(dǎo)通。</p><p>　

19、?。?）在u2正半波的ωt=α?xí)r刻及以后：在ωt=α處觸發(fā)晶閘管VT1、VT4使其導(dǎo)通，電流沿a→VT1→L→R→VT4→b→Tr的二次繞組→a流通，此時(shí)負(fù)載上有輸出電壓（ud=u2）和電流。電源電壓反向加到晶閘管VT2、VT3上，使其承受反壓而處于關(guān)斷狀態(tài)。</p><p>　?。?）在u2負(fù)半波的（π~π+α）區(qū)間：當(dāng)ωt=π時(shí)，電源電壓自然過(guò)零，感應(yīng)電勢(shì)使晶閘管VT1、VT4繼續(xù)導(dǎo)通。在電壓負(fù)半波，晶閘管V

20、T2、VT3承受正壓，因無(wú)觸發(fā)脈沖，VT2、VT3處于關(guān)斷狀態(tài)。</p><p>　?。?）在u2負(fù)半波的ωt=π+α?xí)r刻及以后：在ωt=π+α處觸發(fā)晶閘管VT2、VT3使其導(dǎo)通，電流沿b→VT3→L→R→VT2→a→Tr的二次繞組→b流通，電源電壓沿正半周期的方向施加到負(fù)載上，負(fù)載上有輸出電壓 （ud=-u2）和電流。此時(shí)電源電壓反向加到VT1、VT4上，使其承受反壓而變?yōu)殛P(guān)斷狀態(tài)。晶閘管VT2、VT3一直要

21、導(dǎo)通到下一周期ωt=2π+α處再次觸發(fā)晶閘管VT1、VT4為止。</p><p>　　從波形可以看出α＞90º輸出電壓波形正負(fù)面積相同，平均值為零，所以移相范圍是0～90º。控制角α在0～90º之間變化時(shí)，晶閘管導(dǎo)通角θ≡π，導(dǎo)通角θ與控制角α無(wú)關(guān)。晶閘管承受的最大正、反向電壓</p><p><b>　　1.3基本數(shù)量關(guān)系</b><

22、;/p><p>　　a.直流輸出電壓平均值</p><p><b>　　b.輸出電流平均值</b></p><p><b>　　2.0電路建模</b></p><p>　　在MATLAB新建一個(gè)Model，命名為，同時(shí)模qk2, 同時(shí)模型建立如下圖所示：</p><p>　　圖

23、8 單相橋式全控整流電路(阻-感性負(fù)載)的MATLAB仿真模型</p><p><b>　　2.1模型參數(shù)設(shè)置</b></p><p>　　在此電路中，輸入電壓的電壓設(shè)置為220V，頻率設(shè)置為50Hz，電阻阻值設(shè)置為1歐姆，電感設(shè)置為1e-3H，脈沖輸入的電壓設(shè)置為3V，周期設(shè)置為0.02（與輸入電壓一致周期），占空比設(shè)置為10%，觸發(fā)角分別設(shè)置為30°，5

24、0°，90°，150°，因?yàn)閮蓚€(gè)晶閘管在對(duì)應(yīng)時(shí)刻不斷地周期性交替導(dǎo)通，關(guān)斷，所以脈沖出發(fā)周琴應(yīng)相差180°</p><p><b>　　a.交流電源參數(shù)</b></p><p>　　b.同步脈沖信號(hào)發(fā)生器參數(shù)</p><p>　　c.負(fù)載上的參數(shù)設(shè)置</p><p><b&g

25、t;　　d.示波器參數(shù)</b></p><p>　　示波器五個(gè)通道信號(hào)從上到下依次是：1.通過(guò)晶閘管電流；2.晶閘管電壓；3.輸入電流.； 4.通過(guò)負(fù)載電流Id；6.負(fù)載兩端的電壓Ud。</p><p><b>　　3 仿真結(jié)果與分析</b></p><p>　　a. 觸發(fā)角α=30°，MATLAB仿真波形如下：</

26、p><p>　　圖 9 α=30°單相橋式全控整流電路仿真結(jié)果(阻-感性負(fù)載)</p><p>　　b. 觸發(fā)角α=50°，MATLAB仿真波形如下</p><p>　　圖 10 α=50°單相橋式全控整流電路仿真結(jié)果(阻-感性負(fù)載)</p><p>　　c. 觸發(fā)角α=90°，MATLAB仿真波形如下&

27、lt;/p><p>　　圖 11 α=90°單相橋式全控整流電路仿真結(jié)果(阻-感性負(fù)載)</p><p>　　d. 觸發(fā)角α=150°，MATLAB仿真波形如下</p><p>　　圖 12 α=150°單相橋式全控整流電路仿真結(jié)果(阻感性負(fù)載)</p><p><b>　　4小結(jié)</b><

28、;/p><p>　　通過(guò)仿真可得，由于電感的作用，輸出電壓呈現(xiàn)負(fù)的波形，當(dāng)電感無(wú)限增大時(shí)，控制角a在0~90°之間變化時(shí)，晶閘管導(dǎo)通角θ=180°，導(dǎo)通角θ與控制角a無(wú)關(guān)。</p><p>　　經(jīng)過(guò)自己仿真，在設(shè)置脈沖時(shí)，不同信號(hào)對(duì)的晶閘管要給予的脈沖相差180°，無(wú)論控制角α多大，輸出電流波形因電感很大而呈一水平線，在電源輸出反向電壓時(shí)，晶閘管組還沒(méi)有脈沖，由于

29、有電感的存在，電感性負(fù)載仍有電流通過(guò)，所以通過(guò)電阻的電流不變。</p><p><b>　　五、心得體會(huì)</b></p><p>　　在整個(gè)單向橋式全控整流電路仿真做下來(lái)我們知道當(dāng)其帶電阻性負(fù)載時(shí)電路中盡管電路的輸入電壓U2是交變的，但負(fù)載上正負(fù)兩個(gè)半波內(nèi)均有相同方向的電流流過(guò)，輸出電壓一個(gè)周期內(nèi)脈動(dòng)兩次，由于橋式整流電路在正負(fù)半周期均能工作，變壓器二次繞組在正負(fù)班子

30、均有大小相等，方向相反的電流流過(guò)，消除了變壓器的直流磁化，提高了變壓器的有效利用率。而當(dāng)我們?cè)偌由想姼袝r(shí)通過(guò)仿真可知，由于電感的作用，輸出電壓出現(xiàn)負(fù)波形，在電源輸出反向電壓時(shí)，晶閘管組還沒(méi)有脈沖，由于有電感的存在，電感性負(fù)載仍有電流通過(guò)，通過(guò)電阻的電流不變。</p><p>　　本次設(shè)計(jì)，我所設(shè)計(jì)的是單相橋式全控整流電路，開(kāi)始設(shè)計(jì)時(shí)我遇到了很多的問(wèn)題，特別是在用MTALAB對(duì)整流電路進(jìn)行仿真時(shí)，我有種很深的無(wú)助感

31、。好在后來(lái)經(jīng)過(guò)仔細(xì)查閱資料，各類(lèi)圖書(shū)，以及老師和同學(xué)的幫助，我順利完成了課程設(shè)計(jì)中的任務(wù)。</p><p>　　在仿真過(guò)程中遇到過(guò)各式各樣的問(wèn)題，我不斷發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處。整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程發(fā)現(xiàn)以前知識(shí)掌握得不夠牢固，總是覺(jué)得無(wú)從下手等等，不過(guò)通過(guò)自己查資料和問(wèn)老師，一一都有了解，更對(duì)MATLAB有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)與熟練。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b><

32、;/p><p>　　[1]王兆安,黃俊.電力電子技術(shù)[M](第四版)北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000</p><p>　　[2]邵丙衡.電力電子技術(shù)[M]北京：中國(guó)鐵道出版社，1997</p><p>　　[3]林渭勛.電力電子技術(shù)基礎(chǔ)[M]北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1990</p><p>　　[4]丁道宏.電力電子技術(shù)[M]北京：航空工業(yè)出版社，1