單相橋式可控整流電路的設(shè)計(jì)說明

1、電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告單相橋式可控整流電路的設(shè)計(jì)姓 名 學(xué) 號(hào) 年 級(jí) 專 業(yè) 系（院） 指導(dǎo)教師 單相橋式可控整流電路設(shè)計(jì)一.引言整流電路（Rectifier）尤其是單相橋式可控整流電路是電力電子技術(shù)中最為重要，也是應(yīng)用得最為廣泛的電路，不僅應(yīng)用于一般工業(yè)，也廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、電力系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、能源系統(tǒng)等其他領(lǐng)域。因此對(duì)單相橋式可控整流電路的相關(guān)參數(shù)和不同性質(zhì)負(fù)載的工作情況進(jìn)行對(duì)比分析與研究具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義，不僅是電力電子電路理論學(xué)習(xí)的重要一環(huán)，而且對(duì)工程實(shí)踐的實(shí)際應(yīng)用具有預(yù)測(cè)和指導(dǎo)作用。隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展,可控整流電路在直流電動(dòng)機(jī)控制、可變直流電源、高壓直流輸電、電化學(xué)加工

2、處理方面得到廣泛的應(yīng)用。本課題基于Matlab語言,建立了單相橋式可控整流電路、三相橋式可控整流電路以及大功率雙反星型整流電路的動(dòng)態(tài)仿真模型,給出了仿真實(shí)例,驗(yàn)證了模型的正確性,并證明了該模型具有快捷、靈活、方便、直觀等一系列優(yōu)點(diǎn),從而為電力電子電路的教學(xué)及設(shè)計(jì)提供了一個(gè)有效的輔助工具。 二設(shè)計(jì)任務(wù)（1）了解單相橋式可控整流電路的工作原理，研究可控整流電路在電阻負(fù)載和電阻電感性負(fù)載時(shí)的工作情況。（2）掌握基本電路的數(shù)據(jù)分析、處理；描繪波形并加以判斷。能正確設(shè)計(jì)電路，畫出線路圖，分析電路原理。（3）熟悉單相橋式整流電路和觸發(fā)電路的基本原理，能夠運(yùn)用所學(xué)的理論知識(shí)分析電路原理及其應(yīng)用。三設(shè)計(jì)方案及

3、論證 可控整流電路的一般結(jié)構(gòu)系統(tǒng)框圖如下： 1-電源（工頻電網(wǎng)）；2-整流主電路；3-濾波電路；4-負(fù)載；5-控制電路及保護(hù)電路整流主電路的選擇 整流主電路的選擇，應(yīng)根據(jù)用戶的要求、用戶所提供的電源以及裝置容量來決定。一般情況下，裝置容量在5KW以下，多采用單相整流電路，對(duì)于有逆變橋要求的宜采用單相全控?zé)o續(xù)流的整流電路；而大于KW，額定直流電壓又較高時(shí)，多采用三相整流電路，對(duì)于有可逆變要求的，宜采用全控橋，而要求紋波系統(tǒng)小，提供電壓低、大電流宜采用帶平衡電抗器六相雙反星形晶閘管整流電路，總之，選擇整流主電路的主要原則有：（） 整流器開關(guān)器件的電流容量和電壓容量必須得到充分利用；（） 整流器直流

4、輸出電壓波紋系統(tǒng)越小越好，以減小整流直流電壓的脈動(dòng)分量，從而完全省去或減小平波電抗；（） 應(yīng)減少整流器的交流側(cè)的諧波分量，從而減小整流設(shè)備給電網(wǎng)帶來的諧波污染，以保證整流器有較高的功率因數(shù)和減小對(duì)電網(wǎng)和弱電系統(tǒng)的干擾；（） 應(yīng)充分利用整流變壓器的容量，使變壓器的等值容量S盡可能接近于直流容量P，避免產(chǎn)生磁通直流分量。主電路電路圖如下四、總體電路設(shè)計(jì)VT2單相橋式全控整流電路原理五、各功能模塊電路設(shè)計(jì)VT1、VT2為觸發(fā)脈沖相位互差180的晶閘管，VD1和VD2為整流二極管，由這四個(gè)器件組成單相橋式半控整流電路。電阻R和電感L為負(fù)載，若假定電感L足夠大，即WLR，由于電感中電流不能突變，可以認(rèn)為

5、負(fù)載電流在整個(gè)穩(wěn)態(tài)工作過程中保持恒值。由于橋式結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，只要晶閘管導(dǎo)通，負(fù)載總是加上正向電壓，而負(fù)載電流總是單方向流動(dòng)，因此橋式半控整流電路只能工作在第一象限，因?yàn)閣l<R，所以不論控制角為何值，負(fù)載電流id的變化很小。圖1 單相橋式半控整流電路原理 在u2正半周，觸發(fā)腳處給晶閘管VT1施加觸發(fā)脈沖，u2經(jīng)VT1和VD4向負(fù)載供電。u2過零變負(fù)時(shí)，因電感作用電流不再流經(jīng)變壓器二次繞組，而是由VT1和VD2續(xù)流。此階段若忽略器件的通態(tài)壓降則負(fù)載壓降ud不會(huì)出現(xiàn)負(fù)的情況。在u2負(fù)半周觸發(fā)角時(shí)刻，VT2與VD3觸發(fā)導(dǎo)通，同時(shí)向VT1施加反向電壓并使之關(guān)斷，u2經(jīng)VT2和VD3向負(fù)載供電。u2

6、過零變正時(shí)，VD4導(dǎo)通，VD3關(guān)斷。VT1和VD4續(xù)流，負(fù)載壓降ud又變?yōu)榱?。根?jù)上述分析，可求出輸出負(fù)載電壓平均值為：（1）角的移相圍為180°。輸出電流的平均值為:（2）流過晶閘管的電流平均值只有輸出直流平均值的一半，即：（3）流過晶閘管的電流有效值：（4）單相橋式半控整流電路的仿真模型如圖2所示。圖2 單相橋式半控整流電路的仿真模型（1）帶純電阻性負(fù)載情況相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置： 交流電壓源參數(shù)U=100V，f=50Hz； 晶閘管參數(shù)rn=0.001，Lon=0H，Vf=0.8V，Rs=10，Cs=250e-6F； 負(fù)載參數(shù)R=10，L=0H，C=inf； 脈沖發(fā)生器觸發(fā)信號(hào)1、2的振

7、幅為5V，周期為0.02s（即頻率為50Hz），脈沖寬度為2。設(shè)置觸發(fā)信號(hào)1的初相位為0s（即0），觸發(fā)信號(hào)2的初相位為0.01s（即180），此時(shí)的仿真結(jié)果如圖3（a）所示；設(shè)置觸發(fā)信號(hào)1的初相位為0.0025s（即45），觸發(fā)信號(hào)2的初相位為0.0125s（即225），此時(shí)的仿真結(jié)果如圖3（b）所示。 （a） （b）圖3 帶純電阻性負(fù)載單相橋式半控整流電路的仿真模型：（a）控制角為0；（b）控制角為45（2）帶電阻電感性負(fù)載情況帶電阻電感負(fù)載的仿真與帶純電阻負(fù)載的仿真方法基本相同，只需將RLC串聯(lián)分支負(fù)載參數(shù)設(shè)置為R=1，L=0.01H，C=inf。此時(shí)的仿真結(jié)果分別如圖4(a)、圖4（b

8、）所示。（a）                                                 

9、;  （b）圖4  帶電阻電感性負(fù)載單相橋式半控整流電路的仿真模型：（a）控制角為0  ；（b）控制角為45                      （3）單相橋式全控整流電路單相可控整流電路中應(yīng)用最多的是單相橋式全控整流電路（Single Phase Bridge Full-Controlled Rectifier），如圖5所示。在單相橋式全控

10、整流電路中，每一個(gè)導(dǎo)電回路中有2個(gè)晶閘管，即用2個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通以控制導(dǎo)電的回路。 圖5 單相橋式全控整流電路原理上文已經(jīng)就單相橋式半控整流電路在純電阻性負(fù)載時(shí)進(jìn)行了較為詳盡的分析，而且全控電路與半控電路在純電阻性負(fù)載時(shí)的工作情況基本一致，同時(shí)晶閘管承受的最大正向電壓和反向電壓也同前述電路相同，分別為和。以下重點(diǎn)分析帶電阻電感負(fù)載時(shí)的工作情況。VT1和VT4組成一對(duì)橋臂，在u2正半周(即a點(diǎn)電位高于b點(diǎn)電位)承受電壓u2，若在觸發(fā)角處給晶閘管VT1和VT4施加觸發(fā)脈沖使其開通，電流從電源a端經(jīng)VT1、R、VT4流回電源b端，ud=u2。在u2過零時(shí)關(guān)斷。假設(shè)電路已工作于穩(wěn)態(tài)，id的平

11、均值不變。負(fù)載中有電感時(shí)電流不能突變，電感對(duì)負(fù)載電流起平波作用，假設(shè)負(fù)載電感很大，負(fù)載電流id連續(xù)且近似為一水平直線，u2過零變負(fù)時(shí)，由于電感的作用晶閘管VT1和VT4中仍流過電流id，并不關(guān)斷。VT2和VT3組成另一對(duì)橋臂，在u2正半周承受電壓-u2，至t=+時(shí)刻，給VT2 和VT3施加觸發(fā)脈沖，因?yàn)閂T2 和VT3本已經(jīng)承受正向電壓，故兩管導(dǎo)通。在u2過零時(shí)關(guān)斷。VT2 和VT3導(dǎo)通后，分別給VT4 和VT1施加反向電壓使其關(guān)斷。流過VT1和VD4的電流迅速轉(zhuǎn)移到VT2 和VT3上，此過程稱為換相，亦稱換流。在下一周期重復(fù)相同過程，如此循環(huán)。若4個(gè)晶閘管均不導(dǎo)通，則負(fù)載電流id為零，負(fù)載電

12、壓ud也為零。根據(jù)上述分析，可求出輸出負(fù)載電壓平均值為：（5）晶閘管移相圍為90°。晶閘管承受的最大正反向電壓均為 。晶閘管導(dǎo)通角與無關(guān)，均為180°。電流的平均值和有效值分別為：（6） （7）變壓器二次側(cè)電流i 2的波形為正負(fù)各180°的矩形波，其相位由決定，有效值i 2= id。帶電阻電感性負(fù)載單相橋式全控整流電路的仿真模型如圖6所示。 圖6 單相橋式半控整流電路的仿真模型（1） 帶純電阻性負(fù)載情況相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置與前述單相橋式半控整流電路相同。設(shè)置觸發(fā)信號(hào)1和觸發(fā)信號(hào)3的初相位為0s（即0），觸發(fā)信號(hào)2和觸發(fā)信號(hào)4的初相位為0.01s（即1

13、80），此時(shí)的仿真結(jié)果如圖7（a）所示；設(shè)置觸發(fā)信號(hào)1和觸發(fā)信號(hào)3的初相位為0.005s（即90），觸發(fā)信號(hào)2和觸發(fā)信號(hào)4的初相位為0.015s（即270），此時(shí)的仿真結(jié)果如圖7（b）所示。 （a）                                

14、0;                （b）圖7 帶純電阻性負(fù)載單相橋式半控整流電路的仿真模型:（a）控制角為0；（b）控制角為45（2）帶電阻電感性負(fù)載的情況：帶電阻電感負(fù)載的仿真與帶純電阻負(fù)載的仿真方法基本相同，只需將RLC串聯(lián)分支設(shè)置為電阻電感性負(fù)載，即負(fù)載參數(shù)設(shè)置為R=1，L=0.01H，C=inf。此時(shí)的仿真結(jié)果分別如圖8(a)、(b)所示。 （a）      

15、0;                                                  （b）圖8 帶電阻電感性負(fù)載單相橋式半控整流電路的仿真模型 :（a）控制角為0；（b）控制角為90 六、總體電路七總結(jié)本文在對(duì)單相橋式可控整流電路理論分析的基礎(chǔ)上，利用malatb面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想和自帶的電力系統(tǒng)工具箱，建立了基于MATLAB/Simulink的單相橋式可控整流電路的仿真模型，并對(duì)其進(jìn)行了對(duì)比分析研究。對(duì)于電路帶純電阻性負(fù)載時(shí)的工作情況，驗(yàn)證了觸發(fā)角的移相圍是0180，負(fù)載電流不連續(xù)；對(duì)于電路帶電阻電感性負(fù)載時(shí)的工作情況，驗(yàn)證了觸發(fā)角的移相圍是090，負(fù)載電流是連續(xù)的；在應(yīng)用單相橋式半控整流電路時(shí)應(yīng)注意避免失控現(xiàn)象。通