单相桥式全控整流电路的仿真与分析

电力电子技术实验报告

实验名称： 单相桥式全控整流电路的仿真与分析 班 级： 自动化091 组 别： 第2组 成 员： 潘英俏 邬祎添

金华职业技术学院信息工程学院

2011 年 9月 日

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目录

一、 单相桥式全控整流电路（纯电阻负载）……………………………………-1-

1. 电路的结构与工作原理………………………………………………….-1- 2. 建模……………………………………………………………………….-2- 3. 仿真结果与分析………………………………………………………….-4- 4. 小结……………………………………………………………………….-6- 二、 单相桥式全控整流电路（阻-感性负载）…………………………………...-6-

1. 电路的结构与工作原理…………………………………………………...-6- 2. 建模………………………………………………………………………...-7- 3. 仿真结果与分析…………………………………………………………...-9- 4. 小结………………………………………………………………………...-11- 三、 单相桥式全控整流电路（反电动势负载）………………………………….-11

1. 电路的结构与工作原理…………………………………………………..-11- 2. 建模………………………………………………………………………-12- 3． 仿真结果与分析………………………………………………………….-14- 4. 小结………………………………………………………………………-16- 四、 单相桥式全控整流电路（阻-感性负载加续流二极管）……………………-17-

1.电路的结构与工作原理…………………………………………………….-17- 2.建模………………………………………………………………………….-18-

3.仿真结果与分析…………………………………………………………….-19- 4.小结………………………………………………………………………….-22- 五、总结……………………………………………………………………………..-22-

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图索引

图1 单相桥式全控整流电路（纯电阻负载）的电路原理图.........................-1- 图2 单相桥式全控整流电路（纯电阻负载）的MATLAB仿真模型....................-2- 图3 α=30°单相桥式全控整流电路仿真结果（纯电阻负载）……………………………-4- 图4 α=60°单相桥式全控整流电路仿真结果（纯电阻负载）……………………………-4- 图5 α=90°单相桥式全控整流电路仿真结果（纯电阻负载）……………………………-5- 图6 α=120°单相桥式全控整流电路仿真结果（纯电阻负载）…………………………-5- 图7 单相桥式全控整流电路(阻-感性负载)的电路原理图……………………….………-6- 图8 单相桥式全控整流电路(阻-感性负载)的MATLAB仿真模型…………………………-7- 图9 α=30°单相桥式全控整流电路仿真结果（阻-感性负载）……………………………-9- 图10 α=60°单相桥式全控整流电路仿真结果（阻-感性负载）…………………………-10- 图11 α=90°单相桥式全控整流电路仿真结果（阻-感性负载）…………………………-10- 图12 α=120°单相桥式全控整流电路仿真结果（阻-感性负载）…………………………-11- 图13 单相桥式全控整流电路（反电动势负载）的电路原理图……………………………-11- 图14 单相桥式全控整流电路（反电动势负载）的MATLAB仿真模型………………………-12- 图15 α=30°单相桥式全控整流电路仿真结果（反电动势负载）………………………-15- 图16 α=60°单相桥式全控整流电路仿真结果（反电动势负载）………………………-15- 图17 α=90°单相桥式全控整流电路仿真结果（反电动势负载）………………………-16- 图18 α=120°单相桥式全控整流电路仿真结果（反电动势负载）………………………-16- 图19 单相桥式全控整流电路（阻-感性负载加续流二极管）的电路原理图……………-17- 图20 单相桥式全控整流电路（阻-感性负载加续流二极管）MATLAB仿真模型…………-18- 图21 α=30°单相桥式全控整流电路仿真结果(阻-感性负载加续流二极管)…………-20- 图22 α=60°单相桥式全控整流电路仿真结果(阻-感性负载加续流二极管)…………-20- 图23 α=90°单相桥式全控整流电路仿真结果(阻-感性负载加续流二极管)…………-21- 图24 α=120°单相桥式全控整流电路仿真结果(阻-感性负载加续流二极管)…….…-21-

II

单相桥式全控整流电路仿真建模分析

一、 单相桥式全控整流电路(纯电阻负载)

1.电路的结构与工作原理 1.1电路结构

T+-VT1aVT3IdU1U2bVT2VT4UdR

图1 单相桥式全控整流电路（纯电阻负载）的电路原理图

1.2 工作原理

用四个晶闸管，两只晶闸管接成共阴极，两只晶闸管接成共阳极，每一只晶闸管是一个桥臂。

（1）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。四个晶闸管都不通。假设四个晶闸管的漏电阻相等，则uT1.4= uT2.3=1/2 u2。 （2）在u2正半波的ωt=α时刻：

触发晶闸管VT1、VT4使其导通。电流沿a→VT1→R→VT4→b→Tr的二次绕组→a流通，负载上有电压（ud=u2）和电流输出，两者波形相位相同且uT1.4=0。此时电源电压反向施加到晶闸管VT2、VT3上，使其承受反压而处于关断状态，则uT2.3=1/2 u2。晶闸管VT1、VT4—直导通到ωt=π为止，此时因电源电压过零，晶闸管阳极电流下降为零而关断。

（3）在u2负半波的（π~π+α）区间：

晶闸管VT2、VT3承受正压，因无触发脉冲，VT2、VT3处于关断状态。此时，uT2.3=uT1.4= 1/2 u2。

（4）在u2负半波的ωt=π+α时刻：

触发晶闸管VT2、VT3，元件导通，电流沿b→VT3→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电阻上，负载上有输出电压（ud=-u2）和电流，且波形相位相同。此时电源电压反向加到晶闸管VT1、VT4上，使其承受反压而处于关断状态。晶闸管VT2、VT3一直要导通到ωt=2π为止，此时电源电压再次过零，晶闸管阳极电流也下降为零而关断。晶闸管VT1、VT4

1

和VT2、VT3在对应时刻不断周期性交替导通、关断。 1.3基本数量关系

a.直流输出电压平均值

Ud12U2sintd(t)22U21cos21cos0.9U22b.输出电流平均值

IdUdR0.9U21cos R22.建模

在MATLAB新建一个Model，命名为dianlu4，同时模型建立如下图所示：

图2 单相桥式全控整流电路（纯电阻负载）的MATLAB仿真模型

2.1模型参数设置

a.交流电源参数

2

b.同步脉冲信号发生器参数

c.示波器参数

示波器五个通道信号依次是：①通过晶闸管电流Ial；②晶闸管电压Ual；③电源电流i2④通过负载电流Id；⑤负载两端的电压Ud。

d.电阻R=1欧姆

3

3 仿真结果与分析

a. 触发角α=30°，MATLAB仿真波形如下：

图3 α=30°单相桥式全控整流电路仿真结果（纯电阻负载）

b. 触发角α=60°，MATLAB仿真波形如下：

图4 α=60°单相桥式全控整流电流仿真结果（纯电阻负载）

c. 触发角α=90°，MATLAB仿真波形如下：

4

图5 α=90°单相桥式全控整流电路仿真结果（纯电阻负载）

d. 触发角α=120°，MATLAB仿真波形如下：

图6 α=120°单相桥式全控整流电路仿真结果（纯电阻负载）

在电源电压正半波(0~π)区间，晶闸管承受正向电压，脉冲UG在ωt=α处触发晶闸管VT1和VT4，晶闸管VT1,VT4开始导通，形成负载电流id，负载上有输出电压和电流。

在ωt=π时刻，U2=0，电源电压自然过零，晶闸管电流小于维持电流而关断，负载电流为零。

在电源电压负半波(π~2π)区间，晶闸管VT1和VT4承受反向电压而处于关断状态，晶闸管VT2和VT3承受正向电压，脉冲UG在ωt=α处触发，晶闸管VT2,VT3开始导通，形成

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负载电流id，负载上有输出电压和电流。

4小结

在单项全控桥式整流电路电阻性负载电路中（图4-1），要注意四个晶闸管1，4和晶闸管2，3的导通时间相差半个周期。

脉冲发生器参数设置公式：（1/50）*（α/360）。

在这次的电路建模、仿真与分析中，我对电路的建模仿真软件熟练了很多，对电路的了解与分析也加深了很多，比如晶闸管压降的变化，负载电流的变化。

二、 单相桥式全控整流电路(阻-感性负载)

1.电路的结构与工作原理 1.1电路结构

IdT+-VT1aVT3U1U2bVT2VT4UdR

图7 单相桥式全控整流电路(阻-感性负载)的电路原理图

1.2 工作原理

（1）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。

（2）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。

（3）在u2负半波的（π~π+α）区间：当ωt=π时，电源电压自然过零，

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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。

（4）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。晶闸管承受的最大正、反向电压

1.3基本数量关系

a.直流输出电压平均值

Ud12U2sintd(t)22U2cos

0.9U2cosb.输出电流平均值

Id2.建模

Ud R在MATLAB新建一个Model，命名为dianlu5，同时模型建立如下图所示

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图8 单相桥式全控整流电路(阻-感性负载)的MATLAB仿真模型

2.1模型参数设置

a.交流电源参数

b.同步脉冲信号发生器参数

c.电阻电感参数

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d.示波器参数

示波器五个通道信号依次是：①通过晶闸管电流Ial；②晶闸管电压Ual；③电源电流i2④通过负载电流Id；⑤负载两端的电压Ud。

3 仿真结果与分析

a. 触发角α=30°，MATLAB仿真波形如下：

图9 α=30°单相桥式全控整流电路仿真结果（阻-感性负载） b. 触发角α=60°，MATLAB仿真波形如下：

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图10 α=60°单相桥式全控整流电路仿真结果（阻-感性负载）

c. 触发角α=90°，MATLAB仿真波形如下：

图11 α=90°单相桥式全控整流电路仿真结果（阻-感性负载）

d. 触发角α=120°，MATLAB仿真波形如下：

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图12 α=120°单相桥式全控整流电路仿真结果（阻-感性负载）

4小结

由于电感的作用，输出电压出现负波形；当电感无限大时，控制角α在0~90°之间变化时，晶闸管导通角θ=π，导通角θ与控制角α无关。输出电流近似平直，流过晶闸管和变压器副边的电流为矩形波。α=120°时的仿真波形，此时的电感为有限值，晶闸管均不通期间，承受二分之一的电源电压。

三、 单相桥式全控整流电路(反电动势负载)

1.电路的结构与工作原理 1.1电路结构

IdT+-VT1aVT3RU1U2bVT2VT4UdE

图13 单相桥式全控整流电路（反电动势负载）的电路原理图

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1.2 工作原理

当整流电压的瞬时值ud小于反电势E 时，晶闸管承受反压而关断，这使得晶闸管导通角减小。晶闸管导通时，ud=u2，晶闸管关断时，ud=E。与电阻负载相比晶闸管提前了电角度δ停止导电，δ称作停止导电角。

arcsinE 2U2 若α <δ时，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，保证当晶闸管开始承受正电压时，触发脉冲仍然存在。这样，相当于触发角被推迟，即α=δ。 2.建模

在MATLAB新建一个Model，命名为dianlu6，同时模型建立如下图所示：

图14 单相桥式全控整流电路（反电动势负载）的MATLAB仿真模型

2.1模型参数设置

a.交流电源参数

12

b.同步脉冲信号发生器参数

13

c.电阻、反电动势参数

d.示波器参数

示波器五个通道信号依次是：①通过晶闸管VT1.VT4电流Ial；②晶闸管VT1.VT4电压Ual；③电源电流i2④通过负载电流Id；⑤负载两端的电压Ud;○6通过晶闸管VT2.VT3电流电压。

3 仿真结果与分析

a. 触发角α=30°，MATLAB仿真波形如下：

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图15 α=30°单相桥式全控整流电路仿真结果（反电动势负载）

b. 触发角α=60°，MATLAB仿真波形如下：

图16 α=60°单相桥式全控整流电路仿真结果（反电动势负载）

c. 触发角α=90°，MATLAB仿真波形如下：

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图17 α=90°单相桥式全控整流电路仿真结果（反电动势负载）

d. 触发角α=120°，MATLAB仿真波形如下：

图18 α=120°单相桥式全控整流电路仿真结果（反电动势负载）

4小结

单相全控桥式整流电路主要适用于4KW左右的整流电路，与单相半波可控整流电路相

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比，整流电压脉动减小，美周期脉动俩次。变压器二次侧流过正反俩个方向的电流，不存在直流磁化，利用率高。

四、 单相桥式全控整流电路(阻-感性负载加续流二极管)

1.电路的结构与工作原理 1.1电路结构

IT1T+-VT1IT3aVT3IDLVDUdRI2U2U1bVT2VT4

图19 单相桥式全控整流电路（阻-感性负载加续流二极管）的电路原理图

1.2 工作原理

（1）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，电感处于充电状态。

（2）在u2负半波的（π~π+α）区间：当ωt=π时，电源电压自然过零，电感处于放电状态，上负下正使续流二极管导通，晶闸管VT1、VT4、 VT2、VT3即关断状态。

（3）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、

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VT3一直要导通到下一周期ωt=2π+α，电源电压自然过零，电感处于放电状态。 2.建模

在MATLAB新建一个Model，命名为dianlu7，同时模型建立如下图所示：

图20 单相桥式全控整流电路（阻-感性负载加续流二极管）

2.1模型参数设置

a.交流电源参数

b.同步脉冲信号发生器参数

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c.续流二极管参数

d.电阻、电感参数

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e. 示波器五个通道信号依次是：①通过晶闸管VT1.VT4电流Ial；②晶闸管VT1.VT4电压Ual；

6通过晶闸管VT2.VT3电流电压。③电源电流i2④通过负载电流Id；⑤负载两端的电压Ud;○

7续流二极管的电流。 ○

3 仿真结果与分析

a. 触发角α=30°，MATLAB仿真波形如下

图21 α=30°单相桥式全控整流电路仿真结果(阻-感性负载加续流二极管) b. 触发角α=60°，MATLAB仿真波形如下：

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图22 α=60°单相桥式全控整流电路仿真结果(阻-感性负载加续流二极管)

c. 触发角α=90°，MATLAB仿真波形如下：

图23 α=90°单相桥式全控整流电路仿真结果(阻-感性负载加续流二极管)

d. 触发角α=120°，MATLAB仿真波形如下：

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图24 α=120°单相桥式全控整流电路仿真结果(阻-感性负载加续流二极管)

4小结

五．总结

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