单相桥式全控整流电路(纯电阻_阻感_续流二极管_反电动势).doc

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： 08
成 员：

金华职业技术学院信息工程学院
年 月 日

II
II
目录

一. 单相桥式全控整流电路(电阻性负载) - 1 -
1. 电路的结构与工作原理 - 1 -
2. 单相桥式全波整流电路建模 - 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 - 8 -
3. 仿真结果与分析 -10-
4. 小结 - 12 -
三. 单相桥式全控整流电路（反电势负载） - 12 -
1. 电路的结构与工作原理 - 12 -
2. 建模 - 13 -
3. 仿真结果与分析 - 15-
4. 小结： - 18 -
四． 单向桥式全控整流电路(阻-感性负载加续流二极管) - 18 -
1. 电路的结构与工作原理 - 18 -
2. 建模 - 18 -
3. 仿真结果与分析 -21-
4. 小结……………………………………………………………………………….....- 23 -
五. 总结： ………………………………………………………………………………….- 23 -
图索引

图 1 单相桥式全控整流电路(电阻性负载)的电路原理图 - 1 -
图 2 单相桥式全控整流电路(电阻性负载)的MATLAB仿真模型 - 2-
图 3 α=20°单相桥式全控整流电路仿真结果(电阻性负载) -4 -
图 4 α=60°单相桥式全控整流电路仿真结果(电阻性负载) - 5 -
图 5 α=90°单相桥式全控整流电路仿真结果(电阻性负载) - 5 -
图 6 α=150°单相桥式全控整流电路仿真结果(电阻性负载) - 6 -
图 7 单相桥式全控整流电路(阻-感性负载)的电路原理图 - 7 -
图8 单相桥式全控整流电路(阻-感性负载)的MATLAB仿真模型 - 8 -
图9 α=30°单相桥式全控整流电路仿真结果(阻-感性负载) - 10 -
图10 α=50°单相桥式全控整流电路仿真结果(阻-感性负载) - 11 -
图 11 α=90°单相桥式全控整流电路仿真结果(阻-感性负载) - 11 -
图12 α=150°单相桥式全控整流电路仿真结果(阻-感性负载). . . . . . . . . . . . . . . - 12 -
图 13单相桥式全控整流电路反电势负载)的电路原理图 - 13 -
图14 单相桥式全控整流电路(反电势负载)的MATLAB仿真模型 - 14 -
图15 α=30°单相桥式全控整流电路仿真结果(反电势负载) - 16-
图16 α=50°单相桥式全控整流电路仿真结果反电势负载) - 16 -
图 17 α=90°单相桥式全控整流电路仿真结果(反电势负载) - 17 -
图18 α=150°单相桥式全控整流电路仿真结果(反电势负载). . . . . . . . . . . . . . . - 17 -
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 - 18-
图 20 单相桥式全控整流电路(阻-感性负载加续流二极管)的MATLAB仿真模型 - 19 -
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) - 21 -
图 22 α=50°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) - 22 -
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) - 22 -
图 24 α=150°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) - 23-
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(电阻性负载)
1.电路的结构与工作原理
1.1电路结构

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
在电源电压正半波，在wt＜α时，晶闸管VT1，VT4承受正向电压，晶闸管VT2，VT3承受反向电压，此时4个晶闸管都不导通，且假设4个晶闸管的漏电阻相等，则ut1(4)=ut2(3)=1/2U2；在wt=α时，晶闸管VT1，VT4满足晶闸管导通的两条件，晶闸管VT1，VT4导通，负载上的电压等于变压器两端的电压U2；在wt=π时，因电源电压过零，通过晶闸管VT1，VT4的阳极电流小于维持晶闸管导通的条件下降为零，晶闸管关断；在电源负半波，在wt＜α+π时，触发晶闸管VT2，VT3使其元件导通，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。此时电源电压反向施加到晶闸管VT1，VT4，使其承受反向电压而处于关断状态；在wt=2π时，因电源电压过零，通过晶闸管VT2，VT3的阳极电流小于维持晶闸管导通的条件下降为零，晶闸管关断。
1.3基本数量关系
a.直流输出电压平均值

b.输出电流平均值

c.负载电压有效值

d.负载电流有效值

2. 单相桥式全控整流电路建模
在MATLAB新建一个Model，命名为quankong1，同时模型建立如下图所示：

图 2 单相桥式全控整流电路(电阻性负载)的MATLAB仿真模型
2.1模型参数设置
在此电路中，输入电压的电压设置为220V，频率设置为50Hz，电阻阻值设置为1欧姆，电感设置为1e-3H，脉冲输入的电压设置为3V，周期设置为0.02（与输入电压一致周期），占空比设置为10%，触发角分别设置为20°，60°，90°，150°因为两个晶闸管在对应时刻不断地周期性交替导通，关断，所以脉冲出发周琴应相差180°。
a.交流电源参数

b.同步脉冲信号发生器参数

c.负载上的参数设置

d.示波器参数
示波器五个通道信号从上到下依次是：1.通过晶闸管电流；2.晶闸管电压；3.输入电流4.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=20°，MATLAB仿真波形如下

图 3 α=20°单相桥式全控整流电路仿真结果(电阻性负载)

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路仿真结果(电阻性负载)
c. 触发角α=90°，MATLAB仿真波形如下

图 5 α=90°单相桥式全控整流电路仿真结果(电阻性负载)

d. 触发角α=150°，MATLAB仿真波形如下

图 6 α=150°单相桥式全控整流电路仿真结果(电阻性负载)
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，晶闸管开始导通，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，晶闸管承受反向电压而处于关断状态，负载上没有输出电压，负载电流为零，晶闸管上电压波形与电源电压波形相同。情况一直持续到电源的下个周期的正半波，脉冲信号的来临。
4小结
在此电路中尽管电路的输入电压U2是交变的，但负载上正负两个半波内均有相同方向的电流流过，输出电压一个周期内脉动两次，由于桥式整流电路在正负半周期均能工作，变压器二次绕组在正负班子均有大小相等，方向相反的电流流过，消除了变压器的直流磁化，提高了变压器的有效利用率。
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

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，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

b.输出电流平均值

2.建模
在MATLAB新建一个Model，命名为，同时模quankong2, 同时模型建立如下图所示：

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
在此电路中，输入电压的电压设置为220V，频率设置为50Hz，电阻阻值设置为1欧姆，电感设置为1e-3H，脉冲输入的电压设置为3V，周期设置为0.02（与输入电压一致周期），占空比设置为10%，触发角分别设置为30°，50°，90°，150°，因为两个晶闸管在对应时刻不断地周期性交替导通，关断，所以脉冲出发周琴应相差180°
a.交流电源参数

b.同步脉冲信号发生器参数

c.负载上的参数设置

d.示波器参数
示波器五个通道信号从上到下依次是：1.通过晶闸管电流；2.晶闸管电压；3.输入电流.； 4.通过负载电流Id；6.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=50°，MATLAB仿真波形如下

图 10 α=50°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=150°，MATLAB仿真波形如下

图 12 α=150°单相桥式全控整流电路仿真结果(阻感性负载)
4小结
通过仿真可知，由于电感的作用，输出电压出现负波形，当电感无限增大时，控制角a在0~90°之间变化时，晶闸管导通角θ=180°，导通角θ与控制角a无关。
经过自己仿真，在设置脉冲时，不同信号对的晶闸管要给予的脉冲相差180°，无论控制角α多大，输出电流波形因电感很大而呈一水平线，在电源输出反向电压时，晶闸管组还没有脉冲，由于有电感的存在，电感性负载仍有电流通过，所以通过电阻的电流不变。

三、单相桥式全控整流电路(反电势负载)
1.电路的结构与工作原理
1.1电路结构

图 13 单相桥式全控整流电路(反电势负载)的电路原理图

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。
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quankong3，同时模型建立如下图所示：

图 14 单相桥式全控整流电路(反电势负载)的MATLAB仿真模型
2.1模型参数设置
在此电路中，输入电压的电压设置为220V，频率设置为50Hz，电阻阻值设置为1欧姆，电感设置为1e-3H，脉冲输入的电压设置为3V，周期设置为0.02（与输入电压一致周期），占空比设置为10%，触发角分别设置为30°，50°，90°，150°因为两个晶闸管在对应时刻不断地周期性交替导通，关断，所以脉冲出发周琴应相差180°。
a.交流电源参数

b.同步脉冲信号发生器参数

c.负载上的参数设置

d.示波器参数
示波器五个通道信号从上到下依次是：1.通过晶闸管电流；2.晶闸管电压；3.输入电流.； 4.通过负载电流Id；6.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 15 α=30°单相桥式全控整流电路仿真结果(反电势负载)
b. 触发角α=50°，MATLAB仿真波形如下

图 16 α=50°单相桥式全控整流电路仿真结果(反电势负载)
c. 触发角α=90°，MATLAB仿真波形如下

图 17 α=90°单相桥式全控整流电路仿真结果(反电势负载)
d. 触发角α=150°，MATLAB仿真波形如下

图 18 α=150°单相桥式全控整流电路仿真结果(反电势负载)
4小结
此电路中当电枢电感不足够大时，输出电流波形断续，使晶闸管-电动势系统的机械性变软，为此通常在负载回路串接平波电抗器以减小电流脉动，延长晶闸管导通时间，如果电感足够大，电流就能连续。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

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（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， 电流流经续流二极管续流。
（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。同时二极管也受反向电压而处于关断状态。
（3）在u2负半波的（π～π+α）区间：当ωt=π时，电源电压自然过零，电感释放能量， 电流流经续流二极管续流。过零变负时，负载电流经续流二极管，使桥路直流输出只有1V左右的压降，迫使晶闸管串联电路中的电流减小到维持电流以下，使晶闸管关断。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。此后重复此过程。
2.建模
在MATLAB新建一个Model，命名为，同时模quankong3, 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)的MATLAB仿真模型
2.1模型参数设置
在此电路中，输入电压的电压设置为220V，频率设置为50Hz，电阻阻值设置为1欧姆，电感设置为1e-3H，脉冲输入的电压设置为3V，周期设置为0.02（与输入电压一致周期），占空比设置为10%，触发角分别设置为30°，50°，90°，150°因为两个晶闸管在对应时刻不断地周期性交替导通，关断，所以脉冲出发周琴应相差180°。
a.交流电源参数

b.同步脉冲信号发生器参数

c.负载上的参数设置

d.示波器参数
示波器五个通道信号从上到下依次是：1.通过晶闸管电流；2.晶闸管电压；3.输入电流.； 4.通过负载电流Id；6.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 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=50°，MATLAB仿真波形如下

图 22 α=50°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=150°，MATLAB仿真波形如下

图 24 α=150°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
通过仿真单向桥式全控整流电路（阻感性负载）可知，由于电感的作用，输出电压出现负波形，而我们为了出去负载上面的负电压就加上续流二极管就行续流。续流二极管在这里的作用是当输入电流减小到一定程度时，因为电感的作用会继续产生一个回路电流，这个回路是从电感→电阻→续流二极管→电感。这样就使晶闸管与二极管串联电路中的电流减小到维持电流一下，使晶闸管关断，这样就不会出现负向的电压了。
五、总结
整个单向桥式全控整流电路仿真做下来我们知道当其带电阻性负载时电路中尽管电路的输入电压U2是交变的，但负载上正负两个半波内均有相同方向的电流流过，输出电压一个周期内脉动两次，由于桥式整流电路在正负半周期均能工作，变压器二次绕组在正负班子均有大小相等，方向相反的电流流过，消除了变压器的直流磁化，提高了变压器的有效利用率。而当我们再加上电感时通过仿真可知，由于电感的作用，输出电压出现负波形，在电源输出反向电压时，晶闸管组还没有脉冲，由于有电感的存在，电感性负载仍有电流通过，通过电阻的电流不变。而我们为了出去负载上面的负电压就加上续流二极管就行续流。续流二极管在这里的作用是当输入电流减小到一定程度时，因为电感的作用会继续产生一个回路电流，这个回路是从电感→电阻→续流二极管→电感。这样就使晶闸管与二极管串联电路中的电流减小到维持电流一下，使晶闸管关断，这样就不会出现负向的电压了 而当我们在电阻性负载上面再加一个反电势时，电路中当电枢电感不足够大时，输出电流波形断续，使晶闸管-电动势系统的机械性变软，为此通常在负载回路串接平波电抗器以减小电流脉动，延长晶闸管导通时间，如果电感足够大，电流就能连续。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。

24
24