电力电子仿真

电力电子计算机仿真题目：晶闸管单相桥式整流可控整流电路的设计与仿真姓名：毛宣霖学号：10230418专业班级：控制工程基地（1）班指导老师：杨巧玲学院：电气工程与信息工程学院摘要本次课程设计只要是对单相全控桥式晶闸管整流电路的研究。

首先对几种典型的整流电路的介绍，从而对比出桥式全控整流的优点，然后对单相全控桥式晶闸管整流电路的整体设计，包括主电路，触发电路，保护电路。

主电路中包括电路参数的计算，器件的选型；触发电路中包括器件选择，参数设计；保护电路包括过电压保护，过电流保护。

之后就对整体电路进行Matlab仿真，最后对仿真结果进行分析与总结。

关键词：单相全控桥；晶闸管；整流目录第一章绪论 (1)1.1 电力电子技术的发展 (1)1.2 电力电子技术的应用 (1)1.3 电力电子技术课程中的整流电路 (2)第二章设计要求 (3)第三章系统方案的选择 (4)第四章单项全控整流电路的工作原理 (6)4.1 系统总设计框图 (6)4.2 系统主体电路原理及说明 (6)4.3 系统的元器件选择 (7)4.4 整流电路的参数计算 (10)第五章系统MATLAB仿真 (12)5.1 MATLAB软件介绍 (12)5.2 参数设置 (13)5.3单相桥式电阻性负载全控整流电路 (14)5.3.1仿真结果图 (16)5.3.2仿真分析 (18)5.4单相桥式阻感性负载全控整流电路 (19)5.4.1仿真结果图 (19)5.4.2仿真分析 (23)5.5单相桥式反电势全控整流电路 (24)5.5.1仿真结果图 (24)5.5.2仿真分析 (27)5.6单相桥式全控整流电路（阻感性负载加续流二极管） (28)5.6.1仿真结果图 (28)5.6.2 仿真分析 (32)第六章设计总结 (33)参考文献 (34)第1章绪论1.1 电力电子技术的发展晶闸管出现前的时期可称为电力电子技术的史前期或黎明时期。

晶闸管由于其优越的电气性能和控制性能，使之很快就取代了水银整流器和旋转变流机组。

并且，其应用范围也迅速扩大。

电力电子技术的概念和基础就是由于晶闸管及晶闸管变流技术的发展而确立的。

晶闸管是通过对门极的控制能够使其导通而不能使其关断的器件，属于半控型器件。

对晶闸管电路的控制方式主要是相位控制式，简称相控方式。

晶闸管的关断通常依靠电网电压等外部条件来实现。

这就使得晶闸管的应用受到了很大的局限。

70年代后期，以门极可关断晶闸管（GTO）、电力双极型晶体管（BJT）和电力场效应晶体管（Power-MOSFET）为代表的全控型器件迅速发展。

全控型器件的特点是，通过对门极（基极、栅极）的控制既可使其开通又可使其关断。

在80年代后期，以绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）为表的复合型器件异军突起。

它是MOSFET和BJT的复合，综合了两者的优点。

与此相对，MOS控制晶闸管（MCT）和集成门极换流晶闸管（IGCT）复合了MOSFET和GTO。

1.2 电力电子技术的应用电力电子技术是一门新兴技术，它是由电力学、电子学和控制理论三个学科交叉而成的，在电气自动化专业中已成为一门专业基础性强且与生产紧密联系的不可缺少的专业基础课。

本课程体现了弱电对强电的控制，又具有很强的实践性。

能够理论联系实际，在培养自动化专业人才中占有重要地位。

它包括了晶闸管的结构和分类、晶闸管的过电压和过电流保护方法、可控整流电路、晶闸管有源逆变电路、晶闸管无源逆变电路、PWM控制技术、交流调压、直流斩波以及变频电路的工作原理。

在电力电子技术中，可控整流电路是非常重要的内容，整流电路是将交流电变为直流电的电路，其应用非常广泛。

工业中大量应用的各种直流电动机的调速均采用电力电子装置；电气化铁道（电气机车、磁悬浮列车等）、电动汽车、飞机、船舶、电梯等交通运输工具中也广泛采用整流电力电子技术；各种电子装置如通信设备中的程控交换机所用的直流电源、大型计算机所需的工作电源、微型计算机内部的电源都可以利用整流电路构成的直流电源供电，可以说有电源的地方就有电力电子技术的设备。

1.3 电力电子技术课程中的整流电路整流电路按组成的器件不同，可分为不可控、半控与全控三种，利用晶闸管半导体器件构成的主要有半控和全控整流电路；按电路接线方式可分为桥式和零式整流电路；按交流输入相数又可分为单相、多相（主要是三相）整流电路。

正是因为整流电路有着如此广泛的应用，因此整流电路的研究无论在是从经济角度，还是从科学研究角度上来讲都是很有价值的。

本设计正是结合了Matlab仿真软件对单相半控桥式晶闸管整流电路进行分析。

第二章设计要求计算机仿真具有效率高，精度高，可控性高和成本低等特点，已经广泛应用与电力电子电路的分析和设计中。

计算机仿真不仅可以取代系统的许多繁琐的人工分析，减轻劳动强度，提高分析和设计能力，避免因为解释法在近似处理中带来的较大误差，还可以与实物调制和调试相互补充，最大限度地降低设计成本，缩短系统研制周期。

可以说，电路的计算机仿真技术大大加速了电路的设计和试验过程。

通过本次仿真，学生可以初步认识电力电子计算机仿真的优势，并掌握电力电子计算机仿真的基本方法。

1，晶闸管单相全控桥式整流电路，参数要求：电网频率 f=50Hz电网额定电压 U1=380V电网电压波动正负10%阻感性负载电压 0——190V可调。

2设计内容（1）制定设计方案（2）主电路设计及主电路元件选择（3）驱动电路和保护电路设计及参数计算，器件选择（4）绘制电路原理图（5）总体电路原理图及其说明书3仿真任务要求（1）熟悉matlab、simulink、power system中的仿真模块用法及功能（2）根据设计电路搭建仿真模型（3）设置参数并进行仿真（4）给出不同触发角时对应的Ud Id i2 和Ivt1 的波形4 设计总体要求（1）熟悉整理和触发电路的基本原理，能够运用所学的理论知识分析设计任务（2）掌握基本电路的数据分析，处理；描绘波形并加以判断（3）能正确设计电路，画出线路图，分析电路原理（4）广泛收集相关技术资料第三章系统方案的选择整流电路对比我们知道，单相整流电路形式是各种各样的，可分为单相桥式相控整流电路和单相桥式半控整流电路，整流的结构也是比较多的。

因此在做设计之前我们主要考虑了以下几种方案：方案一：单相桥式半控整流电路电路简图如图3-1：图3-1 单相桥式半控整流电路对每个导电回路进行控制，相对于全控桥而言少了一个控制器件，用二极管代替，有利于降低损耗！如果不加续流二极管，当α突然增大至180°或出发脉冲丢失时，由于电感储能不经变压器二次绕组释放，只是消耗在负载电阻上，会发生一个晶闸管导通而两个二极管轮流导通的情况，这使ud成为正弦半波，即半周期ud为正弦，另外半周期为ud为零，其平均值保持稳定，相当于单相半波不可控整流电路时的波形，即为失控。

所以必须加续流二极管，以免发生失控现象。

方案二：单相桥式全控整流电路电路简图如图3-2：图3-2 单相桥式全控整流电路此电路对每个导电回路进行控制，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。

方案三：单相半波可控整流电路：电路简图如图3-3：图 3-3 单相半波可控整流电路此电路只需要一个可控器件，电路比较简单，VT的a 移相范围为180 。

但输出脉动大，变压器二次侧电流中含直流分量，造成变压器铁芯直流磁化。

为使变压器铁心不饱和，需增大铁心截面积，增大了设备的容量。

实际上很少应用此种电路。

方案四：单相全波可控整流电路：电路简图如图3-4：图 3-4 单相全波可控整流电路此电路变压器是带中心抽头的，结构比较复杂，只要用2个可控器件，单相全波只用2个晶闸管，比单相全控桥少2个，因此少了一个管压降，相应地，门极驱动电路也少2个，但是晶闸管承受的最大电压是单相全控桥的2倍。

不存在直流磁化的问题，适用于输出低压的场合作电流脉冲大（电阻性负载时），且整流变压器二次绕组中存在直流分量,使铁心磁化，变压器不能充分利用。

而单相全控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。

相同的负载下流过晶闸管的平单相全控式整流电路其输出平均电压是半波整流电路2倍，在均电流减小一半；且功率因数提高了一半。

综上所述，针对他们的优缺点，我们采用方案二，即单相桥式全控整流电路。

第四章 单项全控整流电路的工作原理4.1系统总设计框图系统原理方框图如4.1所示：图4.1系统原理方框图4.2系统主体电路原理及说明TLu(a)图4.2阻感性负载电路（a ）工作波形（b ）假设，工作于稳定状态，负载电流连续，近似为一平直的直线。

R L >>ω(1) 工作原理在电源电压2u 正半周期间，VT1、VT2承受正向电压，若在αω=t 时触发，VT1、VT2导通，电流经VT1、负载、VT2和T 二次侧形成回路，但由于大电感的存在，2u 过零变负时，电感上的感应电动势使VT1、VT2继续导通，直到VT3、VT4被触发导通时，VT1、VT2承受反相电压而截止。

输出电压的波形出现了负值部分。

在电源电压2u 负半周期间，晶闸管VT3、VT4承受正向电压，在απω+=t 时触发，VT3、VT4导通，VT1、VT2受反相电压截止，负载电流从VT1、VT2中换流至VT3、VT4中在πω2=t 时，电压2u 过零，VT3、VT4因电感中的感应电动势一直导通，直到下个周期VT1、VT2导通时，VT3、VT4因加反向电压才截止。

值得注意的是，只有当2πα≤时，负载电流d i 才连续，当2πα>时，负载电流不连续，而且输出电压的平均值均接近零，因此这种电路控制角的移相范围是20π-。

4.3主电路元器件选择 1）晶闸管的结构晶闸管是大功率器件，工作时产生大量的热，因此必须安装散热器。

引出阳极A 、阴极K 和门极（或称栅极）G 三个联接端。

内部结构:四层三个结如图2.2 2）晶闸管的工作原理图晶闸管由四层半导体（P 1、N 1、P 2、N 2）组成，形成三个结J 1（P 1N 1）、J 2（N 1P 2）、J 3（P 2N 2），并分别从P 1、P 2、N 2引入A 、G 、K 三个电极，如图1.2(左)所示。

由于具有扩散工艺，具有三结四层结构的普通晶闸管可以等效成如图2.3（右）所示的两个晶闸管T 1（P 1-N 1-P 2）和（N 1-P 2-N 2）组成的等效电路。

图1晶闸管内部结构及等效电路 3）晶闸管的门极触发条件（1）: 晶闸管承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通； （2）：晶闸管承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能导通； （3）：晶闸管一旦导通门极就失去控制作用； （4）：要使晶闸管关断，只能使其电流小到零一下。