单项桥式全控整流电路
设计报告
院 系：信息工程学院
班 级：自动化（1）班
姓 名： 学 号： 指导老师：
日 期：2011、04、05
摘要
本文以单项桥式全控整流电路为研究对象，介绍了单项桥式全控整流电路的工作原理，并对MATLAB/Simulink模块中电力电子仿真所需要的电力系统模块做了简要的说明，介绍了单项桥式全控整流电路的主要环节及工作原理，并且分析几种常用的触发角，在此基础上运用MATlAB软件分别对电路的仿真进行了设计；实现了对单项桥式全控整流电路的仿真，并对仿真结果进行分析。
关键词：单项桥式全控整流电路，晶闸管，额定电流，MATLAB，波形，仿真设计。
目录
摘要............................................................................................. (2) 一设计目的 ..............................................................................(4) 二设计内容 ............................................................ .....................(4) 1 理论设计...............................................................................（4） 1.1单项桥式全控整流电路带电阻性负载电路分析 ..................................................................................................（4） 1.2 工作原理......................................................................(5) 1.3 参数计算......................................................................(6) 2 仿真实验 .....................................................................(6) 2.1 MATLAB建模...................................................................(6) 2.2 仿真与分析 .............................................................(7) 3 实际操作 ......................................................... .........(8) 三 原件参数设置........................................................................... (9) 四 仿真过程总结..........................................................................(13) 五 参考文献...............................................................................(14)
一.设计目的
1.掌握单项桥式全控整流电路的工作原理，综合运用所学知识，进行单项桥式全控整流电路和系统设计。
2.熟悉单项桥式全控整流电路的电路拓扑、控制方法。
3.掌握单向桥式全控整流电路及系统的主电路、控制电路和保护电路的设计方发，掌握元器件的选择计算方法。
4.培养一定的电力电子电路及系统实验和调试能力。
二.设计内容
1 理论设计
1.1 单项桥式全控整流电路带电阻性负载电路分析
单项桥式全控整流电路带电阻性负载电路如图（1）：
id
R
图（1）
在单项桥式全控整流电路中，晶闸管VT1和VT4组成一对桥臂，VT2和VT3 组成另一对桥臂。在u2正半周（即a点电位高于b点电位），若4个晶闸管均不导通，负载电流id为零，ud也为零，VT1、VT4串联承受电压u2，设VT1和VT4的漏电阻相等，则各承受u2的一半。若在触发角α处给VT1和VT4加触发脉冲，VT1、VT4即导通，电流从a端经VT1、R、VT4流回电源b端。当u2为零时，流经晶闸管的电流也降到零，VT1和VT4关断。
在u2负半周，仍在触发延迟角α处触发VT2和VT3（VT2和VT3的α=0处为ωt=π），VT2和VT3导通，电流从电源的b端流出，经VT3、R、VT2流回电源a端。到u2过零时，电流又降为零，VT2和VT3关断。此后又是VT1和VT4导通，如此
循环的工作下去，整流电压ud和晶闸管VT1、VT4两端的电压波形如下图（2）所示。晶闸管承受的最大正向电压和反向电压分别为
u 2
U2和2U2。 2
图（2）单项桥式全控整流电路带电阻负载时的波形
1.2 工作原理
第1阶段（0~ωt1）：这阶段u2在正半周期，a点电位高于b点电位晶闸管VT1和VT2方向串联后于u2连接，VT1承受正向电压为u2/2，VT2承受u2/2的反向电压；同样VT3和VT4反向串联后与u2连接，VT3承受u2/2的正向电压，VT4承受u2/2的反向电压。虽然VT1和VT3受正向电压，但是尚未触发导通，负载没有电流通过，所以Ud=0，id=0。
第2阶段（ωt1 ~π）：在ωt1 时同时触发VT1和VT3，由于VT1和VT3受正向电压而导通，有电流经a点→VT1→R→VT3→变压器b点形成回路。在这段区间里，ud=u2，id=iVT1=iVT3=ud/R。由于VT1和VT3导通，忽略管压降，uVT1=uVT2=0，而承受的电压为uVT2=uVT4=u2。
第3阶段（π~ωt2 ）：从ωt=π开始u2进入了负半周期，b点电位高于a点电位，VT1和VT3由于受反向电压而关断，这时VT1~VT4都不导通，各晶闸管承受u2/2的电压，但VT1和VT3承受的事反向电压，VT2和VT4承受的是正向电压，负载没有电流通过，ud=0，id=i2=0。
第4阶段（ωt2 ~π）：在ωt2 时，u2电压为负，VT2和VT4受正向电压，触
发VT2和VT4导通，有电流经过b点→VT2→R→VT4→a点，在这段区间里，ud=u2，id=iVT2=iVT4=i2=ud/R。由于VT2和VT4导通，VT2和VT4承受u2的负半周期电压，至此一个周期工作完毕，下一个周期，充复上述过程，单项桥式整流电路两次脉冲间隔为180°。 1.3 参数计算
整流电压平均值为：U d
1
21cos1cos
0.9U2
22
α 角的移相范围为00-1800。
2sintd(t)
向负载输出的平均电流值为： Id
UdU1cos
0.92RR2
流过晶闸管的电流平均值只有输出直流平均值的一半（因为一个周期内每个
IdVT晶闸管只有半个周期导通），即：
1U1cosId0.4522R2
2 仿真实验
利用MATLAB仿真软件对单项桥式全控整流电路和控制电路进行建模并仿真。
2.1 单相桥式全控整流电路带电阻性负载MATLAB建模
单相桥式全控整流电路带电阻性负载仿真电路图如图（3
）所示：
图（3）
2.2 仿真与分析
波形图分别代表晶体管VT上的电流、晶体管VT上的电压、电阻加电感上的电压。下列波形分别是延迟角α为30°、60°、90°、120°时的波形变化。 （1）当延迟角α=30°时，波形图如图（3
）所示：
图（3）
（2）当延迟角α=60°时，波形图如图（4
）所示：
图（4）
（3）当延迟角α=90°时，波形图如图（5）所示：
图（5）
（4）当延迟角α=120°时，波形图如图（6
）所示：
图（6）
3实际操作
利用Protel软件绘出原理图，结合具体元件管脚数、外形尺寸，考虑散热
和抗干扰等因素，设计PCB印刷电路板。最后完成系统电路的组装调试。
三 仿真模型模块的参数设置
1.交流电源
对工业交流电，电压“Peak amplitude”为220V，“Phase”为0d，其频率“Frequency”设置为50Hz，周期T=1/f=1/50=0.01s。
2.脉冲信号发生器
“pulse type”设置为Time based， “Time”设置为Use simulation time， “Amplitude”设置为1.1， “Period”设置为0.02， “Pulse Width”设置为0.001，
Pulse 参数对话框，其中相位延迟Phase delay的设置，按关系t=αT/360°计算，对电网交流电T=0.02s，当α=60°时，t=0.00333s，当α=120°时，t=0.00667s，对pulse2，相位延迟设置为0.01+0.01166。
当对α=30°仿真时，对Pulse1，相位延迟Phase delay设置为t=αT/360°
=0.00166s，对pulse2，相位延迟设置为0.01=0.00166=0.01166s。 当对α=60°仿真时，对Pulse1，相位延迟Phase delay设置为t=αT/360°=0.00333s，对pulse2，相位延迟设置为0.01=0.00333=0.01333s。 当对α=90°仿真时，对Pulse1，相位延迟Phase delay设置为t=αT/360°=0.005s，对pulse2，相位延迟设置为0.01=0.005=0.015s。
当对α=120°仿真时，对Pulse1，相位延迟Phase delay设置为t=αT/360°=0.00667s，对pulse2，相位延迟设置为0.01=0.00667=0.01667s。
3.电压测量
“Output signal”设置为complex。
4.电流测量
“Output signal”设置为complex。
5.示波器设置
在参数设置对话框中设置如下： “General”标签页： “Number of axes”设置为5 “Time range”设置为auto
“Tick labels”设置为 bottom axis only “sampling”设置为Decimation1 “data history”标签页：
“limt data porits to last”设置为5000
四 仿真过程总结
在设计建模过程中可归纳出以下几点：在单项桥式全控整流电路中，给晶闸管提供触发脉冲是设计的关键。要给定正确的触发脉冲必须熟悉单项桥式全控整流电路的原理，掌握触发脉冲的过程；建立电路的simulink模型时要特别主要避免原理性错误，对同一个电路，可以建立不同的simulink模型。本文在建立控制电路时，就采用了电路原理与simulink模块原理相结合的方法；用simulink 的菜单直接进行仿真时，要反复修改电路中各个simulink模块的参数。负载的参数也应反复调试到最佳状态。将输出电压，电流即仿真结果设置在一个示波器上，易于分析和比较，从而达到最佳设计要求，大大简化了设计流程，减轻了设计者的负担，充分体现了simulink工具的优越性。
参考文献
[1] 王兆安，刘进军 电力电子技术 .—北京：机械工业出版社，2009.5
[2] 易灵芝，邓文浪 电力电子与电机控制系统综合实验教程 .—湘潭：湘潭大学出版社，2009,9
[3] 李国勇，谢克明，杨丽娟 计算及仿真技术与CAD .—北京：电子工业出版社，2008.1
单项桥式全控整流电路
设计报告
院 系：信息工程学院
班 级：自动化（1）班
姓 名： 学 号： 指导老师：
日 期：2011、04、05
摘要
本文以单项桥式全控整流电路为研究对象，介绍了单项桥式全控整流电路的工作原理，并对MATLAB/Simulink模块中电力电子仿真所需要的电力系统模块做了简要的说明，介绍了单项桥式全控整流电路的主要环节及工作原理，并且分析几种常用的触发角，在此基础上运用MATlAB软件分别对电路的仿真进行了设计；实现了对单项桥式全控整流电路的仿真，并对仿真结果进行分析。
关键词：单项桥式全控整流电路，晶闸管，额定电流，MATLAB，波形，仿真设计。
目录
摘要............................................................................................. (2) 一设计目的 ..............................................................................(4) 二设计内容 ............................................................ .....................(4) 1 理论设计...............................................................................（4） 1.1单项桥式全控整流电路带电阻性负载电路分析 ..................................................................................................（4） 1.2 工作原理......................................................................(5) 1.3 参数计算......................................................................(6) 2 仿真实验 .....................................................................(6) 2.1 MATLAB建模...................................................................(6) 2.2 仿真与分析 .............................................................(7) 3 实际操作 ......................................................... .........(8) 三 原件参数设置........................................................................... (9) 四 仿真过程总结..........................................................................(13) 五 参考文献...............................................................................(14)
一.设计目的
1.掌握单项桥式全控整流电路的工作原理，综合运用所学知识，进行单项桥式全控整流电路和系统设计。
2.熟悉单项桥式全控整流电路的电路拓扑、控制方法。
3.掌握单向桥式全控整流电路及系统的主电路、控制电路和保护电路的设计方发，掌握元器件的选择计算方法。
4.培养一定的电力电子电路及系统实验和调试能力。
二.设计内容
1 理论设计
1.1 单项桥式全控整流电路带电阻性负载电路分析
单项桥式全控整流电路带电阻性负载电路如图（1）：
id
R
图（1）
在单项桥式全控整流电路中，晶闸管VT1和VT4组成一对桥臂，VT2和VT3 组成另一对桥臂。在u2正半周（即a点电位高于b点电位），若4个晶闸管均不导通，负载电流id为零，ud也为零，VT1、VT4串联承受电压u2，设VT1和VT4的漏电阻相等，则各承受u2的一半。若在触发角α处给VT1和VT4加触发脉冲，VT1、VT4即导通，电流从a端经VT1、R、VT4流回电源b端。当u2为零时，流经晶闸管的电流也降到零，VT1和VT4关断。
在u2负半周，仍在触发延迟角α处触发VT2和VT3（VT2和VT3的α=0处为ωt=π），VT2和VT3导通，电流从电源的b端流出，经VT3、R、VT2流回电源a端。到u2过零时，电流又降为零，VT2和VT3关断。此后又是VT1和VT4导通，如此
循环的工作下去，整流电压ud和晶闸管VT1、VT4两端的电压波形如下图（2）所示。晶闸管承受的最大正向电压和反向电压分别为
u 2
U2和2U2。 2
图（2）单项桥式全控整流电路带电阻负载时的波形
1.2 工作原理
第1阶段（0~ωt1）：这阶段u2在正半周期，a点电位高于b点电位晶闸管VT1和VT2方向串联后于u2连接，VT1承受正向电压为u2/2，VT2承受u2/2的反向电压；同样VT3和VT4反向串联后与u2连接，VT3承受u2/2的正向电压，VT4承受u2/2的反向电压。虽然VT1和VT3受正向电压，但是尚未触发导通，负载没有电流通过，所以Ud=0，id=0。
第2阶段（ωt1 ~π）：在ωt1 时同时触发VT1和VT3，由于VT1和VT3受正向电压而导通，有电流经a点→VT1→R→VT3→变压器b点形成回路。在这段区间里，ud=u2，id=iVT1=iVT3=ud/R。由于VT1和VT3导通，忽略管压降，uVT1=uVT2=0，而承受的电压为uVT2=uVT4=u2。
第3阶段（π~ωt2 ）：从ωt=π开始u2进入了负半周期，b点电位高于a点电位，VT1和VT3由于受反向电压而关断，这时VT1~VT4都不导通，各晶闸管承受u2/2的电压，但VT1和VT3承受的事反向电压，VT2和VT4承受的是正向电压，负载没有电流通过，ud=0，id=i2=0。
第4阶段（ωt2 ~π）：在ωt2 时，u2电压为负，VT2和VT4受正向电压，触
发VT2和VT4导通，有电流经过b点→VT2→R→VT4→a点，在这段区间里，ud=u2，id=iVT2=iVT4=i2=ud/R。由于VT2和VT4导通，VT2和VT4承受u2的负半周期电压，至此一个周期工作完毕，下一个周期，充复上述过程，单项桥式整流电路两次脉冲间隔为180°。 1.3 参数计算
整流电压平均值为：U d
1
21cos1cos
0.9U2
22
α 角的移相范围为00-1800。
2sintd(t)
向负载输出的平均电流值为： Id
UdU1cos
0.92RR2
流过晶闸管的电流平均值只有输出直流平均值的一半（因为一个周期内每个
IdVT晶闸管只有半个周期导通），即：
1U1cosId0.4522R2
2 仿真实验
利用MATLAB仿真软件对单项桥式全控整流电路和控制电路进行建模并仿真。
2.1 单相桥式全控整流电路带电阻性负载MATLAB建模
单相桥式全控整流电路带电阻性负载仿真电路图如图（3
）所示：
图（3）
2.2 仿真与分析
波形图分别代表晶体管VT上的电流、晶体管VT上的电压、电阻加电感上的电压。下列波形分别是延迟角α为30°、60°、90°、120°时的波形变化。 （1）当延迟角α=30°时，波形图如图（3
）所示：
图（3）
（2）当延迟角α=60°时，波形图如图（4
）所示：
图（4）
（3）当延迟角α=90°时，波形图如图（5）所示：
图（5）
（4）当延迟角α=120°时，波形图如图（6
）所示：
图（6）
3实际操作
利用Protel软件绘出原理图，结合具体元件管脚数、外形尺寸，考虑散热
和抗干扰等因素，设计PCB印刷电路板。最后完成系统电路的组装调试。
三 仿真模型模块的参数设置
1.交流电源
对工业交流电，电压“Peak amplitude”为220V，“Phase”为0d，其频率“Frequency”设置为50Hz，周期T=1/f=1/50=0.01s。
2.脉冲信号发生器
“pulse type”设置为Time based， “Time”设置为Use simulation time， “Amplitude”设置为1.1， “Period”设置为0.02， “Pulse Width”设置为0.001，
Pulse 参数对话框，其中相位延迟Phase delay的设置，按关系t=αT/360°计算，对电网交流电T=0.02s，当α=60°时，t=0.00333s，当α=120°时，t=0.00667s，对pulse2，相位延迟设置为0.01+0.01166。
当对α=30°仿真时，对Pulse1，相位延迟Phase delay设置为t=αT/360°
=0.00166s，对pulse2，相位延迟设置为0.01=0.00166=0.01166s。 当对α=60°仿真时，对Pulse1，相位延迟Phase delay设置为t=αT/360°=0.00333s，对pulse2，相位延迟设置为0.01=0.00333=0.01333s。 当对α=90°仿真时，对Pulse1，相位延迟Phase delay设置为t=αT/360°=0.005s，对pulse2，相位延迟设置为0.01=0.005=0.015s。
当对α=120°仿真时，对Pulse1，相位延迟Phase delay设置为t=αT/360°=0.00667s，对pulse2，相位延迟设置为0.01=0.00667=0.01667s。
3.电压测量
“Output signal”设置为complex。
4.电流测量
“Output signal”设置为complex。
5.示波器设置
在参数设置对话框中设置如下： “General”标签页： “Number of axes”设置为5 “Time range”设置为auto
“Tick labels”设置为 bottom axis only “sampling”设置为Decimation1 “data history”标签页：
“limt data porits to last”设置为5000
四 仿真过程总结
在设计建模过程中可归纳出以下几点：在单项桥式全控整流电路中，给晶闸管提供触发脉冲是设计的关键。要给定正确的触发脉冲必须熟悉单项桥式全控整流电路的原理，掌握触发脉冲的过程；建立电路的simulink模型时要特别主要避免原理性错误，对同一个电路，可以建立不同的simulink模型。本文在建立控制电路时，就采用了电路原理与simulink模块原理相结合的方法；用simulink 的菜单直接进行仿真时，要反复修改电路中各个simulink模块的参数。负载的参数也应反复调试到最佳状态。将输出电压，电流即仿真结果设置在一个示波器上，易于分析和比较，从而达到最佳设计要求，大大简化了设计流程，减轻了设计者的负担，充分体现了simulink工具的优越性。
参考文献
[1] 王兆安，刘进军 电力电子技术 .—北京：机械工业出版社，2009.5
[2] 易灵芝，邓文浪 电力电子与电机控制系统综合实验教程 .—湘潭：湘潭大学出版社，2009,9
[3] 李国勇，谢克明，杨丽娟 计算及仿真技术与CAD .—北京：电子工业出版社，2008.1