matlab仿真单相桥式全控整流电路教学文稿.docx
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matlab仿真单相桥式全控整流电路教学文稿
matlab仿真——单相桥式全控整流电路
电子信息系统仿真与设计
课程设计报告
设计课题:
单相桥式全控整流电路
姓名:
学院:
信息工程学院
专业:
电子信息科学与技术
班级:
09级
学号:
日期
2010-2011第三学期
指导教师:
李光明张军蕊
山东大学威海分校信息工程学院
单相桥式全控整流电路
一、问题描述及工作原理
1、单相桥式全控整流电路（电阻性负载）
单相桥式全控整流电路（电阻性负载）如图1所示，电路由交流电源、整流变压器、晶闸管、负载以及触发电路组成。
我所要分析的问题是α为不同值时，输出电压及电流的波形变化。
图1
其工作原理如下：
（1）在u2正半波的（０～α）区间，晶闸管VT1、VT4承受正向电压，但无触发脉冲，晶闸管VT2、VT3承受反向电压。
因此在0～α区间，4个晶闸管都不导通。
假如4个晶闸管的漏电阻相等，则Ut1.4=Ut2.3=1/2u2。
（2）在u2正半波的（α～π）区间，在ωｔ＝α时刻，触发晶闸管VT1、VT4使其导通。
（3）在u2负半波的（π～π＋α）区间，在π～π＋α区间，晶闸管VT2、VT3承受正向电压，因无触发脉冲而处于关断状态，晶闸管VT1、VT4承受反向电压也不导通。
（4）在u2负半波的（π＋α～２π）区间，在ωｔ＝π＋α时刻，触发晶闸管VT2、VT3使其元件导通，负载电流沿b→VT3→R→VT2→α→T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。
2、单相桥式全控整流电路（阻-感性负载）
单相桥式全控整流电路（阻-感性负载）如图2所示：
图2
其工作原理如下：
（1）在电压u2正半波的（0~α）区间。
晶闸管VT1、VT4承受正向电压，但无触发脉冲，VT1、VT4处于关断状态。
假设电路已经工作在稳定状态，则在0~α区间由于电感的作用，晶闸管VT2、VT3维持导通。
（2）在u2正半波的（α~π）区间。
在ωt=α时刻，触发晶闸管VT1、VT4使其导通，负载电流沿a→VT1→L→R→VT4→b→T的二次绕组→a流通，此时负载上有输出电压（ud=u2）和电流。
电压u2反向施加到晶闸管VT2、VT3上，使其承受反向电压而处于关断状态。
（3）在电压u2负半波的（π~π+α）区间。
当ωt=π时，电源电压自然过零，感应电势是晶闸管VT1、VT4继续导通。
在电源电压负半波，晶闸管VT2、VT3承受正向电压，因无触发脉冲，VT2、VT3处于关断状态。
（4）u2负半波的（π+α~2π）区间。
在ωt=π+α时刻，触发晶闸管VT2、VT3使其导通，负载电流沿b→VT3→L→R→VT2→a→T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。
此时电源电压反向施加到晶闸管VT1、VT4上，使其承受反向电压而关断。
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。
二、建立仿真模型及仿真实现
根据电路图对其建立仿真模型，并对其进行参数设置，将电源电压幅值设置为141v，频率设为50Hz，脉冲发生器的频率设为100Hz，晶闸管控制角α以脉冲的延迟时间t表示，例如：
取α=30°时，对应时间为t=0.02*30/360=0.02/12s，脉冲宽度用脉冲周期的百分比表示，取10%即可。
1、单相桥式全控整流电路（电阻性负载）
串联RLC支路为纯电阻电路，即为单相桥式全控整流电路的电阻性负载情况，将电阻设置为2Ω，并设置仿真结束时间为0.06s，仿真模型电路如图3：
图3
α=30°时，可得到仿真结果如图：
图4
改变α的值分别为60°（图5），90°（图6），120°（图7），得到的仿真结果分别如图：
图5
图6
图7
2、单相桥式全控整流电路（阻-感性负载）
串联支路为R和L时，为单相桥式全控整流电路的阻-感性负载情况，将L设置为1e-3，R设置为2Ω，其他参数设置与电阻性负载情况相同，建立的仿真模型电路如图8：
图8
取α=30°时，仿真结果如图9：
图9
当α分别取60°（图10），90°（图11），120°（图12）时，仿真结果分别如图：
图10
图11
图12
三、仿真结果分析及总结
1、仿真结果分析
从上面的仿真结果可以看出，仿真的结果与理论分析的结果基本一致：
第一，带电阻负载时，电源电压过零时，晶闸管自然关断，带阻-感负载时，一对桥臂导通使另一对桥臂的两个晶闸管承受反压而关断，每周期换相两次。
第二，带电阻负载时，负载电阻电压与电流波形相同，成线性关系，带阻-感负载时，电流变化很小，这时由于电感对负载电流起到了平波的作用。
第三，带阻-感负载时，电流逐渐增大，经过几个周期后达到稳态，电路的工作情况与理论分析基本一致。
2、总结
单相桥式全控整流电路（电阻性负载）是典型单相桥式全控整流电路，共用了四个晶闸管，两只晶闸管接成共阳极，两只晶闸管接成共阴极，每一只晶闸管是一个桥臂，桥式整流电路的工作方式特点是整流元件必须成对以构成回路，负载为电阻性。
单相桥式全控整流电路（阻-感性负载）与单相半波整流电路仿真波形相比较，输出的电压和电流波形频率都提高了约一倍，流过每个晶闸管的平均电流Idt只有负载平均电流的一半。
变压器二次侧电流I2的波形是对称的正负矩形波，而晶闸管承受的最大正反向电压则和单相半波可控整流电流一样。
单相桥式全控整流电路就是通过改变控制角α，改变负载上脉冲直流电压的平均值UL，从而实现了可控整流。
四、实验思考
这次的matlab仿真设计过程中，不仅掌握了matlab中simulink仿真的使用，还对单相桥式全控整流电路有了更深刻的认识。
在实际电路的设计中，需要考虑电源及R、L的具体参数，可以通过改变仿真模型中的R、L的值进行分析。
在进行仿真时，不仅要掌握各种模块的功能和用法，还要掌握一定的编程技巧，使仿真过程变的更简单明了。
经过小学期的这两次仿真课程，学会了两种仿真软件的使用方法，为以后的学习提供了很好的基础。
仿真的过程不仅需要对软件的掌握技巧，还需要一定的耐心和信心，充分利用图书和网络资源查找资料，以完成仿真的实现。
附录
1.利用simulink仿真来实现摄氏温度到华氏温度的转换
仿真电路如题图1：
题图1
解：
仿真结果如题图2：
题图2
2.设系统微分方程为
，试建立系统模型并仿真
解：
仿真电路如题图3：
题图3
将开始时间设为1，积分integrator模块初始值设置为2。
仿真结果如题图4：
题图4
3.利用simulink仿真
，取A=1,
解：
仿真电路如题图5：
题图5
建立的函数文件代码如题图6：
题图6
仿真结果如题图7：
题图7
4.建立如题图8所示的仿真模型并进行仿真，改变增益，观察x-y图形变化，并用浮动的scope模块观测各点波形。
题图8
解：
当增益slidergain为1时，设置好x、y的坐标值，得到x-y图形如题图9：
题图9
通过slidergain模块和integrator模块之后的波形分别如题图10：
题图10
当增益slidergain增大到2时，调整x、y坐标到合适位置，得到x-y图形如题图11：
题图11
通过integrator模块之后的波形不变，通过slidergain模块之后的波形如题图12：
题图12
5．有初始状态为0的二阶微分方程
其中u（t）是单位阶跃函数，试建立系统模型并仿真。
解：
根据题意建立系统模型如题图13：
题图13
仿真结果如题图14：
题图14
6．通过构造SIMULINK模型求
的结果，其中初值分别为y1（0）=0,y2（0）=1
解：
构造simulink模型如题图15：
题图15
将sinewave的phase设置成pi/2，设置integrator积分模块初值为0时，得到y1（0）=0的仿真结果如题图16：
题图16
设置integrator积分模块初值为1时，得到y2（0）=1的仿真结果如题图17：
题图17
7.分析二阶动态电路的零输入响应
题图18为典型的二阶动态电路，其零输入响应有过阻尼、临界阻尼和欠阻尼三种情况，已知L=0.5H,C=0.02F,R=1,2,3,…,13
初始值
求
的零输入响应并画出波形。
（1用simulink的方法，2用脚本文件的方法）
题图18二阶动态电路
解：
（1）利用simulink仿真的方法：
根据题意可列出微分方程：
代入数值并对两端分别求两次积分，可得
根据上式可建立仿真框图，如题图19：
题图19
其中constant表示电阻的阻值，scope为
的波形，scope1为
的波形。
得到的仿真结果如题图20和题图21：
题图20
题图21
（2）利用脚本文件的方法：
在matlab中建立M文件7a，求解微分方程的解，代码如下：
eq='D2y+2*R*Dy+100*y=0';
cond='y（0）=1,Dy（0）=0';
y=dsolve（eq,cond）
得到微分方程的解为：
y=
1/2*（R^2-100+R*（R^2-100）^（1/2））/（R^2-100）*exp（（-R+（R^2-100）^（1/2））*t）+1/2*（R^2-R*（R^2-100）^（1/2）-100）/（R^2-100）*exp（（-R-（R^2-100）^（1/2））*t）
即
从而可以求出的
零输入响应为：
建立M文件7b，编程画出
和
的波形图，代码如下：
forR=1:
13;
t=0:
0.1:
5;
u=1/2*（R+（R^2-100）^（1/2））/（R^2-100）^（1/2）*exp（（-R+（R^2-100）^（1/2））*t）-1/2*（R-（R^2-100）^（1/2））/（R^2-100）^（1/2）*exp（（-R-（R^2-100）^（1/2））*t）;
subplot（2,1,1）;
plot（t,u,'r'）;
holdon;
i=1/（R^2-100）^（1/2）*（exp（（-R-（R^2-100）^（1/2））*t）-exp（（-R+（R^2-100）^（1/2））*t））;
subplot（2,1,2）;
plot（t,i）;
holdon;
end
得到的
和
的波形如题图22：
题图22
8.一池中有水2000
，含盐2kg，以6
/分的速率向池中注入浓度为0.5kg/
的盐水，又以4
/分的速率从池中流出混合后的盐水，问欲使池中盐水浓度达到0.2kg/
，需要多长时间？
（1用simulink的方法，2用脚本文件的方法）【附加：
试画出浓度vs时间的曲线】
解：
（1）用simulink仿真的方法：
根据题意，设t时刻池中盐水浓度为
由上式可得框图如题图23：
题图23
仿真结果如题图24：
题图24
由上图左图波形可知，当时间趋于无穷时，浓度趋于0.5，由右图可知，大约在185分钟时浓度为0.2。
（2）用脚本文件的方法：
将
（1）中所得到的式子进行积分并化简，可得到微分方程：
在matlab中建立M文件8a，编程求解微分方程的解，代码如下：
eq='（2000+2*t）*Dy+6*y=3';
cond='y（0）=0.001';
y=dsolve（eq,cond）
得到微分方程的解为：
y=
1/2-499000000/（1000+t）^3
根据微分方程的解，可以得到t关于浓度的表达式，即
建立M文件8b，编程求得浓度为0.2时所需的时间，代码如下：
y=0.2;
t=（-499000000/（y-0.5））^（1/3）-1000
得到浓度为0.2时所需时间为
t=
184.8402
建立M文件8c，编程画出浓度随时间变化的曲线图，代码如下：
t=linspace（0,6000,100）
y=1/2-499000000./（（1000+t）.^3）
plot（t,y）
得到的曲线图如题图25：
题图25
11.搭建特定的信号源，建立SIMULINK仿真模型、显示仿真结果。
解：
根据题意建立框图如题图26：
题图26
建立的函数文件代码如题图27：
题图27
取周期T=1和周期T=4时，输出u（t）波形分别如题图28：
题图28
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