单相半波整流可控电路纯电阻阻感续流二极管.docx

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单相半波整流可控电路纯电阻阻感续流二极管

电力电子技术实验报告

实验名称：

单相半波可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

图索引

单相半波可控整流电路仿真建模分析

一、单相半波可控整流电路（电阻性负载）

1.电路的结构与工作原理

1.1电路结构

若用晶闸管T替代单相半波整流电路中的二极管D，就可以得到单相半波可控整流电路的主电路，如图1-1电路图所示。

设图中变压器副边电压u2为50HZ正弦波，负载RL为电阻性负载。

图1单相半波可控整流电路（纯电阻负载）的电路原理图

1.2工作原理：

（1）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。

（2）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。

（3）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。

（4）直到电源电压u2的下一周期的正半波，脉冲uG在ωt=2π+α处又触发晶闸管，晶闸管再次被触发导通，输出电压和电流又加在负载上，如此不断重复。

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

e.晶闸管电流平均值

2.单相半波可控整流电路建模

2.1模型参数设置

a.晶闸管模型参数设置

建立一个新的模型窗口，打开电力电子模块组，复制一个晶闸管到模型窗口中；打开晶闸管参数设置对话框，设置Ron=0.001Ω，Lon=0H，Uf=0.8V；Ic=0A，Rs=10Ω，Cs=4.7e-6F。

如图所示。

b.打开电源模块组，复制一个电压源模块到模型窗口中，打开参数设置对话框，设置为：

幅值5V，初相位0，频率是50HZ的正弦交流电。

如图所示。

c.打开元件模块组，复制一个串联RLC元件模块到模型窗口中，打开参数设置对话框，把RLC里的电感设置为0，电容设置为inf，电阻设置为1.2Ω。

如图所示。

d.打开测量模块组，复制一个电压测量装置以测量负载电压Ud波形。

e.打开测量模块组，复制一个电流测量装置以测量负载电流Id波形。

f.打开测量模块组，复制一个电压测量装置以测量变压器副边电压U2波形

g.打开测量模块组，复制一个电压测量装置以测量晶闸管两端电压Ut波形。

h.把脉冲发生器的输出口接到示波器上以测量脉冲波形。

i.打开Sinks模块组,复制一个示波器装置以显示电路中各物理量的变化关系，并按要求设置输入端口的个数。

如图所示。

示波器参数设置5个输入端

j.建立给晶闸管提供触发信号的同步脉冲发生器（PulseGenerater）模型。

参数设置为：

脉冲幅值为4V，周期为0.02s，脉宽占整个周期的10%，相位延迟（1/50）*（30/360）s=1/600s（即α=30°）

或者（1/50）*（45/360）s=1/400s（即α=45°）。

或者（1/50）*（90/360）s=1/200s（即α=90°）。

’

或者（1/50）*（120/360）s=2/300s（即α=120°）。

如图所示。

脉冲发生器参数设置

2.2全部模块完美连接后，可以得到仿真电路。

如图所示。

图2单相半波可控整流电路（纯电阻负载）的MATLAB仿真模型

3仿真结果与分析

下列所示波形图中，从上到下分别代表变压器副边U2上的电压波形、脉冲的波形、电阻上的电压波形、电阻上的电流波形、晶闸管VT上的电压波形。

下列波形分别是延迟角α为30°、45°、90°、120°,180°时的波形变化。

a.当延迟角α=30°时，波形图如图所示：

图3α=30°单相半波可控整流电路仿真结果（纯电阻负载）

当延迟角α=45°时，波形图如图所示：

图4α=45°单相半波可控整流电路仿真结果（纯电阻负载）

c.当延迟角α=90°时，波形图如图所示

图5α=90°单相半波可控整流电路仿真结果（纯电阻负载）

d.当延迟角α=120°时，波形图如图所示：

图6α=120°单相半波可控整流电路仿真结果（纯电阻负载）

e.当延迟角α=180°时，波形图如图所示：

图7α=180°单相半波可控整流电路仿真结果（纯电阻负载）

4小结

在此试验中，我们可以看出通过改变触发角α的大小，直流输出电压，负载上的输出电压波形都发生变化,显然α=180°时，平均电压

=0由于晶闸管只在电源电压正半波（0~

）区间内导通，输出电压

为极性不变但瞬时值变化的脉动直流，故称半波整流。

单相半波可控整流电路中的输出电压与电流的波形相同，由于是电阻负载，电阻对电流没有阻碍作用，没有续流的作用，不会产生反向电流，晶闸管的电压没有负值。

电力电子变流技术的理论计算比较繁琐且很难得到准确的计算结果，从上述系统仿真结果波形可以看出，利用仿真软件进行仿真，波形准确、直观，利用该方法还能对非常复杂的电路、电力电子变流系统进行建模仿真。

二、单相半波可控整流电路（阻—感性负载）

1.电路的结构与工作原理

1.1电路结构

图8单相半波可控整流电路（阻—感性负载）电路原理图

波形图

1.2工作原理

在ωt=0~α期间：

晶闸管阳-阴极间的电压uAK大于零，此时没有触发信号，晶闸管处于正向关断状态，输出电压、电流都等于零。

在ωt=α时刻，门极加触发信号，晶闸管触发导通，电源电压u2加到负载上，输出电压ud=u2。

由于电感的存在，负载电流id只能从零按指数规律逐渐上升。

在ωt=ωt1~ωt2期间：

输出电流id从零增至最大值。

在id的增长过程中，电感产生的感应电势力图限制电流增大，电源提供的能量一部分供给负载电阻，一部分为电感的储能。

在ωt=ωt2~ωt3期间：

负载电流从最大值开始下降，电感电压改变方向，电感释放能量，企图维持电流不变。

在ωt=π时，交流电压u2过零，由于感应电压的存在，晶闸管阳极、阴极间的电压uAK仍大于零，晶闸管继续导通，此时电感储存的磁能一部分释放变成电阻的热能，另一部分磁能变成电能送回电网，电感的储能全部释放完后，晶闸管在u2反压作用下而截止。

直到下一个周期的正半周，即ωt=2π+α时，晶闸管再次被触发导通，如此循环不已。

2、单相半波可控整流电路建模

单相半波可控整流电路（阻—感性负载）仿真电路的建模大体和单相半波可控整流电路（电阻性负载）一样

2.1模型参数设置

有部分参数做了调整（如下）：

a.打开晶闸管参数设置对话框，设置Ron=0.001Ω，Lon=0H，Uf=0.8V，Ic=0A，Rs=20Ω，Cs=4.7e-6F。

如图所示

晶闸管的参数表

b.找到RLC元件模块，打开参数设置对话框，把RLC里的电感设置为0.002，电容设置我inf，电阻设置为1.2Ω。

（以此可以得到阻—感性负载）如图所示。

阻—感性负载参数

2.2全部模块完美连接后，可以得到仿真电路。

如图所示。

图9单相半波可控整流电路（阻—感性负载）MATLAB仿真模型

3仿真结果与分析

下列所示波形图中，分别代表变压器副边U2上的电压波形、脉冲的波形、电阻上的电压波形、电阻上的电流波形、晶闸管VT上的电压波形。

下列波形分别是延迟角α为30°、60°、90°、120°时的波形变化

a.当延迟角α=30°时，波形图如图所示：

图10α=30°单相半波可控整流电路仿真结果（阻-感性负载）

b.当延迟角α=60°时，波形图如图所示

图11α=60°单相半波可控整流电路仿真结果（阻-感性负载）

c.当延迟角α=90°时，波形图如图所示

图12α=90°单相半波可控整流电路仿真结果（阻-感性负载）

d.当延迟角α=120°时，波形图如图所示：

图13α=120°单相半波可控整流电路仿真结果（阻-感性负载）

4.小结

由于在实际生活中有很多负载是电感性负载，如直流电动机的绕组、电磁离合器的线圈、电磁铁等，它们既含有电阻又含有电感，且电感量较大。

由于电磁感应作用，当通过电感元件L的电流发生变化时，在电感中产生阻碍电流变化的感应电动势，将使电流的变化总是滞后于外加电压的变化。

与电阻性负载相比，负载电感的存在，使得晶闸管的导通角增大，在电源电压由正到负的过零点也不会关断，输出电压出现了负波形，输出电压和电流的平均值减小；大电感负载时输出电压正负面积趋于相等，输出电压平均值趋于零。

三、单相半波可控整流电路（阻—感性负载激加续流二极管）

1.电路结构与工作原理

1.1电路结构

图14单相半波可控整流电路（阻—感性负载激加续流二极管）的电路原理图

1.2工作原理

在电源电压正半波（0~π），晶闸管受正向电压。

在ωt=α处触发晶闸管，使其导通，形成负载电流id，负载上有输出电压和电流，此间续流二极管VD承受反向阳极电压而关断。

在电源电压负半波，电感感应电压使续流二极管VD导通续流，此时电压u2＜0，u2通过续流二极管VD使晶闸管承受反向电压而关断，负载两端的输出电压为续流二极管的管压降，如果电感足够大，续流二极管一直导通到下一周期晶闸管导通，使id连续，且id波形近似为一条直线。

以上分析可看出，电感性负载加续流二极管后，输出电压波形与电阻性负载波形相同，续流二极管可起到提高输出电压的作用。

在大电感负载时负载电流波形连续且近似一条直线，流过晶闸管的电流波形和流过续流二极管的电流波形是矩形波。

对于电感性负载加续流二极管的单相半波可控整流器移相范围与单相半波可控整流器电阻性负载相同，为0～180º，且有α+θ=180º。

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

b.晶闸管电流的平均值

d.负载电流有效值

2.单相半波可控整流电路建模

单相半波可控整流电路（阻—感性负载及加续流二极管）仿真电路

图15单相半波可控整流电路（阻—感性负载激加续流二极管）的MATLAB仿真模型

2.1模型参数设置

有部分参数做了调整（如下）：

a.打开晶闸管参数设置对话框，设置Ron=0.001Ω，Lon=0H，Uf=0.8V，Ic=0A，Rs=20Ω，Cs=4.7e-6F。

如图所示

晶闸管的参数表

b.找到RLC元件模块，打开参数设置对话框，把RLC里的电感设置为0.002，电容设置我inf，电阻设置为1.2Ω。

（以此可以得到阻—感性负载）如图所示。

阻—感性负载参数

3仿真结果与分析

下列所示波形图中，波形图分别代变压器副边电压U2波形、脉冲方波波形、负载输出电压Ud波形、负载输出电流波形id、晶闸管电流波形iT、续流二极管电流iD、晶闸管压降UT。

下列波形分别是延迟角α为30°、60°、90°、120

a.当延迟角α=30°时，波形图如图所示：

图16α=30°单相半波可控整流电路（阻—感性负载加续流二极管）

b.当延迟角α=60°时，波形图如图所示：

图17α=60°单相半波可控整流电路（阻—感性负载加续流二极管）

c.当延迟角α=90°时，波形图如图所示：

图18α=90°单相半波可控整流电路（阻—感性负载加续流二极管）波形图

c.当延迟角α=120°时，波形图如图所示：

图19α=120°单相半波可控整流电路（阻—感性负载加续流二极管）波形图

4小结

由以上分析可以看出，阻感性负载加续流二极管后，输出电压波形与电阻性负载波形相同，续流二极管起到了续流的作用。

在电感无穷大时，负载电流为一直线，流过晶闸管和续流二极管的电流波形是矩形波。

阻感性负载加续流二极管的单向半波可控整流的α+θ也等于180º。

单相半波可控整流器的优点是电路简单，调整方便，容易实现。

但整流电压脉动大，每周期脉动一次。

变压器二次侧流过单方向的电流，存在直流磁化、利用率低的问题，为使变压器不饱和，必须增大铁心截面，这样就导致设备容量增大。

四．总结

在单向半波可控整流（电阻性负载）中，我们可以看出通过改变触发角α的大小，直流输出电压，负载上的输出电压波形都发生变化,显然α=180°时，平均电压

=0由于晶闸管只在电源电压正半波（0~

）区间内导通，输出电压

为极性不变但瞬时值变化的脉动直流，故称半波整流。

单相半波可控整流电路中的输出电压与电流的波形相同，由于是电阻负载，电阻对电流没有阻碍作用，没有续流的作用，不会产生反向电流，晶闸管的电压没有负值。

当我们加上一个电感之后，与电阻性负载相比，负载电感的存在，使得晶闸管的导通角增大，在电源电压由正到负的过零点也不会关断，输出电压出现了负波形，输出电压和电流的平均值减小；大电感负载时输出电压正负面积趋于相等，输出电压平均值趋于零。

为了出去负载上的负电压，再在阻感性负载上面并联一个续流二极管，阻感性负载加续流二极管后，输出电压波形与电阻性负载波形相同，续流二极管起到了续流的作用。

在电感无穷大时，负载电流为一直线，流过晶闸管和续流二极管的电流波形是矩形波。

阻感性负载加续流二极管的单向半波可控整流的α+θ也等于180º。