基于Matlab的单相桥式半控整流电路研究

第１２２卷０１０年９月　第９期　题簖　Ｖ０１．１２　Ｎｏ．９　Ｓｅｐ．２０１０　基于Ｍａｔｌａｂ的单相桥式半控　整流电路研究　秦怡，曹雪祥，袁小平　（中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏徐州　２２１００８）　摘要：以单相桥式半控整流电路为例，用数学分析的方法对单相桥式电路的输出输入波形　特性进行了重点研究。同时借助于Ｍａｔｌａｂ／ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真软件检验了文中理论分析的正确性。　关键宇：单相桥式；整流电路；Ｍａｔｌａｂ／ｓｉｍｕｌｉｎｋ　Ｏ　引言　向负载供电。此后，／／＇２过零进入负半周时，因电　感的作用使电流继续，ＶＴ１继续导通，但此时因ａ　电力电子装置可广泛应用于高压直流输电、　点电位低于ｂ点电位，电流经ＶＴ１和ＶＤ３续流，　静止无功补偿、电力机车牵引、交直流电力传　Ｕｄ＝０。当配　在负半周时，Ｏｔ处触发ＶｒＩ’２，ＶＴ１两端　动、电解、励磁、电加热、高性能交直流电源等　因承受反向电压而关断．ｕ２经Ｖ　和ＶＤ３向负载　电力系统。现在从人类对宇宙和大自然的探索，　供电。Ｕ２过零变正时，ＶＤ４导通，ＶＤ３关断。　电　到国民经济的各个领域．再到人们的衣食住行，　流经ＶｒＩ１２和ＶＤ４续流．又为零。　到处都能感受到电力电子技术的存在和巨大魅　０　ｉｄ　力。有人预言，电力电子技术和运动控制一起，　ＶＴ１　ＶＴ２。。一　ｌ　一　将和计算机技术共同成为未来科学技术的主要支　＝　ｆ＿－　ｉ。　柱。在电力电子领域中。单相桥式电路是研究桥　ｌ　‘　ｌ　［　Ｒ　式电路的基础，对单相半控桥式电路的研究是深　基　入研究电力电子的基础，在对其的研究过程中，　ｂ　ｒ重　应充分把握桥式电路的精髓，为以后分析各种桥　Ｖｄ４　Ｌ　一　＿　＿　＿式电路打下扎实的基础。　船ｆ　ｆ　一广一　　＿ｊ　１　电路模型的建立　图１单相桥式半控整流电路　图１所示是一个单相桥式半控整流电路。现　２　Ｍａｔｌａｂ仿真模型的建立　以触发角ｏｒ＝９０。，ＷＬ＞＞Ｒ为例来进行讨论。该整　流电路包含三个回路。其中ＶＴ１、ＶＤ４和ＶＴ２、　图２所示是单相桥式半控整流的ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真　ＶＤ３构成了其中的两条整流回路，续流二极管　模型。利用Ｍａｔｌａｂ软件中ｓｉｍｕｌｉｎｋ工具可对电路进　ＶＤＲ与负载构成了续流回路，负载端并联续流二　行仿真，仿真时，负载为阻感负载，取电阻Ｒ＝Ｉ　极管主要是为了防止整流电路失控现象的发生。　Ｑ，电感Ｌ＝３Ｈ，频－３￣ｆ＝５０　Ｈｚ，电容Ｃ＝１　ｎＦ。在　ＷＬ＞＞Ｒ条件下对电路进行仿真。为使两晶闸管能　假设二次侧电压源／／，２＝、／　Ｕ２ｓｉｎ（ｗｔ），那么电压　够正常工作，需在晶闸管上加触发脉冲，触发脉　过零时，整流二极管ＶＤ３、ＶＤ４将自然导通。而　冲周期为Ｏ．０２　ｓ，触发角ｃｔ＝９０。，故触发脉冲１的　当ｕ２在正半周时，在Ｏｔ触发ＶＴ１，　２经ＶＴ１和ＶＤ４　延迟时间为０．００５　ｓ．触发脉冲２的延迟时间为　０．０１５　ｓ，占空比都是５０％。　收稿日期：２０１０—０４—０１　ｕ，）ｔ６３ｗ．ｅｃｄｏ￣ｃｎ，２０１０．９电手元嚣件主用　６３　第１２卷第９期　电子元器件主用　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ＆Ｄｅｖｉｃｅ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　Ｖｏ１．１２　Ｎｏ．　Ｓｅｐ．２０１０　２０１０年９月　图２单相桥式半控整流ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真模型　；负载端电流电压特性　负载端由于ＷＬ＞＞Ｒ，电流　的波动应是很小　连续的，故理论上应是一条直线。当　：在正半　司时，在ａ＝９０。时将触发ＶＴ１、ＶＴ１导通，对负载　挂行电能的输出；而当　在负半周时，触发ＶＴ２　阳Ｖｒｒ２导通，并对负载进行电能的输出；此时负　战端电压为Ｍ２＝Ｉ、／　Ｕ２ｓｉｎ　ｔ１　Ｉ，其中ｋＴｒ＋Ｔｒ１２＜￣　Ｊ＇ｒ￣＜ｋｃｒ＋Ｔｒ（ｋ＝０，１，２，…）；负载端电压电流的仿真波　髟如图３所示　图３　负载端电压电流输出特性　・．１　二次侧电流特－眭　设通过二次侧后负边、晶闸管ＶＴ１和整流二　爱管ＶＤ３的电流分别为ｉ　、ｉｌ和ｉ，，且根据基尔霍　长电流定律得：　＋　３＝　，则　＝　一ｉ３，而晶闸管ＶＴＩ　向导通区间为：２ｋｃｒ＋Ｔｒ／２≤　≤２　ｃｒ＋￣ｒ（ｋ＝０，１，２，　．．）；因此，ｉ　只在上述区间内有值，电流幅值与　恿载端电流幅值相等。在单相半控桥式电路中，　亘过晶闸管ＶＴ２的电流必然滞后于晶闸管ＶＴ１的　巳流，且滞后角为１８０。。因此，对于晶闸管ＶＴ２　勺ｌ电流波形，只需将ｉ　向右移１８０。就可以得到。　茎样，晶闸管ＶＴ２的导通且有电流流过的区间为：　ｋＴｒ＋３￣ｒ／２≤加ｆ≤（２ｋＴｒ＋ｌ１　７ｒ（ｋ＝０，１，２，…），而由于　苣流二极管ＶＤ３与晶闸管Ｖｒｒ２在同一桥臂上，因　七，电流波形与晶闸管ＶＴ２的波形一样，其能够　通且有电流的区间也是：２ｋｃｒ＋３￣ｒ／２≤　≤　４电子元器件焘用２０１０．９　ＷＷＷ．ｅｃｄ￣ｃｎ　（２ｋＴｒ＋１）７『　＝０，１，２，…）。此时，二次侧的电流ｉ　形只需将通过晶闸管ＶＴ１的电流波形ｉ．和整流二｛　管ＶＤ３的电流波形的取反一ｉ３相叠加即可。通ｊ　Ｍａｔｌａｂ／ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真软件得到的仿真结果如图４　示，从图４中可以明显地看出，　、　铂ｉ，在波形一　的关系，这与前面的数学推理相符合。　图４二次侧负边、晶闸管ＶＴ１和　整流二极管ＶＤ３的电流波形　３．２单桥臂上的电压特性　若以晶闸管ＶＴ１和整流二极管ＶＤ３所构成自　单桥臂和负载端为研究对象。那么，晶闸管Ⅵ　两端的电压曲线是由四部分组成的，即自身未　通阶段、自身导通阶段、续流二极管ＶＤＲ导通　段和晶闸管ＶＴ２导通阶段。这四者的周期都是７　２，这四段的波形构成了晶闸管ＶＴ１两端的电压９　线，然后通过分析，即可得出其分段函数为：　ｆ　Ｕｚｓｉｎ　ｔ）２ｋＴｒ￣ｗｔ＜．２ｋｃｒ＋ｒｒ／２　自身朱导通阶段　１０　２　７『＋丌／２≤　≤２　仃＋仃　自身导通阶段　“Ⅷ　ｌｏ　２ｋ　＋丌≤埘　＜２ｋ什＋３仃／２　续流二极管ｖＤＲ导通阶Ｊ　１、／２　Ｕ２ｓｉｎ（ｗｔ）２ｋ＇ｒｒ＋３７ｒ／２￣ｗｔ＜（２ｋ＋２）￣ｒ　晶闸管ＶＴ２导通阶段　其中　：０　１，２…．由此仿真可得出晶闸管Ｖ１　两端的电压波形如图５所示。　根据基尔霍夫电压定律，对有晶闸管ＶＴ１　整流二极管ＶＤ３和阻感负载组成的回路进行数　分析可得：“ｖＴｌ＋ＨｖＤ３＋Ｍｄ＝０，即：／￣ＶＤ３＝一　ｖ１１一Ｍｄ，　中：／／，Ｖｉｉ、／／，ＶＩ）３、Ｕｄ分别是晶闸管ＶＴ１、整流二极　ＶＤ３和阻感负载两端的电压。从　（下转第６８　图５　晶闸管ＶＴ１的电压波形　第１２卷第９期　电手元嚣件壶用　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ＆Ｄｅｖｉｃｅ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　Ｖ０１．１２　Ｎｏ．９　Ｓｅｐ．２０１０　２０１０年９月　图９　ＡＤ转换电路　参考文献　【２】　张有松，朱龙驹．韶山４型电力机车［Ｍ］．北京：中国铁　道出版社．１９８８．　［１】　彭涛．ＤＫＩ／ＬＣＵ￣测试台的设计叨．机车电传动，２００５，　【３】　王树森．ＳＳ４Ｇ￣逻辑控制单元检测装置的研制［Ｊ］．　（６）：５１—５３．　（上接第６４页）　铁道机车车辆，２００７，（３）：４９－５０　数学关系上可以看出整流二极管ＶＤ３两端的电压　波形与晶闸管ＶＴ１的电压波形和负载端电压波形　之间的潜在关系，另外，通过数学上的关系，也　可以方便地得出整流二极管ＶＤ３两端的电压波　形。根据图３中的负载端电压　的输出波形和图５　中晶闸管ＶＴ１的电压波形可以得出如图６所示的整　法，该方法先根据理论上的数学分析，再用Ｍａｔ．　１ａｂ／ｓｉｍｕｌｉｎｋ软件仿真出电压波形，因而有助于我　们更好的掌握桥式电路的一些特性。本文仅仅分　析了该电路的三种特性．事实上，整个桥式电路　还有许多类似的特性，例如在电流上的关系特性　（如　＋　２＋　ｖＤＲ＝　、　。＋　２＝　４等）、电压上的一些关系特　流二极管ＶＤ３的电压波形。这里需要说明一下，　在本文中，晶闸管、二极管所测量的电压都是以　其阳极接电压表的正向输入端，其阴极接电压表　性（如　ｄ＋ＭｖＤＲ＝Ｏ、／／，ＶＩ２＋ＵＶＤ４￣Ｈ，ＶＤＩＯ等。此外，本文　中的一些仿真波形出现了毛刺。这是由晶闸管的　内部性质和电感引起电流在一定范围内的小波动　所造成的。实际上，通过对单相桥式半控整流电　路的分析，有利于更深层次地从事电力电子领域　的研究。　参考文献　的负向输入端所得出的结果。　图６整流二极管ＶＤ３的电压仿真波形　王兆安，黄俊．电力电子技术【Ｍ】．北京：机械工业出版　４结束语　本文着重介绍了一种研究桥式电路的数学方　社．２００６．　ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ－￣控制系统仿　［２】　王正林，王胜开，等．真［Ｍ】．北京：电子工业出版社，２００５．　６８　电子元器件壶用２０１０．９　ＷＷＷ．ｅｃｄｍｃｎ