matlab仿真——单相桥式全控整流电路.doc

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

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slider gain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slider gain模块和integrator模块之后的波形分别如题图10：

题图10
当增益slider gain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slider gain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sine wave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：
for R=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');
hold on;
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);
hold on;
end
得到的和的波形如题图22：

题图22
8. 一池中有水2000，含盐 2 kg，以 6/ 分 的速率向池中注入浓度为 0.5 kg / 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 0.2 kg / ，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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