基于MATLAB的單相橋式整流電路研究

    1　引言

    整流電路（Rectifier）尤其是單相橋式可控整流電路是電力電子技術(shù)中最為重要，也是應(yīng)用得最為廣泛的電路，不僅應(yīng)用于一般工業(yè)，也廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、電力系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、能源系統(tǒng)等其他領(lǐng)域。因此對單相橋式可控整流電路的相關(guān)參數(shù)和不同性質(zhì)負(fù)載的工作情況進(jìn)行對比分析與研究具有很強(qiáng)的現(xiàn)實意義，不僅是電力電子電路理論學(xué)習(xí)的重要一環(huán)，而且對工程實踐的實際應(yīng)用具有預(yù)測和指導(dǎo)作用。

    2　單相橋式半控整流電路

    圖1中VT1和VT2為觸發(fā)脈沖相位互差180◦的晶閘管，VD1和VD2為整流二極管，由這四個器件組成單相橋式半控整流電路。電阻R和電感L為負(fù)載，若假定電感L足夠大，即ωL≥R，由于電感中電流不能突變，可以認(rèn)為負(fù)載電流在整個穩(wěn)態(tài)工作過程中保持恒值。由于橋式結(jié)構(gòu)的特點，只要晶閘管導(dǎo)通，負(fù)載總是加上正向電壓，而負(fù)載電流總是單方向流動，因此橋式半控整流電路只能工作在第一象限，因為ωL≥R，所以不論控制角α為何值，負(fù)載電流id的變化很小。

 
圖1 單相橋式半控整流電路原理

    在u2正半周，觸發(fā)角α處給晶閘管VT1施加觸發(fā)脈沖，u2經(jīng)VT1和VD4向負(fù)載供電。u2過零變負(fù)時，因電感作用電流不再流經(jīng)變壓器二次繞組，而是由VT1和VD2續(xù)流。此階段若忽略器件的通態(tài)壓降則負(fù)載壓降ud不會出現(xiàn)負(fù)的情況。在u2負(fù)半周觸發(fā)角α?xí)r刻，VT2與VD3觸發(fā)導(dǎo)通，同時向VT1施加反向電壓并使之關(guān)斷，u2經(jīng)VT2和VD3向負(fù)載供電。u2過零變正時，VD4導(dǎo)通，VD3關(guān)斷。VT1和VD4續(xù)流，負(fù)載壓降ud又變?yōu)榱恪?br />根據(jù)上述分析，可求出輸出負(fù)載電壓平均值為：

          （1）
　α角的移相范圍為180°。輸出電流的平均值為:
                           （2）
    流過晶閘管的電流平均值只有輸出直流平均值的一半，即：
                                       （3）
    流過晶閘管的電流有效值：             （4）
    單相橋式半控整流電路的仿真模型如圖2所示。

 
圖2 單相橋式半控整流電路的仿真模型

    （1）帶純電阻性負(fù)載情況

    相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置：① 交流電壓源參數(shù)U=100V，f=50Hz；② 晶閘管參數(shù)Rn=0.001Ω，Lon=0H，Vf=0.8V，Rs=10Ω，Cs=250e-6F；③ 負(fù)載參數(shù)R=10Ω，L=0H，C=inf；④ 脈沖發(fā)生器觸發(fā)信號1、2的振幅為5V，周期為0.02s（即頻率為50Hz），脈沖寬度為2。

    設(shè)置觸發(fā)信號1的初相位為0s（即0◦），觸發(fā)信號2的初相位為0.01s（即180◦），此時的仿真結(jié)果如圖3（a）所示；設(shè)置觸發(fā)信號1的初相位為0.0025s（即45◦），觸發(fā)信號2的初相位為0.0125s（即225◦），此時的仿真結(jié)果如圖3（b）所示。

   
（a）                                                （b）
圖3 帶純電阻性負(fù)載單相橋式半控整流電路的仿真模型：
（a）控制角為0◦；（b）控制角為45◦

    （2）帶電阻電感性負(fù)載情況

    帶電阻電感負(fù)載的仿真與帶純電阻負(fù)載的仿真方法基本相同，只需將RLC串聯(lián)分支負(fù)載參數(shù)設(shè)置為R=1Ω，L=0.01H，C=inf。此時的仿真結(jié)果分別如圖4(a)、圖4（b）所示。

（a）                                            （b）
圖4  帶電阻電感性負(fù)載單相橋式半控整流電路的仿真模型：
（a）控制角為0◦  ；（b）控制角為45◦

    3 單相橋式全控整流電路

    單相可控整流電路中應(yīng)用最多的是單相橋式全控整流電路（Single Phase Bridge Full-Controlled Rectifier），如圖5所示。在單相橋式全控整流電路中，每一個導(dǎo)電回路中有2個晶閘管，即用2個晶閘管同時導(dǎo)通以控制導(dǎo)電的回路。

 
圖5 單相橋式全控整流電路原理

    上文已經(jīng)就單相橋式半控整流電路在純電阻性負(fù)載時進(jìn)行了較為詳盡的分析，而且全控電路與半控電路在純電阻性負(fù)載時的工作情況基本一致，同時晶閘管承受的最大正向電壓和反向電壓也同前述電路相同，分別為 和。

    以下重點分析帶電阻電感負(fù)載時的工作情況。

    VT1和VT4組成一對橋臂，在u2正半周(即a點電位高于b點電位)承受電壓u2，若在觸發(fā)角α處給晶閘管VT1和VT4施加觸發(fā)脈沖使其開通，電流從電源a端經(jīng)VT1、R、VT4流回電源b端，ud=u2。在u2過零時關(guān)斷。假設(shè)電路已工作于穩(wěn)態(tài)，id的平均值不變。負(fù)載中有電感時電流不能突變，電感對負(fù)載電流起平波作用，假設(shè)負(fù)載電感很大，負(fù)載電流id連續(xù)且近似為一水平直線，u2過零變負(fù)時，由于電感的作用晶閘管VT1和VT4中仍流過電流id，并不關(guān)斷。

    VT2和VT3組成另一對橋臂，在u2正半周承受電壓-u2，至ωt=π+α?xí)r刻，給VT2 和VT3施加觸發(fā)脈沖，因為VT2 和VT3本已經(jīng)承受正向電壓，故兩管導(dǎo)通。在u2過零時關(guān)斷。VT2 和VT3導(dǎo)通后，分別給VT4 和VT1施加反向電壓使其關(guān)斷。流過VT1和VD4的電流迅速轉(zhuǎn)移到VT2 和VT3上，此過程稱為換相，亦稱換流。在下一周期重復(fù)相同過程，如此循環(huán)。

    若4個晶閘管均不導(dǎo)通，則負(fù)載電流id為零，負(fù)載電壓ud也為零。

    根據(jù)上述分析，可求出輸出負(fù)載電壓平均值為：
       （5）
    晶閘管移相范圍為90°。晶閘管承受的最大正反向電壓均為 。
    晶閘管導(dǎo)通角θ與α無關(guān)，均為180°。
    電流的平均值和有效值分別為：

                                （6） 

               （7）

    變壓器二次側(cè)電流i 2的波形為正負(fù)各180°的矩形波，其相位由α決定，有效值i 2= id。
帶電阻電感性負(fù)載單相橋式全控整流電路的仿真模型如圖6所示。

 
圖6 單相橋式半控整流電路的仿真模型

    （1） 帶純電阻性負(fù)載情況

    相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置與前述單相橋式半控整流電路相同。

    設(shè)置觸發(fā)信號1和觸發(fā)信號3的初相位為0s（即0◦），觸發(fā)信號2和觸發(fā)信號4的初相位為0.01s（即180◦），此時的仿真結(jié)果如圖7（a）所示；設(shè)置觸發(fā)信號1和觸發(fā)信號3的初相位為0.005s（即90◦），觸發(fā)信號2和觸發(fā)信號4的初相位為0.015s（即270◦），此時的仿真結(jié)果如圖7（b）所示。

   
（a）                                         （b）

    圖7 帶純電阻性負(fù)載單相橋式半控整流電路的仿真模型:
（a）控制角為0◦；（b）控制角為45◦

    （2）帶電阻電感性負(fù)載的情況：

    帶電阻電感負(fù)載的仿真與帶純電阻負(fù)載的仿真方法基本相同，只需將RLC串聯(lián)分支設(shè)置為電阻電感性負(fù)載，即負(fù)載參數(shù)設(shè)置為R=1Ω，L=0.01H，C=inf。此時的仿真結(jié)果分別如圖8(a)、(b)所示。

   
（a）                                                       （b）
圖8 帶電阻電感性負(fù)載單相橋式半控整流電路的仿真模型 :
（a）控制角為0◦；（b）控制角為90◦

    4 結(jié)論

    本文在對單相橋式可控整流電路理論分析的基礎(chǔ)上，利用MATLAB面向?qū)ο蟮脑O(shè)計思想和自帶的電力系統(tǒng)工具箱，建立了基于MATLAB/Simulink的單相橋式可控整流電路的仿真模型，并對其進(jìn)行了對比分析研究。對于電路帶純電阻性負(fù)載時的工作情況，驗證了觸發(fā)角α的移相范圍是0～180◦，負(fù)載電流不連續(xù)；對于電路帶電阻電感性負(fù)載時的工作情況，驗證了觸發(fā)角α的移相范圍是0～90◦，負(fù)載電流是連續(xù)的；在應(yīng)用單相橋式半控整流電路時應(yīng)注意避免失控現(xiàn)象。通過仿真分析也驗證了本文所建模型的正確性。