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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中最為重要，也是應用得最為廣泛的電路，不僅應用于一般工業，也廣泛應用于交通運輸、電力系統、通信系統、能源系統等其他領域。因此對單相橋式可控整流電路的相關參數和不同性質負載的工作情況進行對比分析與研究具有很強的現實意義，不僅是電力電子電路理論學習的重要一環，而且對工程實踐的實際應用具有預測和指導作用。 2 單相橋式半控整流電路 圖1中VT1和VT2為觸發脈沖相位互差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，可以認為負載電流在整個穩態工作過程中保持恒值。由于橋式結構的特點，只要晶閘管導通，負載總是加上正向電壓，而負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，觸發角α處給晶閘管VT1施加觸發脈沖，u2經VT1和VD4向負載供電。u2過零變負時，因電感作用電流不再流經變壓器二次繞組，而是由VT1和VD2續流。此階段若忽略器件的通態壓降則負載壓降ud不會出現負的情況。在u2負半周觸發角α時刻，VT2與VD3觸發導通，同時向VT1施加反向電壓并使之關斷，u2經VT2和VD3向負載供電。u2過零變正時，VD4導通，VD3關斷。VT1和VD4續流，負載壓降ud又變為零。 根據上述分析，可求出輸出負載電壓平均值為： α角的移相范圍為180°。輸出電流的平均值為: 流過晶閘管的電流平均值只有輸出直流平均值的一半，即： 流過晶閘管的電流有效值： 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）帶純電阻性負載情況 相應的參數設置：① 交流電壓源參數U=100V，f=50Hz；② 晶閘管參數Rn=0.001Ω，Lon=0H，Vf=0.8V，Rs=10Ω，Cs=250e-6F；③ 負載參數R=10Ω，L=0H，C=inf；④ 脈沖發生器觸發信號1、2的振幅為5V，周期為0.02s（即頻率為50Hz），脈沖寬度為2。 設置觸發信號1的初相位為0s（即0?），觸發信號2的初相位為0.01s（即180?），此時的仿真結果如圖3（a）所示；設置觸發信號1的初相位為0.0025s（即45?），觸發信號2的初相位為0.0125s（即225?），此時的仿真結果如圖3（b）所示。 （a） （b） 圖3 帶純電阻性負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）帶電阻電感性負載情況 帶電阻電感負載的仿真與帶純電阻負載的仿真方法基本相同，只需將RLC串聯分支負載參數設置為R=1Ω，L=0.01H，C=inf。此時的仿真結果分別如圖4(a)、圖4（b）所示。 （a） （b） 圖4 帶電阻電感性負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，每一個導電回路中有2個晶閘管，即用2個晶閘管同時導通以控制導電的回路。 圖5 單相橋式全控整流電路原理 上文已經就單相橋式半控整流電路在純電阻性負載時進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 以下重點分析帶電阻電感負載時的工作情況。 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，若在觸發角α處給晶閘管VT1和VT4施加觸發脈沖使其開通，電流從電源a端經VT1、R、VT4流回電源b端，ud=u2。在u2過零時關斷。假設電路已工作于穩態，id的平均值不變。負載中有電感時電流不能突變，電感對負載電流起平波作用，假設負載電感很大，負載電流id連續且近似為一水平直線，u2過零變負時，由于電感的作用晶閘管VT1和VT4中仍流過電流id，并不關斷。 VT2和VT3組成另一對橋臂，在u2正半周承受電壓-u2，至ωt=π+α時刻，給VT2 和VT3施加觸發脈沖，因為VT2 和VT3本已經承受正向電壓，故兩管導通。在u2過零時關斷。VT2 和VT3導通后，分別給VT4 和VT1施加反向電壓使其關斷。流過VT1和VD4的電流迅速轉移到VT2 和VT3上，此過程稱為換相，亦稱換流。在下一周期重復相同過程，如此循環。 若4個晶閘管均不導通，則負載電流id為零，負載電壓ud也為零。 根據上述分析，可求出輸出負載電壓平均值為： 晶閘管移相范圍為90°。晶閘管承受的最大正反向電壓均為 。 晶閘管導通角θ與α無關，均為180°。 電流的平均值和有效值分別為： 變壓器二次側電流i 2的波形為正負各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） 帶純電阻性負載情況 相應的參數設置與前述單相橋式半控整流電路相同。 設置觸發信號1和觸發信號3的初相位為0s（即0?），觸發信號2和觸發信號4的初相位為0.01s（即180?），此時的仿真結果如圖7（a）所示；設置觸發信號1和觸發信號3的初相位為0.005s（即90?），觸發信號2和觸發信號4的初相位為0.015s（即270?），此時的仿真結果如圖7（b）所示。 （a） （b） 圖7 帶純電阻性負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）帶電阻電感性負載的情況： 帶電阻電感負載的仿真與帶純電阻負載的仿真方法基本相同，只需將RLC串聯分支設置為電阻電感性負載，即負載參數設置為R=1Ω，L=0.01H，C=inf。此時的仿真結果分別如圖8(a)、(b)所示。 （a） （b） 圖8 帶電阻電感性負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 結論 本文在對單相橋式可控整流電路理論分析的基礎上，利用MATLAB面向對象的設計思想和自帶的電力系統工具箱，建立了基于MATLAB/Simulink的單相橋式可控整流電路的仿真模型，并對其進行了對比分析研究。對于電路帶純電阻性負載時的工作情況，驗證了觸發角α的移相范圍是0～180?，負載電流不連續；對于電路帶電阻電感性負載時的工作情況，驗證了觸發角α的移相范圍是0～90?，負載電流是連續的；在應用單相橋式半控整流電路時應注意避免失控現象。通過仿真分析也驗證了本文所建模型的正確性。 |
