三種單相半波可控整流電路的比較研究

張曉凡，榮 軍，倪艷琴，馬 望，蔣新輝

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三種單相半波可控整流電路的比較研究

張曉凡1，榮 軍1，倪艷琴2，馬 望1，蔣新輝1

（1. 湖南理工學(xué)院信息與通信工程學(xué)院，湖南岳陽 414006；2. 湖南理工學(xué)院物理與電子學(xué)院，湖南岳陽 414006）

首先介紹了三種帶不同負(fù)載的單相半波可控整流電路的工作原理，從理論分析中可以得出負(fù)載為阻感性負(fù)載時(shí)，輸出電壓的平均值降低。為了解決這個(gè)問題，可以在負(fù)載兩端并聯(lián)一個(gè)續(xù)流二極管。最后在Matlab/Simulink中對(duì)三種電路進(jìn)行了建模和仿真，仿真結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的正確性。

單相半波可控整流電路 純電阻 阻感性負(fù)載 續(xù)流二極管 建模與仿真

0 引言

單相半波可控整流電路的整流電路中最簡(jiǎn)單的一種，由于它存在變壓器直流磁化問題，在實(shí)際應(yīng)用中非常少，但是它是最基本的電路，對(duì)分析其他各種復(fù)雜的整流電路非常有益，所以研究它還是非常有價(jià)值。單相半波可控整流電路根據(jù)負(fù)載不同可以分為三種電路，分別為帶純電阻性負(fù)載、帶阻感性負(fù)載和帶續(xù)流二極管的阻感性負(fù)載[1]。三種單相半波可控整流電路雖然功能相同，但實(shí)際上三種電路在效率以及應(yīng)用方面具有很大的差別。在實(shí)際學(xué)習(xí)和使用這三種電路很難看出他們的不同，因此本文對(duì)其進(jìn)行比較研究。首先詳細(xì)分析了三種電路的工作原理，推導(dǎo)了其輸出電壓的計(jì)算過程，最后在MATLAB/Simulink中對(duì)三種電路進(jìn)行了建模和仿真，通過仿真結(jié)果對(duì)三種電路進(jìn)行對(duì)比分析，總結(jié)出三種電路的優(yōu)缺點(diǎn)，為工程技術(shù)人員學(xué)習(xí)和應(yīng)用其他整流電路提供了極大的方便。

1 三種電路工作原理的介紹

1.1

單相半波可控整流電路負(fù)載為純電阻負(fù)載的原理圖和工作波形圖分別為圖1（a）和（b）所示[2]。

單相半波可控整流電路帶阻感性負(fù)載的工作原理

圖2為帶阻感負(fù)載的單相半波可控整流電路及其工作波形圖[2]。阻感負(fù)載的電路特點(diǎn)為：電感對(duì)電流有抗拒作用，流過電感的電流不能發(fā)生突變，此時(shí)在交流電壓過零時(shí)，晶閘管繼續(xù)導(dǎo)通，直到電流變?yōu)榱?，由圖2（b）的波形還可看出，由于電感的存在延遲了的關(guān)斷時(shí)刻，使波形出現(xiàn)負(fù)的部分，與帶電阻負(fù)載時(shí)相比，其平均值下降。

1.3單相半波可控整流電路帶續(xù)流二極管的工作原理

為解決單相半波可控整流電路在負(fù)載為阻感性負(fù)載時(shí)，輸出平均電壓降低的不利情況，在整流電路的負(fù)載兩端并聯(lián)一個(gè)二極管，稱為續(xù)流二極管，用表示，如圖3（a）所示[2]，其中圖3（b）是該電路的工作波形。與沒有續(xù)流二極管時(shí)的情況相比，在正半周時(shí)兩者工作情況是一樣的。當(dāng)過零變負(fù)時(shí)，導(dǎo)通，為零。此時(shí)為負(fù)的通過向施加反壓使其關(guān)斷，儲(chǔ)存的能量保證了電流在回路中流通，此過程通常稱為續(xù)流。如忽略二極管的通態(tài)電壓，則在續(xù)流期間為，中不再出現(xiàn)負(fù)的部分，這與電阻負(fù)載時(shí)基本相同。若足夠大，，即負(fù)載為電感負(fù)載，在關(guān)斷期間，可持續(xù)導(dǎo)通，使連續(xù)，且波形接近一條水平線，如圖3（b）所示。在一周期內(nèi)，期間，導(dǎo)通，其導(dǎo)通角為，流過,其余時(shí)間流過。的導(dǎo)通角為。若近似認(rèn)為為一條水平線，恒為，則流過晶閘管的電流平均值和有效值分別為

2 三種電路的建模與仿真

2.1 單相半波可控整流電路帶純電阻性負(fù)載的建模與仿真

單相半波可控整流電路帶純電阻性負(fù)載電路在MATLAB/Simulink中的仿真模型和仿真結(jié)果如圖4(a)和(b)所示[3][4]，其中圖4(b)的仿真結(jié)果為占空比為的仿真波形。圖4(b)中的仿真波形從上至下分別為交流輸入電壓波形圖，觸發(fā)脈沖波形圖，電阻兩端電壓波形圖，流過晶閘管電流波形圖和晶閘管兩端電壓波形圖。從圖4(b)可以看出，輸出電壓沒有負(fù)的部分，全部位于正半軸，這與理論推導(dǎo)完全一致。

2.2 單相半波可控整流電路帶阻感性負(fù)載的建模與仿真

單相半波可控整流電路帶阻感性負(fù)載在MATLAB/Simulink中的仿真模型和仿真結(jié)果如圖5(a)和(b)所示，其中圖5(a)中的仿真結(jié)果為占空比為的仿真波形。圖5(b)中的仿真波形從上至下分別為交流輸入電壓波形圖，觸發(fā)脈沖波形圖，阻感負(fù)載兩端電壓波形圖，流過負(fù)載電流波形圖，流過晶閘管電流波形圖和晶閘管兩端電壓波形圖。從圖5(b)中看出，輸出電壓波形出現(xiàn)負(fù)的部分，與帶電阻負(fù)載時(shí)相比，其平均值下降。

2.3 單相半波可控整流電路帶續(xù)流二極管的建模與仿真

單相半波可控整流電路帶續(xù)流二極管在MATLAB/Simulink中的仿真模型和仿真結(jié)果如圖6(a)和(b)所示，其中圖6(b)中的仿真結(jié)果為占空比為的仿真波形。圖6(b)中的仿真波形從上至下分別為交流輸入電壓波形圖，觸發(fā)脈沖波形圖，負(fù)載兩端電壓波形圖，流過負(fù)載電流波形圖，流過晶閘管電流波形圖和晶閘管兩端電壓波形圖。從圖6(b)中看出，當(dāng)后，輸出電壓兩端不再出現(xiàn)負(fù)的部分，可見在負(fù)載兩端并聯(lián)一個(gè)續(xù)流二極管后可解決輸出電壓下降的問題，仿真結(jié)果與理論分析完全一致。

3 結(jié)論

本文分別對(duì)單相半波可控整流電路帶純電阻、帶阻感性負(fù)載以及帶續(xù)流二極管的三種電路的工作原理進(jìn)行了詳細(xì)分析，然后在MATLAB/Simulink中對(duì)三種電路進(jìn)行了建模和仿真，最后對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)分析，仿真結(jié)果與理論分析完全一致，為學(xué)習(xí)其他復(fù)雜的整流電路提供了一種思路。

[1] 趙良炳.現(xiàn)代電力電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：清華大學(xué)出版社,1995.

[2] 王兆安,黃俊.電力電子技術(shù)[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000.

[3] 李真貴,胡楊昊,佘海湘,等.三電平逆變器改進(jìn)型SVPWM研究與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算技術(shù)與自動(dòng)化,2014,33(4):49-54.

[4] 洪乃剛.電力電子、電機(jī)控制系統(tǒng)的建模和仿真[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

Comparison of Three Single-phase Half Wave Controlled Rectifier Circuits

Zhang Xiaofan1, Rong Jun1, Ni Yanqin2; Ma Wang1; Jiang Xinhui1

（1.Department of Information and Communication Engineering, Institute of Science and Technology. Yueyang 414006，Hunan，China; 2. Department of Physics and Electronics, Hunan Institute of Science and Technology. Yueyang 414006, Hunan, China)

Firstly the operating principle of three single-phase half wave controlled rectifier circuits with different loads is introduced, and it can get that the average value of output voltage can be drawn if the load is inductive load from the theoretical analysis. In order to solve this problem, a continuous flow diode can be connected across both ends of the load. At last, three kinds of circuits are modeled and simulated on the basis of Matlab/Simulink, and the simulation results verify the correctness of theoretical analysis.

single-phase half wave controlled rectifier circuit; pure resistance; resistive inductive load; continued flow diode; modeling and simulation

TM46

A

1003-4862（2016）03-0001-05

2015-11-09

“電子信息工程”本科專業(yè)綜合改革國家級(jí)試點(diǎn)專業(yè) (教高司函[2013]56號(hào))，電子信息與通信技術(shù)國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心(教高函[2013]10號(hào))

張曉凡（1994-），男，自動(dòng)化本科。研究方向：信息與通信工程學(xué)院。