matlab仿真单相桥式全控整流电路教学文稿.docx
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matlab仿真单相桥式全控整流电路教学文稿
matlab仿真——单相桥式全控整流电路
电子信息系统仿真与设计
课程设计报告
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
山东大学威海分校信息工程学院
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slidergain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slidergain模块和integrator模块之后的波形分别如题图10:
题图10
当增益slidergain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slidergain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sinewave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:
forR=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');
holdon;
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);
holdon;
end
得到的
和
的波形如题图22:
题图22
8.一池中有水2000
,含盐2kg,以6
/分的速率向池中注入浓度为0.5kg/
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0.2kg/
,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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