电力电子建模仿真

摘要

本设计是一个单相全控整流桥装置的建模与仿真，此整流装置采用了四个晶闸管组成了桥式整流装置，电源为单相电源，负载为电阻、电感、反电动势负载，其中电源电压有效值U＝120V，反电动势E＝80V，R＝120Ω，电感L=200mH，α＝60°。

关键词

单相全控

桥式

晶闸管

电阻电感反电动势负载

第一章 摘要关键词及仿真电路组成原理分析

一．主电路组成原理分析 1.仿真电路图

2.原理分析

在单相桥式全空整流电路中，晶闸管VT1和VT4组成一对桥臂，VT2和VT3组成另一对桥臂。在u2正半周（即a点电位高于b点电位），若4个晶闸管均不导通，负载电流id为零，ud也为零，VT1、VT4串联承受电压u2，设VT1和VT4的漏电阻相等，则各承受u2的一半。若在触发角α处给VT1和VT4加触发脉冲，VT1和VT4即导通，电流从电源a端经VT1、R、L、E、VT4流回电源b端。当u2过零时，由于电感的作用晶闸管VT1和VT4中仍流过电流id并不关断。直至ωt=π+α，并且|u2|>E时，给VT2和VT3加触发脉冲，VT2和VT3导通。VT2和VT3导通后，u2通过VT2和VT3分别向VT1和VT4施加反压使VT1和VT4关断，至下一周重复上述过程，如此循环下去。

第二章 驱动电路的设计

.1.

一. 驱动电路的设计

晶闸管触发电路的作用是产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在学要的时刻由阻断转为导通。晶闸管触发电路往往包括触发时刻进行控制相位控制电路、触发脉冲的放大和输出环节。触发脉冲的放大和输出环节中，晶闸管触发电路应满足下列要求：

（1）触发脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通，三相全控桥式电路应采用宽于60°或采

用相隔60°的双窄脉冲。

（2）触发脉冲应有足够的幅度，对户外寒冷场合，脉冲电流的幅度应增大为器件最大

触发电流3～5倍，脉冲前沿的陡度也需增加，一般需达1～2A∕us。

（3）所提供的触发脉冲应不超过晶闸管门极的电压、电流和功率定额，且在门极的伏

安特性的可靠触发区域之内。

（4）应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。 在本设计中最主要的是第1、2条。理想的触发脉冲电流波形如下图。

理想的晶闸管触发脉冲电流波形

t1~t2-----脉冲前沿上升时间（1s）

t1~t3----强脉冲宽度 IM---强脉冲幅值（3IGT~5IGT）

t1~t4---脉冲宽度 I--脉冲平顶幅值（1.5IGT~2IGT）

晶闸管触发电路类型很多，有分立式、集成式和数字式，分立式相控同步模拟电路相对来说电路比较复杂；数字式触发器可以在单片机上来实现，需要通过编程来实现，本设计不采用。本设计采用的驱动电路如右图：

它由V1、V2构成的脉冲放大环节和脉冲变压器 TM及附属电路构成的脉冲输出环节两部分组成。当 V1、V2导通时，通过脉冲变压器向晶闸管的门极和 阴极之间输出触发脉冲。VD1和R3是为了V1、V2 由导通变为截止时脉冲变压器TM释放其存储的能量 而设的。为了获得触发脉冲波形中的强脉冲部分，还 需适当附加其他电路环节。

第三章 仿真模型图原理及分析

.2.

一.仿真模型图

二.原理分析

1.开关器件模型

此仿真采用如右图所示的开关器件统一模型来模拟实际晶闸管，其特性 曲线如下图所示。当外加电压大于EFVD，且触发脉冲IPUL为1时，触发导 通；当外加正向电压大于正向击穿电压EBO时，器件被击穿；而当器件电流 降到0时关断。此模型除了不能模拟器件的存储效应等动态过程外，可以相 当好地给出装置的仿真结果。

2.触发电路模型

触发电路则以脉冲发生器VPULSE来模拟，即模型图中的V3、V4、V5、V6。只要设置好参数就可以得到想要的控制效果。如α为360°对应TD=20ms，所以此仿真为TD=3.33ms和TD=13.33ms，即α=60°。其他参数为TF=0.1ms，PW=1ms，PER=20ms，V1=0V，V2=10V，TR=0.1ms。 3.电源模型

电源采用一个VSIN电压源即可，按照要求电压有效值VAMPL=120V，频率FREQ=50HZ，

关断电压VOFF=0V。

第四章 仿真结果及改进措施

.3.

一.仿真结果及分析

1.仿真结果

此仿真可以对很多电量进行分析，如负载电压、负载电流、晶闸管电压电流等，详细情况如下（截图均为50ms仿真图）： 1.电源电压U2

2.电源电流I2

3.电流IVT1、TVT4（两者几乎相同）

4.电流IVT2、IVT3（两者几乎相同）

.4.

5.电压IVT1、IVT4（两者几乎相同）

6. 电压IVT2、IVT3（两者几乎相同）

7. 负载电压Ud

.5.

8.负载电流Id

2.仿真结果分析

该仿真总共仿真了100ms，最小步长为2us，总用时35.3秒，结果鉴于西安交通大学王

兆安、黄俊主编的《电力电子技术》第4版，第2章整流电路中的2.1节单相可控整流电路，基本满意，虽然有些许误差，比如电源电流I2，每个晶闸管的电流都会出现尖峰电流现象。 这是因为这里用的都是详细理想模型，而实际电路中不可避免的存在有功损耗，这样的尖峰基本可以忽略不计，所以结果还是比较满意的。

二.改进措施

为了使仿真结果更精确，首先可以把最小步长设的更低，比如1us或者更低，但是这样仿真时间会明显加长，但是图形会显得更光滑，如不设置最小步长的话，虽然仿真时间只有4s，但是图形会出现很多折角。其次可以采用更高级的器件模型，这样的话，仿真时间会大大缩短。

第五章 设计总结

.6.

此设计花了我不少时间，期间遇到了很多问题，有关于设计的专业知识问题，也有软件使用上的问题，我通过网上查找资料、学习OrCAD简明教程与查阅书籍的方法，最终还是独自一人完成了设计与仿真。

在实际的仿真过程中，能把理论中所学的知识灵活地运用起来，并能在设计中遇到各种各样的问题，这样的设计提高了我们解决问题的能力，学会了在设计中独立解决问题，也包括怎样去查找问题，所有的事都得自己亲手去设计、翻阅资料才会在脑海中留下深刻的印象。这个仿真设计让我对OrCAD/PSpice这款软件使用的更加熟悉，特别是器件寻找方面的技巧，更加深了我对单相全控整流桥的认识和理解。

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