單相橋式不控整流電路的諧波分析-(2)(DOC).doc

單相橋式不控整流電路的諧波分析目錄1.引言22.Matlab 軟件簡(jiǎn)介23. 單相橋式不控整流電路的工作原理23.1單相橋式不控整流電路帶電阻性負(fù)載的工作原理23.2電容濾波的單相不控整流電路的工作原理34.單相橋式不控整流電路的模型建立與仿真44.1單相橋式不控整流電路44.2 電容濾波的單相橋式不控整流電路44.3感容濾波的單相橋式不控整流電路55.單相橋式不控整流電路的相關(guān)原理與計(jì)算55.1 相關(guān)參數(shù)計(jì)算（以電容濾波為例）55.2主要數(shù)量關(guān)系65.3單相橋式不可控整流電路諧波分析76.電容濾波和感容濾波的單相不控整流電路的波形仿真情況76.1電容濾波的單相橋式不控整流電路帶電阻性負(fù)載76.2感容濾波的單相橋式不控整流電路87.幾個(gè)參數(shù)的改變對(duì)輸入電流波形的影響97.1電阻性負(fù)載107.2電阻性負(fù)載帶電容濾波107.3阻感負(fù)載帶電容濾波158.主要結(jié)論189.心得體會(huì)1910.參考文獻(xiàn)191.引言電力電子技術(shù)中, 把交流電能變成直流電能的過(guò)程稱為整流，整流電路的作用是將交變電能變?yōu)橹绷麟娔芄┙o直流用電設(shè)備。本文研究的單相橋式不控整流電路也屬于整流電路。在本電路中，按照負(fù)載性質(zhì)的不同，可以分為有電容濾波和無(wú)電容濾波兩類。如果把該電路的交流側(cè)接到交流電源上，把交流電能經(jīng)過(guò)交直變換，就能轉(zhuǎn)變成直流電能。本文主要對(duì)單相橋式不控整流電路的原理與性能進(jìn)行討論,并主要分析其諧波。側(cè)重點(diǎn)在于借助Matlab 的可視化仿真工具 Simulink 對(duì)單相橋式不控整流電路進(jìn)行建模,選取合適的元件參數(shù)，實(shí)現(xiàn)電路的功能,并觀察不同元件參數(shù)改變時(shí)波形及諧波的變化情況，并得出相應(yīng)的仿真結(jié)果。2.Matlab 軟件簡(jiǎn)介Matlab 提供了系統(tǒng)模型圖形輸入工具Simulink 工具箱。在 Matlab 中的電力系統(tǒng)模塊庫(kù)PSB以Simulink 為運(yùn)算環(huán)境,涵蓋了電路、電力電子、電氣傳動(dòng)和電力系統(tǒng)等電工學(xué)科中常用的基本元件和系統(tǒng)仿真模型。它由以下6個(gè)子模塊組成:電源模塊庫(kù)、連接模塊庫(kù)、測(cè)量模塊庫(kù)、基本元件模塊庫(kù)、電力電子模塊庫(kù)、電機(jī)模塊庫(kù)。在這6 個(gè)基本模塊庫(kù)的基礎(chǔ)上,根據(jù)需要還可以組合出常用的、復(fù)雜的其它模塊添加到所需的模塊庫(kù)中,為電力系統(tǒng)的研究和仿真帶來(lái)更多的方便，本次仿真正是以Matlab中的Simulink 工具箱為基礎(chǔ)進(jìn)行的。3. 單相橋式不控整流電路的工作原理3.1單相橋式不控整流電路帶電阻性負(fù)載的工作原理橋式整流電路如圖1所示。它是由電源變壓器、四只整流二極管VD1-4和負(fù)載電阻R組成。四只整流二極管接成電橋形式，故稱橋式整流。電阻負(fù)載時(shí)，在u正半周，VD1和VD4導(dǎo)通，其作用相當(dāng)于導(dǎo)線，此時(shí)電流經(jīng)VD1、R、VD4回到電源，由于二極管導(dǎo)通電壓較小，此時(shí)輸出電壓波形為半個(gè)正弦波。在u負(fù)半周，VD2和VD3導(dǎo)通，其作用相當(dāng)于導(dǎo)線，此時(shí)電流經(jīng)VD2、R、VD3回到電源。在R上各得到半個(gè)整流電壓波形。這樣就在負(fù)載R上得到一個(gè)與全波整流相同的電壓波形，其電流的計(jì)算與全波整流相同，即 U = 0.9UI= 0.9 U/R 流過(guò)每個(gè)二極管的平均電流為 I = I/2 = 0.45U/R圖1 單相橋式不控整流電路電阻負(fù)載原理圖3.2電容濾波的單相不控整流電路的工作原理圖2為電容濾波的單相橋式不控整流電路的工作原理圖。假設(shè)該電路已工作于穩(wěn)態(tài)，u表示電阻兩端的電壓。其基本工作過(guò)程為：在u正半周過(guò)零點(diǎn)，當(dāng)uu,二極管均不導(dǎo)通，此階段電容C向R放電，提供負(fù)載所需電流，同時(shí)u下降。至u剛剛超過(guò)u，使得VD1和VD4開(kāi)通，u= u，交流電源向電容充電，同時(shí)向負(fù)載R供電。在u負(fù)半周工作情況剛好相反。圖2 電容濾波的單相橋式不控整流電路原理圖4.單相橋式不控整流電路的模型建立與仿真4.1單相橋式不控整流電路Matlab實(shí)驗(yàn)電路如下：圖3 單相橋式不控整流電路電路圖4.2 電容濾波的單相橋式不控整流電路Matlab仿真電路圖如下：圖4 電容濾波的單相橋式不控整流電路以電容濾波的單相不控整流電路說(shuō)明其仿真模型的建立。單相交流電源AC1參數(shù)設(shè)置為（Um=220V，f=50HZ），整流橋選用普通二極管，參數(shù)不用修改。輸出端接電阻性負(fù)載，可以模擬仿真各類電阻性負(fù)載，由于要求輸出電流為100A，故負(fù)載選擇Series RLC Branch，參數(shù)設(shè)置為R=2、L=0mH、C=inf，即將電感視為零，電容視為無(wú)窮大，變?yōu)殡娮栊载?fù)載。同樣，為了實(shí)現(xiàn)電容濾波，與電阻并聯(lián)支路負(fù)載選擇Series RLC Branch，參數(shù)設(shè)置為R=0、L=0mH、C=3e-2F，此時(shí)的濾波效果比較理想。由于交流電源頻率為50HZ，即工作周期為0.02秒，故仿真時(shí)間設(shè)置為1秒，即50個(gè)周期。用幾個(gè)示波器分別觀察交流電源、輸入電流、輸出電壓以及輸出電流波形。特別注意為了測(cè)量波形諧波，接入powergui元件。4.3感容濾波的單相橋式不控整流電路圖5感容濾波的單相橋式不控整流電路5.單相橋式不控整流電路的相關(guān)原理與計(jì)算5.1 相關(guān)參數(shù)計(jì)算（以電容濾波為例） iVD1 VD3 iu i i VD2 VD4 該電路的基本工作過(guò)程是，在u正半周過(guò)零至t=0期間，因uu，故二極管均不導(dǎo)通，此階段電容C向R放電，提供負(fù)載所需電流，同時(shí)u下降。至t=0之后，u將要超過(guò)u使得VD1和VD4導(dǎo)通，u=u，交流電源向電容充電，期間向負(fù)載R供電。設(shè)VD1和VD4導(dǎo)通的時(shí)刻與u過(guò)零點(diǎn)相距角，則u=Usin（t+） （1）在VD1和VD4導(dǎo)通期間，以下方程成立： u（0）=Usin （2）u（0）+d= u （3）式中， u（0）為VD1和VD4開(kāi)始導(dǎo)通時(shí)刻的直流側(cè)電壓值。將（1）代入并求解得: i=CUcos（t+） （4）而負(fù)載電流為: i= sin（t+） （5）由此可知:i= i+ i=CUcos（t+）+ sin（t+） （6）設(shè)VD1和VD4的導(dǎo)通角為，則當(dāng)t=，VD1和VD4關(guān)斷。將i（）=0代入式（6），得:tan)=- (7)電容被充電到t=時(shí)，u=u=Usin（+），VD1和VD4關(guān)斷。電容開(kāi)始以時(shí)間常數(shù)RC按指數(shù)函數(shù)放電。當(dāng)t=，即放電經(jīng)過(guò)-角時(shí)，u降至開(kāi)始充電時(shí)的初值Usin，另一對(duì)二極管VD2和VD3導(dǎo)通，此后u又向C充電，與u正半周的情況一樣。由于二極管導(dǎo)通后u開(kāi)始向C充電時(shí)的u與二極管關(guān)斷后C放電結(jié)束時(shí)的u相等。和僅由乘積RC決定。5.2主要數(shù)量關(guān)系輸出電壓平均值 空載時(shí)，R=，放電時(shí)間常數(shù)為無(wú)窮大，輸出電壓最大，U=U。整流電壓平均值U可根據(jù)前述波形及有關(guān)計(jì)算公式推導(dǎo)得出?？蛰d時(shí)，U=U；重載時(shí)，R很小，電容放電很快，幾乎失去儲(chǔ)能作用。隨負(fù)載加重，U逐漸趨近于0.9U，及趨近于電阻負(fù)載時(shí)的特性。根據(jù)負(fù)載情況選擇電容C值，使之RC（3-5）T/2，T為交流電源的周期，此時(shí)輸出電壓為:U1.2U （8）輸出電流平均值I為I= （9）在穩(wěn)態(tài)時(shí)，電容C在一個(gè)電源周期內(nèi)吸收的能量和釋放的能量相等，其電壓平均值保持不變。相應(yīng)地，流經(jīng)電容的電流在一周期內(nèi)的平均值為零，又由i= i+ i得出I= I在一個(gè)電源周期中，i有兩個(gè)波頭，分別輪流流過(guò)VD1、VD4和VD2、VD3.反過(guò)來(lái)說(shuō)，流過(guò)某個(gè)二極管的電流i只是兩個(gè)波頭中的一個(gè)，其平均值為i= （10）在給定的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中，代入以上公式計(jì)算知本次仿真主要參數(shù)為輸入電壓為220V、50HZ，在負(fù)載電阻參數(shù)R=2時(shí)，電容參數(shù)設(shè)置為C=3e-2F。5.3單相橋式不可控整流電路諧波分析實(shí)用的單相不控整流電路帶電容濾波時(shí)，通常串聯(lián)濾波電感抑制沖擊電流。電容濾波的單相不控整流電路電路交流側(cè)諧波組成有以下規(guī)律：1） 諧波次數(shù)為基數(shù)。2） 諧波次數(shù)越高，諧波幅值越小。3） 與帶阻感負(fù)載的單相全控橋整流電路相比，諧波與基波的關(guān)系是不固定的，RC越大，則諧波越大，而基波越小。這是因?yàn)?，RC越大，意味著負(fù)載越輕，二極管的導(dǎo)通角越小，則交流側(cè)電流波形的底部就越窄，波形畸變也越嚴(yán)重。4） 越大，則諧波越小，因?yàn)榇?lián)電感L抑制沖擊電流從而抑制了交流電流的畸變。6電容濾波和感容濾波的單相不控整流電路的波形仿真情況6.1電容濾波的單相橋式不控整流電路帶電阻性負(fù)載輸入電壓為220V、50HZ，參數(shù)R=2，C=3e-2F，由圖可見(jiàn)輸出電壓為220V左右，輸出電流大致為100A。輸入電流的諧波分析采用powergui元件，在structure里面選擇ScopeData，starttime設(shè)置為0.2S,得到的諧波分析圖如下，其中可見(jiàn)THD=154.15%。（THD諧波失真是指輸出信號(hào)比輸入信號(hào)多出的諧波成分。所有附加諧波電平之和稱為總諧波失真。總諧波失真與頻率有關(guān)。）6.2感容濾波的單相橋式不控整流電路輸入電壓為220V、50HZ，參數(shù)R=2，C=3e-2F，L=20mH，由圖可見(jiàn)輸出電壓為220V左右，輸出電流大致為100A，但是相比電阻性負(fù)載，輸出電流波形更加平直，輸入電流上升段平緩了很多。即電感的平波作用體現(xiàn)明顯，更加有利于電路的工作。輸入電流的諧波分析同樣采用powergui元件，在structure里面選擇ScopeData，starttime設(shè)置為0.6S,得到的諧波分析圖如下，其中可見(jiàn)THD=48.49%?？梢?jiàn)，電感的加入使得THD從154.15%降為48.49%，有明顯的削弱諧波的作用。以一小部分波形為例說(shuō)明電感的作用，截圖如下：在輸入交流電壓正半周，當(dāng)達(dá)到二極管導(dǎo)通電壓后，二極管VD1和VD4導(dǎo)通，由于電感的加入，相比沒(méi)有電感時(shí)，在電壓上升期，電感可以儲(chǔ)存一部分能量，以阻礙電壓的上升，使得上升電壓變得平緩。當(dāng)電壓下降時(shí)，儲(chǔ)存在電感中的電能釋放，使得下降電壓變得平緩。可見(jiàn)一個(gè)20mH的電阻已經(jīng)使輸入電流的上升變得相當(dāng)平緩，即電感的接入對(duì)于波形的改善是很明顯的。7幾個(gè)參數(shù)的改變對(duì)輸入電流波形的影響7.1電阻性負(fù)載（輸入電壓為220V、50HZ，參數(shù)R=2，C=inf，L=0mH）輸入電流波形如上圖，其中由于負(fù)載為電阻，故而輸入電流波形接近于正弦波，此時(shí) THD=0.44%，說(shuō)明此時(shí)電阻性負(fù)載產(chǎn)生的諧波很小。7.2電阻性負(fù)載帶電容濾波（輸入電壓為220V、50HZ，參數(shù)R=2，L=0mH）7.2.1電阻不變，電容變化時(shí)波形及諧波情況如下：電容C=3e-2F時(shí)：由于電容的加入，使得電路的諧波增大，THD=157.90%，諧波總失真變大。電容增大時(shí)（C=4e-2F）時(shí)，波形及諧波分析如下：可見(jiàn)，電容的增大，使得THD變化為168.50%，諧波總失真進(jìn)一步增大。當(dāng)電容減小時(shí)（C=4e-3F），時(shí)，波形及諧波分析如下：可見(jiàn)，當(dāng)電容減小時(shí)，輸入電流波形變得更加不規(guī)則，但是THD=78.37%，相對(duì)電容為C=3e-2時(shí)F有所減小。當(dāng)電容進(jìn)一步減小為（C=2e-3F）時(shí)，波形及諧波分析如下：此時(shí)輸入電流THD=58.47%，可見(jiàn)輸入電流總諧波失真進(jìn)一步減小。輸入電壓為220V、50HZ，參數(shù)R=2，L=0mH時(shí)，電容改變時(shí)各數(shù)據(jù)如下：組別FundamentalTHDC=inf（阻性）108.80.44%C=4e-2F214.2168.50%C=3e-2F213157.90%C=4e-3F126278.37%C=2e-3F93.658.47%由表格數(shù)據(jù)可知，隨著電容C的減小，總諧波失真越來(lái)越小，即RC越大，負(fù)載越輕，同時(shí)，從波形上看，電容的主要影響有：1）電容越大，濾波效果更加明顯，輸入電流波形更加規(guī)整，更加接近于鋸齒波。2）電容越大，其所能儲(chǔ)存的電能越多，釋放時(shí)的沖擊電流也就越大。7.2.2電容不變，電阻改變時(shí)的輸入電流波形和諧波分析R=2，C=3e-2F，L=0mH，starttime設(shè)置為0.4s，諧波分析如下：R=2.5，C=3e-2F，L=0mH，starttime設(shè)置為0.4s，諧波分析如下：R=3，C=3e-2F，L=0mH，starttime設(shè)置為0.4s，諧波分析如下：R=3.5，C=3e-2F，L=0mH，starttime設(shè)置為0.4s，諧波分析如下：組別FundamentalTHDR=2213157.90%R=2.5170.5170.42%R=3148.4176.12%R=3.5126187.78%由此可見(jiàn)，電容不變，隨電阻的增大，輸入電流的總諧波失真THD逐漸增大。即電阻在增大的過(guò)程中，使得輸出電流減小，與輸入電流的偏差增大。7.3阻感負(fù)載帶電容濾波（輸入電壓為220V、50HZ，參數(shù)R=2，C=3e-2F）L=0mH時(shí)，starttime設(shè)置為0.4s，輸入電流如下：輸入電流諧波分析：L=20mH時(shí)，輸入電流達(dá)到穩(wěn)態(tài)后的波形如下：輸入電流諧波分析（此時(shí)starttime設(shè)置為0.6s，因?yàn)榇藭r(shí)已達(dá)穩(wěn)態(tài)）：L=40mH時(shí)，輸入電流波形如下：輸入電流諧波分析：L=60mH，輸入電流波形如下：輸入電流諧波分析：諧波分析如下：組別FundamentalTHDL=0213157.90%L=20mH87.0248.49%L=40mH87.5748.34%L=60mH88.248.25%電感從0到60mH，交流側(cè)輸入電流波形變化變緩，即隨著電感的增加，波形的平化程度增加。從表格中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，從無(wú)電感到有電感，總諧波失真THD有一個(gè)明顯的減小，而對(duì)于從20-60mH的過(guò)程中，總諧波失真雖然也在減小，但是變化較小。8主要結(jié)論通過(guò)主要仿真波形的觀察比較，可以得出以下結(jié)論： （1）電容濾波的單相橋式不控整流電路交流側(cè)電流除了含有基波分量外，還含有一系列的高次的奇數(shù)次諧波，諧波幅值與諧波次數(shù)成反相關(guān)。（2）電容濾波的單相橋式不控整流電路直流側(cè)電壓除了直流分量外，還含有一系列的高次諧波，且以偶次諧波為主，且諧波次數(shù)越高，諧波幅值越小。（3）電容濾波的單相橋式不控整流電路交流側(cè)電壓諧波的主要來(lái)源為電路中的電容和電阻，即可視作與RC正相關(guān)。（4）電容有濾波作用，在電容濾波的單相橋式不控整流電路中其他參數(shù)一致的情況下，電容越大，諧波幅值越大，THD越大。但由于電容的濾波作用，可以使得輸入電流在形狀上更為接近鋸齒波。（5）電感有平波作用，在電容濾波的單相橋式不控整流電路中其他參數(shù)不變，直流側(cè)加入電感越大，THD越小。同時(shí)由于電感的平波作用，使得直流輸出電流波形更加平緩，穩(wěn)態(tài)后更加接近于直流波形，同時(shí)輸入電流的上升變得平緩。（6）電容濾波的單相橋式不控整流電路直流側(cè)電阻的增大會(huì)使得THD增大。9心得體會(huì)在本次課程設(shè)計(jì)中，我學(xué)到了很多東西。首先是關(guān)于matlab仿真軟件的使用以及單相橋式不控整流電路的相關(guān)原理。繼上學(xué)期三相半波可控整流電路的原理與性能分析使用matlab仿真軟件進(jìn)行仿真后，本次的仿真明顯的更加熟練，對(duì)于例如示波器的參數(shù)設(shè)置、元件的選取以及help功能的使用，都更為熟練。其次是對(duì)于接觸一個(gè)陌生東西時(shí)候的一種解決思路和方法。以此次課程設(shè)計(jì)為例，從單相橋式不控整流電路出發(fā)，分別考慮電阻性負(fù)載、阻感性負(fù)載。電阻性負(fù)載加電容濾波、阻感性負(fù)載加電容濾波等不同情況，思路清晰