單相橋式不控整流電路的諧波分析 (2)

1、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原理與計算55.1 相關參數(shù)計算（以電容濾波為例）55.2主要數(shù)量關系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載76

2、.2感容濾波的單相橋式不控整流電路87.幾個參數(shù)的改變對輸入電流波形的影響97.1電阻性負載107.2電阻性負載帶電容濾波107.3阻感負載帶電容濾波158.主要結論189.心得體會1910.參考文獻191.引言電力電子技術中, 把交流電能變成直流電能的過程稱為整流，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，按照負載性質的不同，可以分為有電容濾波和無電容濾波兩類。如果把該電路的交流側接到交流電源上，把交流電能經(jīng)過交直變換，就能轉變成直流電能。本文主要對單相橋式不控整流電路的原理與性能進行討論,并主要分析其諧波。側重點在于借

3、助Matlab 的可視化仿真工具 Simulink 對單相橋式不控整流電路進行建模,選取合適的元件參數(shù)，實現(xiàn)電路的功能,并觀察不同元件參數(shù)改變時波形及諧波的變化情況，并得出相應的仿真結果。2.Matlab 軟件簡介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PSB以Simulink 為運算環(huán)境,涵蓋了電路、電力電子、電氣傳動和電力系統(tǒng)等電工學科中常用的基本元件和系統(tǒng)仿真模型。它由以下6個子模塊組成:電源模塊庫、連接模塊庫、測量模塊庫、基本元件模塊庫、電力電子模塊庫、電機模塊庫。在這6 個基本模塊庫的基礎上,根據(jù)需要還可以組合出常用的、復

4、雜的其它模塊添加到所需的模塊庫中,為電力系統(tǒng)的研究和仿真帶來更多的方便，本次仿真正是以Matlab中的Simulink 工具箱為基礎進行的。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。電阻負載時，在u正半周，VD1和VD4導通，其作用相當于導線，此時電流經(jīng)VD1、R、VD4回到電源，由于二極管導通電壓較小，此時輸出電壓波形為半個正弦波。在u負半周，VD2和VD3導通，其作用相當于導線，此時電流經(jīng)VD2、R、

5、VD3回到電源。在R上各得到半個整流電壓波形。這樣就在負載R上得到一個與全波整流相同的電壓波形，其電流的計算與全波整流相同，即 U = 0.9UI= 0.9 U/R       流過每個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。其基本工作過程為：在u正半周過零點，當u<u,二極管均不導通，此階段電容C向R放電，提供負載所需電流，同時u下降。至

6、u剛剛超過u，使得VD1和VD4開通，u= u，交流電源向電容充電，同時向負載R供電。在u負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實驗電路如下：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明其仿真模型的建立。單相交流電源AC1參數(shù)設置為（Um=220V，f=50HZ），整流橋選用普通二極管，參數(shù)不用修改。輸出端接電阻性負載，可以模擬仿真各類電阻性負載，由于要求輸出電流為10

7、0A，故負載選擇Series RLC Branch，參數(shù)設置為R=2、L=0mH、C=inf，即將電感視為零，電容視為無窮大，變?yōu)殡娮栊载撦d。同樣，為了實現(xiàn)電容濾波，與電阻并聯(lián)支路負載選擇Series RLC Branch，參數(shù)設置為R=0、L=0mH、C=3e-2F，此時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，故仿真時間設置為1秒，即50個周期。用幾個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

8、原理與計算5.1 相關參數(shù)計算（以電容濾波為例） iVD1 VD3 iu i i VD2 VD4 該電路的基本工作過程是，在u正半周過零至t=0期間，因u<u，故二極管均不導通，此階段電容C向R放電，提供負載所需電流，同時u下降。至t=0之后，u將要超過u使得VD1和VD4導通，u=u，交流電源向電容充電，期間向負載R供電。設VD1和VD4導通的時刻與u過零點相距角，則u=Usin（t+） （1）在VD1和VD4導通期間，以下方程成立： u（0）=Usin （2）u（0）+d= u （3）式中， u（0）為VD1和VD4開始導通時刻的直流側電壓值。將（1）代入并求解得: i=CUcos（

9、t+） （4）而負載電流為: i= sin（t+） （5）由此可知:i= i+ i=CUcos（t+）+ sin（t+） （6）設VD1和VD4的導通角為，則當t=，VD1和VD4關斷。將i（）=0代入式（6），得:tan)=- (7)電容被充電到t=時，u=u=Usin（+），VD1和VD4關斷。電容開始以時間常數(shù)RC按指數(shù)函數(shù)放電。當t=，即放電經(jīng)過-角時，u降至開始充電時的初值Usin，另一對二極管VD2和VD3導通，此后u又向C充電，與u正半周的情況一樣。由于二極管導通后u開始向C充電時的u與二極管關斷后C放電結束時的u相等。和僅由乘積RC決定。5.2主要數(shù)量關系輸出電壓平均值 空載時

10、，R=，放電時間常數(shù)為無窮大，輸出電壓最大，U=U。整流電壓平均值U可根據(jù)前述波形及有關計算公式推導得出。空載時，U=U；重載時，R很小，電容放電很快，幾乎失去儲能作用。隨負載加重，U逐漸趨近于0.9U，及趨近于電阻負載時的特性。根據(jù)負載情況選擇電容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，電容C在一個電源周期內(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在一個電源周期中，i有兩個波頭，分別輪流流過VD1、VD4和VD2、VD3.

11、反過來說，流過某個二極管的電流i只是兩個波頭中的一個，其平均值為i= （10）在給定的實驗數(shù)據(jù)中，代入以上公式計算知本次仿真主要參數(shù)為輸入電壓為220V、50HZ，在負載電阻參數(shù)R=2時，電容參數(shù)設置為C=3e-2F。5.3單相橋式不可控整流電路諧波分析實用的單相不控整流電路帶電容濾波時，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） 與帶阻感負載的單相全控橋整流電路相比，諧波與基波的關系是不固定的，RC越大，則諧波越大，而基波越小。這是因為，RC越大，意味著負載越輕，二極管的導通角越小，則交流

12、側電流波形的底部就越窄，波形畸變也越嚴重。4） 越大，則諧波越小，因為串聯(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載輸入電壓為220V、50HZ，參數(shù)R=2，C=3e-2F，由圖可見輸出電壓為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設置為0.2S,得到的諧波分析圖如下，其中可見THD=154.15%。（THD諧波失真是指輸出信號比輸入信號多出的諧波成分。所有附加諧波電平之和稱為總諧波失真

13、。總諧波失真與頻率有關。）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，由圖可見輸出電壓為220V左右，輸出電流大致為100A，但是相比電阻性負載，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設置為0.6S,得到的諧波分析圖如下，其中可見THD=48.49%。可見，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明電感的

14、作用，截圖如下：在輸入交流電壓正半周，當達到二極管導通電壓后，二極管VD1和VD4導通，由于電感的加入，相比沒有電感時，在電壓上升期，電感可以儲存一部分能量，以阻礙電壓的上升，使得上升電壓變得平緩。當電壓下降時，儲存在電感中的電能釋放，使得下降電壓變得平緩。可見一個20mH的電阻已經(jīng)使輸入電流的上升變得相當平緩，即電感的接入對于波形的改善是很明顯的。7幾個參數(shù)的改變對輸入電流波形的影響7.1電阻性負載（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，其中由于負載為電阻，故而輸入電流波形接近于正弦波，此時 THD=0.44%，說明此時電阻性負載產(chǎn)生的諧波很小

15、。7.2電阻性負載帶電容濾波（輸入電壓為220V、50HZ，參數(shù)R=2，L=0mH）7.2.1電阻不變，電容變化時波形及諧波情況如下：電容C=3e-2F時：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（C=4e-2F）時，波形及諧波分析如下：可見，電容的增大，使得THD變化為168.50%，諧波總失真進一步增大。當電容減小時（C=4e-3F），時，波形及諧波分析如下：可見，當電容減小時，輸入電流波形變得更加不規(guī)則，但是THD=78.37%，相對電容為C=3e-2時F有所減小。當電容進一步減小為（C=2e-3F）時，波形及諧波分析如下：此時輸入電流THD

16、=58.47%，可見輸入電流總諧波失真進一步減小。輸入電壓為220V、50HZ，參數(shù)R=2，L=0mH時，電容改變時各數(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，總諧波失真越來越小，即RC越大，負載越輕，同時，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，其所能儲存的電能越多，釋放時的沖擊電流也就越大。7.2.2電容不

17、變，電阻改變時的輸入電流波形和諧波分析R=2，C=3e-2F，L=0mH，starttime設置為0.4s，諧波分析如下：R=2.5，C=3e-2F，L=0mH，starttime設置為0.4s，諧波分析如下：R=3，C=3e-2F，L=0mH，starttime設置為0.4s，諧波分析如下：R=3.5，C=3e-2F，L=0mH，starttime設置為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，電容不變，隨電阻的增大，輸入電流的總諧波失真THD逐漸增

18、大。即電阻在增大的過程中，使得輸出電流減小，與輸入電流的偏差增大。7.3阻感負載帶電容濾波（輸入電壓為220V、50HZ，參數(shù)R=2，C=3e-2F）L=0mH時，starttime設置為0.4s，輸入電流如下：輸入電流諧波分析：L=20mH時，輸入電流達到穩(wěn)態(tài)后的波形如下：輸入電流諧波分析（此時starttime設置為0.6s，因為此時已達穩(wěn)態(tài)）：L=40mH時，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=6

19、0mH88.248.25%電感從0到60mH，交流側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)，從無電感到有電感，總諧波失真THD有一個明顯的減小，而對于從20-60mH的過程中，總諧波失真雖然也在減小，但是變化較小。8主要結論通過主要仿真波形的觀察比較，可以得出以下結論： （1）電容濾波的單相橋式不控整流電路交流側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。（2）電容濾波的單相橋式不控整流電路直流側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

20、控整流電路交流側電壓諧波的主要來源為電路中的電容和電阻，即可視作與RC正相關。（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，直流側加入電感越大，THD越小。同時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電阻的增大會使得THD增大。9心得體會在本次課程設計中，我學到了很多東西。首先是關于matlab仿真軟件的使用以及單相橋式不控整流電路的相關原理。繼上學期三相半波可控整流電路的原理與性能分析使用matlab仿真軟件進行仿真后，本次的仿真明顯的更加熟練，對于例如示波器的參數(shù)設置、元件的選取以及help功能的使用，都更為熟練。其次是對于接觸一個陌生東西時候的一種解決思路和方法。以此次課程設計為例，從單相橋式不控整流電路出發(fā)，分別考慮電阻性負載、阻感性負載。電阻性負載加電容濾波、阻感性負載加電容濾波等不同情況