學(xué)年論文范例

1、學(xué)年論文 題 目 十二脈波整流電路的研究 學(xué)生姓名 學(xué) 號 學(xué) 院 信息與控制專 業(yè) 電氣工程與自動化指導(dǎo)教師 邱曉惠二一一 年 十一 月 十一 日十二脈波整流電路的研究南京信息工程大學(xué) 信息與控制學(xué)院 08電氣一班，南京210044摘要：本文描述了整流電路的概念和分類，詳細(xì)分析了十二脈波整流電路的特點(diǎn)及工作原理，以及在風(fēng)力發(fā)電航空等領(lǐng)域的應(yīng)用情況，并簡單分析了十二脈波整流電路未來的發(fā)展前景。關(guān)鍵詞：整流電路;風(fēng)力發(fā)電；變壓整流器；自耦變壓器；1引言 隨著科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)力的不斷發(fā)展,越來越多的電子設(shè)備應(yīng)用到工業(yè)商業(yè)民用航空公用事業(yè)及軍事領(lǐng)域。大多數(shù)電子設(shè)備都需要將輸入的交流電壓經(jīng)整流濾波后得到

2、直流電壓，因此出現(xiàn)了多種形式和控制方法的整流器,整流裝置功率也進(jìn)一步增大,對電網(wǎng)的干擾也日益的嚴(yán)重,尤其是在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中,日益廣泛采用可控整流裝置來驅(qū)動直流電機(jī),其容量高達(dá)數(shù)萬千瓦,容易引起交流側(cè)的高次諧波。為了減輕整流裝置對電網(wǎng)的影響, 各種整流電路已經(jīng)廣泛運(yùn)用到許多電力電子等領(lǐng)域中，采用高頻PWM整流可以有效調(diào)節(jié)輸出電壓，使輸入電流近似于正弦波。但其成本高，且開關(guān)損耗大，效率不高。特別是在中大功率場合，高頻PWM整流的缺點(diǎn)就更加明顯。采用多脈波二極管整流可以降低設(shè)備成本，提高效率，并且不會產(chǎn)生額外的EMI。傳統(tǒng)的12脈波整流方式可以在輸入電流中消除57次諧波，且不會產(chǎn)生額外的EMI。這種

3、整流電路的功率因數(shù)較高,對減少電網(wǎng)中的諧波干擾十分有效,可以有效地消除電力系統(tǒng)中較高次數(shù)的諧波。2 整流電路2.1 整流電路分類整流就是將雙向的交流電轉(zhuǎn)換成單向的直流電。二極管的作用很多，整流是最重要的作用之一。二極管最主要的特性是單向?qū)щ?，所以整流這項工作自然可以由二極管來承擔(dān)。2.1.1 按組成器件分類整流電路按組成的器件可分為不可控整流電路、半控整流電路、全控整流電路3種: 不可控整流電路完全由不可控二極管組成, 電路結(jié)構(gòu)確定后, 其直流整流電壓和交流電源電壓值的比是固定不變的。半控整流電路由可控元件和二極管混合組成, 在這種電路中, 負(fù)載電源極性不能改變, 但平均值可以調(diào)節(jié)。在全控整流

4、電路中, 所有的整流元件都是可控的( SCR、GTR、GTO 等), 其輸出直流電壓的平均值及極性可以通過控制元件的導(dǎo)通狀況而得到調(diào)節(jié)。在這種電路中, 功率既可以由電源向負(fù)載傳送, 也可以由負(fù)載反饋給電源, 即所謂的有源逆變。2.1.2 按電路結(jié)構(gòu)分類按電路結(jié)構(gòu)可分為零式整流電路和橋式整流電路: 零式整流電路指帶零點(diǎn)或中性點(diǎn)的電路, 又稱半波整流電路。它的特點(diǎn)是所有整流元件的陰極或陽極)都接到一個公共接點(diǎn), 向直流負(fù)載供電,負(fù)載的另一根線接到交流電源的零點(diǎn)。橋式整流電路實(shí)際上是由兩個半波電路串聯(lián)而成, 故又稱全波整流電路。2.1.3 按電網(wǎng)交流輸入相數(shù)分類按電網(wǎng)交流輸入相數(shù)分為單相整流電路、三

5、相整流電路和多相整流電路: 小功率整流器常采用單相電源供電, 單相整流電路還可分為半波整流、全波整流、橋式整流及倍壓整流電路等。三相整流電路是交流側(cè)由三相電源供電, 負(fù)載容量較大, 或要求直流電壓脈動較小, 容易濾波。三相可控整流電路包括三相半波可控整流電路、三相半控橋式整流電路、三相全控橋式整流電路。因?yàn)槿嗾餮b置是三相平衡的, 輸出的直流電壓和電流脈動小, 對電網(wǎng)影響小, 且控制滯后時間短, 采用三相全控橋式整流電路時, 輸出電壓交變分量的最低頻率是電網(wǎng)頻率的6倍, 交流分量與直流分量之比也較小, 因此濾波器的電感量比同容量的單相或三相半波電路小得多; 另外, 晶閘管的額定電壓值也較低。

6、因此, 這種電路適用于大功率變流裝置。隨著整流電路功率的進(jìn)一步增大(如軋鋼電動機(jī), 功率達(dá)數(shù)MW ) , 為了減輕對電網(wǎng)的干擾特別是減輕整流電路高次諧波對電網(wǎng)的影響, 可采用十二相、十八相、二十四相, 乃至三十六相的多相整流電路。采用多相整流電路能改善功率因數(shù), 提高脈動頻率, 使變壓器初級電流的波形更接近正弦波, 從而顯著減少諧波的影響。理論上, 隨著相數(shù)的增加, 可進(jìn)一步削弱諧波的影響。多相整流常用在大功率整流領(lǐng)域, 最常用的有: 雙反星中性點(diǎn)帶平衡電抗器接法和三相橋式接法。2.1.4 按變壓器二次側(cè)電流方向分類按變壓器二次側(cè)電流的方向是單向或雙向, 又分為單拍整流電路和雙拍整流電路。其中

7、所有半波整流電路都是單拍電路, 所有全波整流電路都是雙拍電路。2.1.5 按控制方式分類按控制方式可分為相控式整流電路和斬波式整流電路。通過控制觸發(fā)脈波的相位來控制直流輸出電壓大小的方式稱為相位控制方式，簡稱相控方式。斬波式電路就是利用晶閘管和自關(guān)斷器件來實(shí)現(xiàn)通斷控制, 將直流電源電壓斷續(xù)加到負(fù)載上, 通過通斷的時間變化來改變負(fù)載電壓的平均值, 亦稱直流- 直流變換器。它具有效率高、體積小、質(zhì)量輕、成本低等優(yōu)點(diǎn), 廣泛應(yīng)用于直流牽引的變速拖動中, 如城市電車、地鐵、蓄電車等。斬波式電路一般分降壓斬波式電路, 升壓斬波式電路和復(fù)合斬波式電路3種。2.1.6 按引出方式分類按引出方式的不同分中點(diǎn)引

8、出整流電路、橋式整流電路、帶平衡電抗器的整流電路、環(huán)形整流電路、十二相整流電路: 中點(diǎn)引出整流電路分: 單脈波(單相半波)、兩脈波(單相全波)、三脈波(三相半波)、六脈波(六相半波)。橋式整流電路又分為兩脈波(單相)橋式、六脈波(三相)橋式。帶平衡電抗器的整流電路又分為一次星形連接的六脈波帶平衡電抗器電路(即雙反星帶平衡電抗器電路)和一次角形連接的六脈波帶平衡電抗器電路。十二相整流電路又分為二次星、三角連接, 橋式并聯(lián)(帶6f 平衡電抗器)單機(jī)組十二脈波整流電路; 二次星、三角連接, 橋式串聯(lián)十二脈波整流電路; 橋式并聯(lián)等值十二脈波整流電路; 雙反星形帶平衡電抗器等值十二脈波整流電路。2.2

9、整流電路作用原理2.2.1 半波整流電路 半波整流電路是一種最簡單的整流電路。它由電源變壓器B 、整流二極管D 和負(fù)載電阻Rfz ，組成。變壓器把市電電壓（多為220伏）變換為所需要的交變電壓e2，D 再把交流電變換為脈動直流電。 變壓器砍級電壓e2，是一個方向和大小都隨時間變化的正弦波電壓。在0K時間內(nèi)，e2為正半周即變壓器上端為正下端為負(fù)。此時二極管承受正向電壓面導(dǎo)通，e2通過它加在負(fù)載電阻Rfz上，在2 時間內(nèi)，e2為負(fù)半周，變壓器次級下端為正，上端為負(fù)。這時D承受反向電壓，不導(dǎo)通，Rfz，上無電壓。在2時間內(nèi)，重復(fù)0 時間的過程，而在34時間內(nèi)，又重復(fù)2時間的過程這樣反復(fù)下去

10、，交流電的負(fù)半周就被"削"掉了，只有正半周通過Rfz，在Rfz上獲得了一個單一右向（上正下負(fù)）的電壓，達(dá)到了整流的目的，但是，負(fù)載電壓Usc。以及負(fù)載電流的大小還隨時間而變化，因此，通常稱它為脈動直流。這種除去半周、圖下半周的整流方法，叫半波整流。不難看出，半波整說是以"犧牲"一半交流為代價而換取整流效果的，電流利用率很低（計算表明，整流得出的半波電壓在整個周期內(nèi)的平均值，即負(fù)載上的直流電壓Usc =0.45e2 ）因此常用在高電壓、小電流的場合，而在一般無線電裝置中很少采用。2.2.2 全波整流電路如圖1所示，全波整流電路，可以看作是由兩個半波整流電路

11、組合成的。變壓器次級線圈中間需要引出一個抽頭，把次組線圈分成兩個對稱的繞組，從而引出大小相等但極性相反的兩個電壓e2a 、e2b ，構(gòu)成e2a 、D1、Rfz與e2b 、D2、Rfz ，兩個通電回路。全波整流電路的工作原理，可用圖5-4 所示的波形圖說明。在0間內(nèi)，e2a 對Dl為正向電壓，D1 導(dǎo)通，在Rfz 上得到上正下負(fù)的電壓；e2b 對D2為反向電壓，D2 不導(dǎo)通。在-2時間內(nèi)，e2b 對D2為正向電壓，D2導(dǎo)通，在Rfz 上得到的仍然是上正下負(fù)的電壓；e2a 對D1為反向電壓，D1 不導(dǎo)通。 圖1 全波整流電路2.2.3 橋式整流電路如圖2所示，橋式整流電路是使用最多的一種整流電路。

12、這種電路，只要增加兩只二極管口連接成“橋”式結(jié)構(gòu)，便具有全波整流電路的優(yōu)點(diǎn)，而同時在一定程度上克服了它的缺點(diǎn)。橋式整流電路的工作原理如下：e2為正半周時，對D1、D3和方向電壓，Dl，D3導(dǎo)通；對D2、D4加反向電壓，D2、D4截止。電路中構(gòu)成e2、Dl、Rfz 、D3通電回路，在Rfz ，上形成上正下負(fù)的半波整洗電壓，e2為負(fù)半周時，對D2、D4加正向電壓，D2、D4導(dǎo)通；對D1、D3加反向電壓，D1、D3截止。電路中構(gòu)成e2、D2Rfz 、D4通電回路，同樣在Rfz 上形成上正下負(fù)的另外半波的整流電壓。如圖2 橋式整流電路如此重復(fù)下去，結(jié)果在Rfz ，上便得到全波整流電壓。其波形圖和全波整

13、流波形圖是一樣的。橋式電路中每只二極管承受的反向電壓等于變壓器次級電壓的最大值，比全波整流電路小一半。如圖3所示，三相橋式全控電路TR為三相整流變壓器，其接線組別采用Y/Y-12。VT1VT6為晶閘管元件，F(xiàn)U1FU6為快速熔斷器。TS為三相同步變壓器，其接線組別采用/Y-11。P端為集成化六脈波觸發(fā)電路+24V電源輸出端，接脈波變壓器一次繞組連接公共端。P1P6端為集成化六脈波觸發(fā)電路功放管V1V6集電極輸出端，分別接脈波變壓器一次繞組的另一端。UC端為移相控制電壓輸入端。圖3 三相橋式全控電路如圖4所示，三相橋式半控整流電路與三相橋式全控整流電路基本相同，僅將共陽極組VT4，VT6，VT2

14、的晶閘管元件換成了VD4，VD6，VD2整流二極管，以構(gòu)成三相橋式半控整流電路。圖4 三相橋式半控整流電路2.3 12脈波整流電路的原理12脈波串聯(lián)整流電路的原理圖見圖5。其中, T1和T2 為2 組整流橋串聯(lián); T為整流變壓器,其二次側(cè)的繞組a2 , b2 , c2 和a3 , b3 , c3 分別采用Y形和形聯(lián)結(jié),構(gòu)成30°相位差的兩組電壓,而形聯(lián)結(jié)的變壓器二次繞組相電壓為星形二次繞組相電壓的3倍,這樣2組交流電源的線電壓相等。圖5 12脈波串聯(lián)整流電路12脈波整流機(jī)組主電路的連接型式有兩種方案：一種是由一臺整流變壓器與兩臺整流裝置組成的單機(jī)組12脈波整流電路（簡稱“單機(jī)組12脈

15、波整流電路”）；另一種是由置于同一油箱內(nèi)的兩臺完全獨(dú)立的整流變壓器與兩臺整流裝置組成的雙機(jī)組等值12脈波整流電路（簡稱“等值12脈波整流電路”）。二者的連接方式如圖6、圖7所示。 圖6 單機(jī)組12脈波整流電路 圖7 等值12脈波整流電路3 12脈波整流電路的研究現(xiàn)狀12脈波整流系統(tǒng)以結(jié)構(gòu)簡單，可顯著提高功率因數(shù)和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，在大功率整流系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用價值，國內(nèi)外許多學(xué)者自世紀(jì)年代末以來對多脈波整流技術(shù)開展研究。年美國學(xué)者提出了以自耦變壓器代替隔離式變壓器的方法后，多脈波整流裝置體積大大減小，引起航空、采礦、運(yùn)輸?shù)缺姸鄳?yīng)用領(lǐng)域的關(guān)注。文獻(xiàn)對自耦式脈波整流裝置進(jìn)行了初步分析，隨著研究的深

16、入，甚至提出了，脈波的自耦變壓整流裝置，并提出了對稱式和非對稱式多脈波整流的實(shí)現(xiàn)方案，采用對稱結(jié)構(gòu)的自耦式脈波整流結(jié)構(gòu)簡單，在同等容量條件下自耦變壓器比隔離變壓器體積更小，且性能滿足大多數(shù)場合對電流諧波的要求，因此運(yùn)用較為廣泛。文獻(xiàn)對自耦式脈波整流器的工作原理、輸入電流特性、輸出電壓特性和移相變壓器的等效容量進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析。文獻(xiàn)對移相變壓器等效電路、平衡電抗器及激磁電流產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，提出了實(shí)現(xiàn)均流的控制方法。文獻(xiàn)給出了脈波自耦移相變壓器的設(shè)計過程，并對不對稱式多脈波整流進(jìn)行了詳細(xì)的分析。文獻(xiàn)分析了輸入電壓不平衡對自耦式脈波整流系統(tǒng)的影響，提出了利用諧波抑制電抗器以減小輸入電流諧波的

17、方法。從眾多文獻(xiàn)來看，對自耦式多脈波整流的研究重點(diǎn)，主要集中在自耦移相變壓器的分析和新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究上，而對關(guān)鍵部件平衡電抗器的研究不足。平衡電抗器在電路中主要起到均壓、均流的作用，保證了輸出電壓脈波的合成，并降低輸入電流總諧波含量。合理的平衡電抗器設(shè)計可以提高并聯(lián)橋臂的利用效率。文獻(xiàn)建立了自耦式脈波整流的非線性仿真模型，并對平衡電抗器在不同參數(shù)的情況下進(jìn)行仿真分析，但未給出具體的電感設(shè)計方法。文獻(xiàn)，給出了平衡電抗器電感量的估算方法，該電感量要保證平衡電抗器能在所規(guī)定的最小負(fù)載電流情況下能正常工作，但其計算時只考慮了平衡電抗器次諧波電壓，忽略了平衡電抗器直流電阻的影響，因此計算誤差較大，在實(shí)

18、際工程運(yùn)用中往往要經(jīng)過多次的調(diào)整才能保證平衡電抗器的設(shè)計達(dá)到最佳。全控器件在整流過程中起至關(guān)重要的作用，因此，全控器件的研究在很大程度上決定整流電路的研究方向。4 12脈波整流電路的應(yīng)用如今，12脈波整流電路廣泛應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電自耦變壓器航空飛機(jī)電源整流等領(lǐng)域。在直接驅(qū)動式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，由于發(fā)電機(jī)出口電壓的復(fù)制和頻率總在變化，所以需要先通過整流電路將該交流信號變換成直流電然后再經(jīng)過逆變器轉(zhuǎn)換為恒頻恒壓的交流電連接到電網(wǎng)。但是在整流過程中由于電力電子器件的作用使得電機(jī)側(cè)功率因數(shù)變低并且電流諧波增大，給發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行帶來了不利影響。為了滿足越來越重要的電機(jī)側(cè)電能質(zhì)量的要求，眾多研究人員和生產(chǎn)商在前

19、端變壓器中采用了多脈波拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)?；谙嘁普髦C波消去法的多脈波整流拓?fù)涮峁┝艘环N簡單無源可靠的消除諧波解決方法。該方法在輸入交流頻率較高且占空比優(yōu)化設(shè)計的情況下，電路所用的磁元件體積將非常小。此外，如果輸入輸出不需要隔離時，使用的相移自耦變壓器容量比脈波整流器的功率額定值小30左右。在該型電路中，整流器輸入通過內(nèi)部相移的變壓器進(jìn)行并聯(lián)，內(nèi)部相移作為大多數(shù)自耦變壓器的必要條件，盡管在降低自耦變壓器容量等級時沒有多大用處，但是該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了整流器間的瞬時電流平衡。在軸向分裂差接三角形自耦變壓器中，如圖8所示，兩組輸出電壓分別從三角形的某個部位對稱抽頭接出，其輸出電壓分別相差±15º

20、;，因此兩組輸出電壓間的相位差為30º，經(jīng)圖8 軸向分裂差接三角形自耦變壓器兩個不控整流橋輸出后獲得12脈波的直流電壓，小繞組電壓更小，輸出電壓降低，滿足要求。現(xiàn)代飛機(jī)為節(jié)省能源以及改善機(jī)載系統(tǒng)的性能, 越來越多地采用電能取代目前飛機(jī)上的液壓、氣壓能源。未來“ 多電飛機(jī)”的概念, 其目標(biāo)就是將原有的發(fā)動機(jī)直接驅(qū)動的機(jī)械、液壓和氣動驅(qū)動的負(fù)載更換為電氣驅(qū)動負(fù)載。飛機(jī)能源的重大革新給飛機(jī)電源系統(tǒng)帶來的挑戰(zhàn)首先是電源功率的增加, 于是大功率發(fā)電、供電系統(tǒng)的研究成為當(dāng)前主要內(nèi)容。而另一個挑戰(zhàn)是供電系統(tǒng)能否提供符合標(biāo)準(zhǔn)的電能源也成為必須要解決的問題。變壓整流器是飛機(jī)電源系統(tǒng)中的重要設(shè)備,可將交

21、流發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電變換為直流電, 向機(jī)上直流負(fù)載提供電能, 使系統(tǒng)不再配備直流發(fā)電機(jī)。變壓整流器在飛機(jī)電源系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛。為了降低波形畸變, 使輸出直流電壓平穩(wěn)，飛機(jī)電源系統(tǒng)變壓整流器可以采用帶均衡電抗器的12 脈波整流電路，如圖9所示。圖9 帶均衡電抗器的12 脈波整流電路一般來說, 對于十二相整流, 現(xiàn)在所用的方法大都是采用移相變壓器的Y 或者 鏈接來進(jìn)行移相, 使得變壓器的輸出角度能夠滿足我們的需求,但是對于設(shè)計來說, 空間往往能夠讓一個產(chǎn)品升華, 而這恰恰是眾多靠鐵心來傳遞能量的變壓器的致命傷。自耦變壓器的能量是通過導(dǎo)線來傳遞的, 在傳遞相同的功率時, 體積往往會更小, 然而在設(shè)

22、計電壓輸出端, 卻不會影響設(shè)計要求5 總結(jié)本文詳細(xì)介紹了半波全波橋式整流電路特別是12脈波整流電路的基本原理，并從組成器件電路結(jié)構(gòu)電網(wǎng)交流輸入相數(shù)變壓器二次側(cè)電流方向控制方式引出方式等方面將整流電路分類。在直接驅(qū)動式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，大功率12脈波整流器用的抽線分裂差接三角形自耦變壓器，具有理想的輸入輸出特性，變壓器容量體積不大等積極因素，具有良好的實(shí)際應(yīng)用價值和前景。12脈波整流在很大程度上消除了諧波對電網(wǎng)的影響, 避免了對電網(wǎng)的常見的3 次6 次諧波。不僅如此, 還消除了一些其他諧波對電網(wǎng)的影響。從以上分析可以看出,采用12脈波整流的聯(lián)結(jié)方法可以很好地抑制某些特定次數(shù)的高次諧波,有效的提高系

23、統(tǒng)的功率因數(shù),因此在大容量整流電路中特別是在發(fā)電變壓器整流等領(lǐng)域中有著重要的應(yīng)用，并有良好的發(fā)展前景。參考文獻(xiàn)：1張文斌. 靳 希. 12脈波整流電路MATLAB2Simulink仿真及諧波分析.華東電力.2008.42李建林.溫春雪.許洪華.12脈波整流電路在直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用研究.電源技術(shù)應(yīng)用.2007.123朱國榮.康勇.段善旭. 李勛.余蜜.羅雪肖. 12脈波整流器用的新型自禍變壓器機(jī)理分析.4李治國. 尚曉磊.周元鈞. 航空十二脈波變壓整流器分析. <<冶金自動化>>.2010.S15陳鵬.李曉帆.宮力.熊朝春.一種帶輔助電路的12脈波整流電路.中國電機(jī)工程學(xué)報.2006.126潘平仲.整流電路.學(xué)電子跟我來7耿慶魯.整流電路的分類.氯堿工業(yè).2007.48馬彥林，何禮高，杜恩利，李旭. 自耦式脈波整流