多相交流整流器的设计与仿真

1、多相交流整流器的设计与仿真摘要：本文通过分析PWM整流器的原理及其结构，分析谐波的重要性，并联与串联结构整流 电路的分析比较，基于MATLAB / SIMLLINK构建了串联12脉波整流电路仿真模型，给出了仿貞. 结果，并给予了相应的谐波分析，并分析了整流过程中可能遇到的短路，并给予相关计算尝 试设计滤波整流电路。关键词：整流电路：MATLAB：仿真；谐波：滤波Multi-phase AC Adapter Design and SimulationAbstract : This paper analyzes the principle and stnicture of PWM rectifie

2、r, harmonicanalysis of the importance of parallel and series rectifier circuit structure analysis and comparison. based on MATLAB / SIMULINK constructed series of 12 pulse rectifier circuit simulation model, the simulation Results, and given the corresponding harmonic analysis, and analysis of the r

3、ectifier circuit may be encountered in the process and give the relevant calculated attempt to design filter rectifier circuitKey words : rectifier circuit : simulation： MATLAB : harmonic； filter目录绪论.1第1章整流器介绍.21.1整流器概述.21.2原理.31.3二极管整流器.31.4晶闸管整流器.31.5整流器作用.31.6镇流器和整流器的作用有何区别.3第2章同步发电机.42.1同步发电机概述.

4、42.2工作原理.42.3多相同步发电机的相关问题.5第3章谐波.63.1整流器与谐波.63.2谐波定义.63.3谐波的产生.63.4谐波的危害.7341谐波的一般危害 .73.4.2谐波与公用电网以及其他系统.7第4章PWM整流器 .84.1 PWM整流器研究的重要性.84.2 PWM产生的背景.94.3传统的整流电路.94.4 PWM整流器与传统的整流器比较 .94.5 PWM整流器的分类 .10第5章 多相整流发电机短路电流计算方法.12要计算整流发电机短路电流，首先要满足以下假设: .12第6章并联与串联结构的整流系统.166.1整流系统的计算及串联系统的选择.166.1.1串联运行方

5、式.176.2.2并联运行方式.186.1.3试验验证 .19第7章整流电路及谐波的仿真与滤波.217.1MATLAB简要介绍 .217.2电路的选择以及仿真.227.2.1结构简历与仿真.227.2.2 6脉波与12脉波整流电路输出波形比较 .24第8章电路谐波与滤波器设计.258.1工作原理分析.258.2谐波分析.258.3滤波器设计原理与方法.268.3.1设计准贝IJ.268.3.2设计步骤 .268.3.4滤波器对电网频率波动的适应性.26结论.28参考文献.29致谢.30随着工业技术的飞速发展，人们对所使用的电能的质量要求越来越高：在能源日益危机 的今天，以高效节能、优质合理使用

6、电能为特点的电力电子装置得到了前所未有的发展。然 而，电力电子技术在给人们的生活带来方便的同时，也引发了新问题，即对电网的污染问题。 传统的整流电路一般采用不控整流，输出并联大电容滤波。这种电路的优点是具有很高的可 靠性，简单易用，不需要控制电路。但即使负载为纯阻负载，由于滤波电容的使用，整流电 路的入端电流为脉冲电流，谐波含量十分丰富。列外由于对输岀电压没有控制，输出电压随 负载波动变化较大，使得下一级电路的设计必须留出一泄的裕屋，造成对器件使用效率的限 制。在一些电路中采用相控整流虽然可以对输岀直流电压进行控制，但是这种电路的入端电 流谐波含量很髙，而且还造成电流的滞后。整流装置功率越大。

7、它对电网的干扰也越严重。而在一个电源周期中整流输出电压脉波 数ITI越多.则输出电压中的谐波阶次越高，谐波幅值越小.整流特性越好，同时整流装程 的交流电流中的谐波频率越髙,谐波电流数值也越小。为了减轻整流装巻谐波对电网的影响, 可采用12脉波.甚至更高次脉波的多相整流电路。第1章整流器介绍1.1整流器概述整流器是一个整流装置，简单的说就是将交流（AC）转化为直流（DC）的装置。它有 两个主要功能：第一，将交流电（AC）变成直流电（DC）,经滤波后供给负载，或者供给逆变 器：第二，给蓄电池提供充电电压。因此，它同时又起到一个充电器的作用。整流器是经过汽车发电机整流过后的宜流电，波型仍然具有不规则

8、的波动，直接影响了车辆 点火的准确性：输出电压无法保持相对恒立，造成每次火花塞点火的能量差别大容易使您的 爱车引擎抖动，出现换档顿挫、提速缓慢无力、怠速不稳以及车用空调效率低下等情形。从 而大大降低了车载电器设备的性能和使用寿命：再加上髙龄汽车的电路系统老化，电路阻吭 变髙的影响，对您的爱车的影响也就变得日益明显。电子整流器是的作用是帮助车消除杂波 干扰、稳泄输出电压、提髙电源系统的瞬间放电能力、增加扭力输出、加快油门反应、延长 电池使用寿命、缩短汽车引擎启动时间、提高点火效率等，尤其是对小排量的车，效果比较 明显。 半导体PN结在正向偏置时电流很大，反向偏置时电流很小。整流二极管就是利 用P

9、7结的这种单向导电特性将交流电流变为直流的一种PN结二极管。通常把电流容量在1 安以下的器件称为整流二极管，1安以上的称为整流器。常用的半导体整流器有硅整流器和 硒整流器，产品规格很多，电压从几十伏到几千伏，电流从几安到几千安。整流器广泛用于 各种形式的整流电源中。图1-1整流器大功率整流电源要求整流器的电流容量大、击穿电压高、散热性能好，但这种器件的结而 积大、结电容大，因而工作频率很低，一般在几十千赫以下。硅材料的禁带宽度较大，导热 性能良好，适于制作大功率整流器件。在耐高压的整流装置中常采用高压硅堆，它由多个整 流器件的管芯串联组成，英反向耐压由管芯的耐压及串联管芯数决沱，最髙耐压可达几

10、百千 伏。如果髙频整流电路用于很髙频率下，当交流电压的周期与整流器通态到关态的恢复时间 相当时，整流器对高频电压不再起整流作用。为适应高频工作的需要，通常在硅整流器中采 用掺金的方法，以缩短注入少数载流子的寿命，从而达到减小恢复时间的目的。 为了 减小器件因过压击穿造成损坏的可能性和提髙整流装程的可靠性，可采用硅雪崩整流器。在 这种器件中，当反向电压超过允许峰值时，在整个PN结上发生均匀的雪崩击穿，器件可工 作在高压大电流下，故能承受相当大的反向浪涌功率。制作这种器件时要求材料缺陷少，电 阻率均匀，结面平整，外需结区还应进行适当保护，避免发生表而击穿。硒整流器的抗过载 容量大，承受反向浪涌功率

11、的能力也较强。1.2原理在以大功率二极管或晶闸管为基础的两种基本类型的整流器中，电网的高压交流功率通 过变压器变换为直流功率。提到未来的英它类型整流器：以不可控二极管前沿产品为基础的 斩波器、斩波直流/直流变换器或电流源逆变型有源整流器。显然，这种最新型的整流器在 技术上包含较多要开发的内容，但是它能显示岀优点，例如它以非常小的谐波F扰和1的功 率因数加载于电网。1.3二极管整流器所有整流器类別中最简单的是二极管整流器。在最简单的型式中，二极管整流器不提供 任何一种控制输岀电流和电压数值的手段。为了适用于工业过程，输出值必须在一左范用内 可以控制。通过应用机械的所谓有载抽头变换器可以完成这种控

12、制。作为典型情况，有载抽 头变换器在整流变压器的原边控制输入的交流电压，因此也就能够在一左范用内控制输岀的 直流值。通常有载抽头变换器与串联在整流器输出电路中的饱和电锯器结合使用。通过在电 抗器中引入直流电流，使线路中产生一个可变的阻抗。因此，通过控制电抗器两端的电压降, 输出值可以在比较窄的范围内控制。1.4晶闸管整流器在设计上非常接近二极管整流器的是晶闸管整流器。因为晶闸管整流器的电参数是可控 的，所以不需要有载抽头变换器和饱和电抗器。因为晶闸管整流器不包含运动部件，所以晶闸管整流器系统的维修减少了。注意到的一个优点是晶闸管整流器的调巧速度较二极 管整流器快。在过程特性的阶跃期间，晶闸管整

13、流器常常调肖很快，以致能够避免过电流。 其结果是晶闸管系统的过载能力能够设计得比二极管系统小。1.5整流器作用整流器是一个整流装置，简单的说就是将交流(AC)转化为直流(DC)的装巻。它有两 个主要功能：第一，将交流电(AC)变成直流电(DC),经滤波后供给负载，或者供给逆变 第二，给蓄电池提供充电电压。因此，它同时又起到一个充电器的作用。1.6镇流器和整流器的作用有何区别把交流电变成直流电的设备就称为整流器。按照所采用的整流器件，可分为机械式、 电子管式和半导体式几类。电感镇流器是一个铁芯电感线圈，电感的性质是当线圈中的电流发生变化时，则在线圈 中将引起磁通的变化，从而产生感应电动势，其方向

14、与电流的方向相反，因而阻碍着电流变 化。第2章同步发电机2.1同步发电机概述目标是多相整流器的设汁，涉及到整流器两端交流直流问题，以及前而的同步发电机, 所以我们将介绍一下，同步发电机，及相关知识： 转子转速与定子旋转磁场的转速相同的交流发电机。按结构可分为旋转电枢和旋转磁场两 种。当它的磁极对数为P、转子转速为n时，输岀电流频率f二np/60（赫）。作发电机运行的同步电机。是一种最常用的交流发电机。在现代电力工业中，它广泛用于 水利发电、火力发电、核能发电以及柴油机发电。由于同步发电机一般采用直流励磁，当其单机独立运行时，通过调石励磁电流，能方便 地调节发电机的电压。若并入电网运行，因电压由

15、电网决左，不能改变，此时调盯励磁电流 的结果是调节了电机的功率因数和无功功率。同步发电机的立子、转子结构与同步电机相同，一般采用三相形式，只在某些小型同步 发电机中电枢绕组采用单相。2.2工作原理主磁场的建立：励磁绕组通以直流励磁电流，建立极性相间的励磁磁场，即建立起主 磁场。载流体：三相对称的电枢绕组充当功率绕组，成为感应电势或者感应电流的载体。切割运动：原动机拖动转子旋转（给电机输入机械能），极性相间的励磁磁场随轴一 起旋转并顺次切割泄子各相绕组（相当于绕组的导体反向切割励磁磁场）。交变电势的产生：由于电枢绕组与主磁场之间的相对切割运动，电枢绕组中将会感 应出大小和方向按周期性变化的三相对

16、称交变电势。通过引出线，即可提供交流电源。感应电势频率：感应电势的频率决圧于同步电机的转速n和极对数p交变性与对称性：由于旋转磁场极性相间，使得感应电势的极性交变：由于电枢绕 组的对称性，保证了感应电势的三相对称性。同步转速从供电品质考虑，由众多同步发电机并联构成的交流电网的频率应该是一 个不变的值，这就要求发电机的频率应该和电网的频率一致。我国电网的频率为50Hz.2.3多相同步发电机的相关问题多相同步发电机一般也是采用直流励磁，而且是自己发电自己利用，然而发电机流出来 的电是交流电，我们需要将英转化为直流电，从而供给励磁以及负载，整流过程中将会遇到 很多值得我们分析的问题，如谐波等第3章谐

17、波3.1整流器与谐波随着工业技术的飞速发展，人们对所使用的电能的质虽:要求越来越髙；在能源日益危机 的今天，以髙效肖能、优质合理使用电能为特点的电力电子装置得到了前所未有的发展。然 而，电力电子技术在给人们的生活带来方便的同时，也引发了新问题，即对电网的污染问题。 传统的整流电路一般采用不控整流，输出并联大容滤波。这种电路的优点是具有很高的可靠 性，简单易用，不需要控制电路。但即使负载为纯阻负载，由于滤波电容的使用，整流电路 的入端电流为脉冲电流，谐波含量十分丰富。另外由于对输出电压没有控制，输出电压随负 载波动变化较大，使得下一级电路的设讣必须留岀一肚的裕量，造成对器件使用效率的限制。 在一

18、些电路中采用相控整流虽然可以对输岀直流电压进行控制，但是这种电路的入端电流谐 波含量很髙，而且还造成电流的滞后。不控或相控整流电路的谐波污染和功率因数低下形成 了人们常说的电力公害，其中尤以谐波污染为甚。大量的谐波会引起电力线路和设备发热增 加、损耗加大，破坏绝缘，影响使寿命。谐波也会影响电力系统中继电保护装置和自动控制 系统的工作，给电网带来危害。谐波引起的电磁场还会耦合至通讯线路，影响通讯质量。为 了保证电网和用电设备的安全经济运行，目许多工业发达国家、国际电工组织以及一些大电 力公司都制定了相应的谐波标准，对用电设备的入端性能作出严格的限制，如IEC555-2、 IEEE519等。这些标

19、准对电器的入端功率因数和入端电流各次谐波的含量都作出了具体的限 立。随着这些规范逐渐被各国采用功率因数和谐波含疑成为电力电子系统设汁人员必须考虑 的问题。3.2谐波定义定义：从严格的意义来讲，谐波是指电流中所含有的频率为基波的整数倍的电量，一 般是指对周期性的非正弦电量进行傅里叶级数分解，其余大于基波频率的电流产生的电量。 从广义上讲，由于交流电网有效分量为工频单一频率，因此任何与工频频率不同的成分都可 以称之为谐波，这时谐波”这个词的的意义已经变得与原意有些不符。正是因为广义的谐 波概念，才有了 “分数谐波”、“间谐波”、“次谐波”等等说法。 产生的原因：由于正 弦电压加压于非线性负载，基波

20、电流发生畸变产生谐波。主要非线性负载有UPS、开关电源、 整流器、变频器、逆变器等。3.3谐波的产生用傅里叶分析原理，能够把非正弦曲线信号分解成基本部分和它的倍数。 在电力 系统中，谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。当电流流经负载时，与所加的电压不 呈线性关系，就形成非正弦电流，即电路中有谐波产生。由于半导体晶闸管的开关操作和二 极管、半导体晶闸管的非线性特性，电力系统的某些设备如功率转换器比较大的背离正弦曲 线波形。 谐波电流的产生是与功率转换器的脉冲数相关的。6脉冲设备仅有5、7、11、13、17、19.n倍于电网频率。功率变换器的脉冲数越髙，最低次的谐波分虽的频率的 次数就越高。苴

21、他功率消耗装置，例如荧光灯的电子控制调节器产生大强度的3次谐波（150赫兹）。在供电网络阻抗（电阻）下这样的非正弦曲线电流导致一个非正弦曲线的电压降。在供电网络阻抗下产生谐波电压的振幅等于相应谐波电流和对应于该电流频 率的供电网络阻抗Z的乘积。次数越高，谐波分量的振幅越低。只要哪里有谐波源那里就有谐波产生。也有可能，谐波分量通过供电网络到达用户网络。例如，供电网络中一 个用户工厂的运转可能被相邻的另一个用户设备产生的谐波所干扰。3.4谐波的危害3.4.1谐波的一般危害降低系统容量如变圧器、断路器、电缆等：加速设备老化，缩短设备使用寿命，甚至损 坏设备；危害生产安全与稳泄：浪费电能等。3.4.2

22、谐波与公用电网以及其他系统理想的公用电网所提供的电压应该是单一而固定的频率以及规泄的电圧幅值。谐波电流和谐波电压的岀现，对公用电网是一种污染，它使用电设备所处的环境恶化，也对周圉的能耐。在电力电子设备广泛应用以前，人们对谐波及英危害就进行过一些研究，并有一龙认识，但那时谐波污染还没有引起足够的重视。近三四十年来，各种电力电子装巻的迅速发展使得公用电网的谐波污染日趋严重，由谐波引起的各种故障和事故也不断发生， 谐波危害的严重性才引起人们高度的关注。谐波的危害十分严重。谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低，使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化，使用寿命缩短, 甚至发生故障或烧毁。谐波可引

23、起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波含量放大，造 成电容器等设备饶毁。谐波还会引起继电保护和自动装置误动作，使电能讣量岀现混乱。对 于电力系统外部，谐波对通信设备和电子设备会产生严重干扰。谐波对公用电网和其他系统的危害大致有以下几个方面：加大企业的电力运行成本引发供电事故的发生导致设备无法正常工作引发恶性事故导致线路短路降低产品质虽彫响通讯系统的正常工作降低了供电的可靠性因此我们在设计整流电路时必须考虐到谐波，产生多大的谐波，并对英检测看是否 符合标准，有条件有必要最好是用滤波装登进行调试。第4章PWM整流器4.1 PWM整流器研究的重要性关于整流器，我们不得不说的是PWM整流，包括一些经

24、典的单相半波可控整流，单相 桥式全控整流，单相桥式半控整流，三相半波可控整流，三相桥式全控整流，三相桥式半控 整流等近年来，在国内外的整流器研究方而，做了不少的工作，PWM整流器应用将会越来越广泛, 单位功率因数整流器的研究已成为电力电子领域的一个热点。目前PWM整流器研究主要是探 索新的电路拓扑和如何提髙整流器的稳态、动态性能。在主电路拓扑方而，除基本的电压源 型和电流源型三相单开关和三相多开关PWM整流器主电路外，现已出现三电平、五电平和七 电平结构，随着功率器件性能和应用水平的提髙，将会有更好的主电路拓扑结构出现。在控 制方法方而，目前，已有多种控制策略在整流器中得到应用，如同步旋转坐标

25、系下的电流 控制很好地解决了系统的稳定性能问题，但在提高动态性能方而，如何降低系统对参数的敏 感程度，可利用如模糊控制、神经网络控制、变结构控制、状态反馈等先进控制技术来提髙 系统的鲁棒性和其它动态性能；另外，提高系统非对称或非正弦输入电压性能的研究也是 目前最新研究重点，其控制策略的关键是电流环的给左，这时，电流给定应满足输入功率 因数为1和输岀电压无纹波。总之，在国内外，中小型的PWM整流器已有成功的应用，而大 功率PWM整流器的应用仍需研究和完善。我国于1993年完成了国家标准电能质量及公用电网谐波的制左，并由国家技术监 督局发布，于1994年3月1日起正式执行。在这种背景下，人们开始对

26、造成谐波污染的 整流装置进行大量的研究，许多新的整流技术不断被提岀来，以实现低谐波、高功率因数： 微处理器技术和电力半导体技术的飞速发展也为进一步实现电力电子系统的高可靠性、高性 能提供了坚实的物质基础。为了改善整流器网侧电流谐波畸变率，提髙网侧入端功率因数， 可以在普通交一直一交电压型逆变器的三相输入端或直流母线上串接电抗器，由于受电抗器 体积和成本的限制，电感量一般较小，对功率因数的改善也有限：或者运用多重化技术，使 用多绕组移相变压器将电压进行移相后进行多相整流，可以在变压器原边获得较低的谐波电 流，适用于大容量应用场合：也可以采用功率因数校正装置控制功率因数：还可以在谐波负 载的网侧加

27、装功率因数和谐波补偿装置，甚至采用有源滤波装垃,这样会大大增加系统成本。 改善网侧功率因数最根本的办法是改造整流装巻本身。对于中小容量电力电子装置，采用 PWM控制的整流器，使其对电网不产生谐波且基本上不消耗无功率，这是技术发展的必然趋 势和提高产品竞争力的要求。由于电力半导体开关器件制造技术已逐渐成熟，其成本呈逐年 下降的趋势，过去阻碍PWM整流器走向大规模应用的门槛已经逐步消除。越来越多的工业 应用场合需要使用PWM整流器。在这种形势下，一些国际知名的大公司又相继推出了自己 的PWM整流产品，如西门子公司的有源(Active Front End)系列产品，使更加实用、性 更为优异的大容疑交

28、流动的应用成为可能。国内在功率换流领域方的研究起步较晚，与先进 的工业国家相比尚有较大的差距。因此，进行高性能的PWM整流器的研究开发工作，并尽 快产品化具有重大意义。4.2 PWM产生的背景传统的整流方式通常采用二极管不可控整流方式或者晶闸管相控整流方式。传统的整 流器存在如下缺点：整流器从电网吸取畸变的电流，造成电网的谐波污染；由于整流器件结构的单向性，直流侧能量无法回馈电网；整流电路在深控状态下网侧功率因数低：由于整流器件的不可控或不完全可控，系统动态响应慢：4.3传统的整流电路传统的整流电路产生了大量的无功功率和谐波，对电网造成了严重的污染。主要体现在:1. 无功功率会导致电流增大和视

29、在功率增加，使设备容量增加；2. 无功功率增加，会使线路总电流增加，造成设备和线路损耗增加;并且使线路电压降增 大，冲击性的无功负载还会使电压剧烈波动：3. 谐波会导致继电保护和自动装苣的误动作，使电气测量仪表不准确：4. 谐波影响电气设备的正常工作，使设备过热，绝缘老化，寿命缩短以致损坏：5. 谐波会引起电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，谐波引起的危害倍增, 甚至引起严重事故；提高功率因数、抑制和消除谐波已成为电力电子技术中的重大课题，苴中PWM整流器现 在已经成为大家关注的焦点。4.4 PWM整流器与传统的整流器比较PWM （Pulse Width Modulation）整流

30、器是采用全控型器件组成的高频整流电路。与传统 的二极管整流器或晶闸管整流器相比，它具有以下特点，这恰好弥补了二极管整流电路的不 足：（1） 具有能疑双向流动：即当直流侧电压高于电源侧电压峰值时，能实现DC-AC逆变， 将能量回馈到电网；（2） 网侧电流谐波低；（3） 髙功率因数，理论上可以达到1；其实我们在控制中如果利用功率泄向控制，只要 把无功功率的参考值设为0,即可实现功率因数1：（4）恒定直流电压电流控制:PWM整流体现出来的优点:纹波系数小最低谐波频率高变压器利用率髙反峰电压小输岀电压高4.5 PWM整流器的分类(1)按输岀滤波方式分为：电压型和电流型：电流型PWM整流器输岀端采用串联

31、滤波电感以维持输出电 流低纹波，具有近似电流源 的特性。电流型PWM整流器又称为Buck型整流器，如图所示。交流侧由L, C组成二阶低通滤波 器，以滤除交流侧电流中的开关谐波;直流侧接大电感，使直流侧电流近似为平滑的直流。 开关器件由可控器件与二极管串联组成扩以提高器件的反向阻断能力。与电压型PWM整流器 相似，电流型PWM整流器具有四象限运行的能力.(2)不知之处：由于需要较大的直流储能电感，以及交流侧LC滤波环肖所致的电流畸变、振荡等问题, 使其电路结构和控制相对复杂，从而制约了电流型电路的应用和研究。相关电路构造及原理:图4-1电流型PYM整流器结构图电压型PWM整流器是以输出端 并联滤

32、波电容以维持输出电压低纹波，具有近似电压源 的特性。由于其电路结构简单，便于控制，响应速度快，目前研究及实际应用较多的是电压 型电路。第5章多相整流发电机短路电流计算方法要计算整流发电机短路电流，首先要满足以下假设：1） 同步发电机为理想电机；2） 忽略整流管正向压降和反向漏电流；3） 短路前电机处于空载运行状态；4） 忽略AVR的影响且电机转速不变；5） 短路后，直流侧线路阻抗远小于发电机内部阻抗。例如某型柴油发电机就采用了四Y移15的十二相发电机（以下简称十二相电机）整流 系统。电机的主要参数为:直轴同步电抗Xd二0. 229 4Q ;直轴瞬变电抗Xd二0. 016 50; 直轴超瞬变电抗

33、Xd二0. 016 5Q;交轴超瞬变电抗Xqv =0. 0144 Qo而20 m柴油发电机 输出电缆的电阻Rgl=0. 684 mQ;Xgl=0. 65 mQ。线路阻抗相对于内部阻抗不到旅,因此假 设5）是成立的。以三相同步整流发电机为例，直流侧短路后电路如图5-1所示。图5-1三相同步发电机的短路示意图图5-1中，al为一个三相绕组,Z1和Z2为线路阻抗,Zl=Z2=Rl/2+j1 = -咒sin根据边界条件:心二 0 =匕4 1 3二 Q在st二丫15期间，四套绕组均工作在导通状态。输岀宜流电压的平均值为.126.2.2并联运行方式此种方式是四桥并联运行，各个三相整流桥输岀电流的大小是变化

34、的，而且它们的瞬时 值互不相等。由于十二相同步发电机四个星形连接的三相绕组的中点是不相连的，因而和第一种 方式不同的是：电流换相主要是在两套三相绕组的两相与两相之间进行。当Y W15 ,整流桥 处于二管-四管工作状态。以a+lb-la+2b-2换相到a+2b-2导通为例来分析：由边界条件(eal-ebl) I t=0=(ea2-eb2)w t=0,求得 a =22. 5 0 在 3t=0 Y 期间，ial+ia2=-(ibl+ib2)=Idcoudc=ualubl=(eal-ebl) +2(x y-x mlcos 15 )pia2udc=ua2-ub2=(ea2-eb2) -2(x y-x m

35、lcos 15 )pia2联立以上两式，并根据边界条件解得后5。 门-2 二” 1 _ COS2(x Y - x lni cos 15 )佩i sin 7 5Ai3 丿+ (心 一 W14 ) (15COS 丫丿/ cos %结in 7亍(1 +色in 7. 5兀=任sin 7JIcos Y nlcsin Yeos Y一 cos YAir“ J Y2 + sin，“- 丫sin 2)、 1- cos YAk 12在St二丫15期间，诂2二-让2二Ide。输出直流电 压的平均值为：12 T 1“办=?/ J Y（）E （如-加 + % - 62 八3 +J (捡- % )(13=-Lsin 7

36、5。咼(1+ cos Y)对相电流诂2分段积分,可以求得英基波分量。其中11为相电流基波分虽的有效值，ei为I 1 滞后于等效正弦波电势的相角，则6.1.3试验验证为验证公式的正确性，利用海军工程大学电力电子研究所实验室的十二相同步发电机原 理样机，以及十二相可控硅整流系统设计试验。串联试验参数:E1二103. 4 V, Ide二1.2 A, Y =11.4，电阻负载。并联试验参数:E1二103. 3 V, Idc=l. 2A, 丫二13.2，电阻负载。表6-1是各自连接方式下的输出电压和相电流基波有效值的试验值和计算值的对比。数 据表明计算结果的误差小于5%,计算与试验吻合较好。表6-1两种

37、连接方式时相电流基波有效值H和输出电压Ude的计算与试验结果的对比A%连接方式计算值试验值计算值试验值并联(1 2439(1 240424&253 54串联(1 9349(1 89399571 9()966 70从输出电压波形来看（见图6-3、6-4）,两种结构均为每周期24脉波;并联时的电压脉动 系数为1. 54%,串联时为0. 56%,明显好于前者。从相电流波形看,并联时电流为双唸波，每 周期正负各两种波稣，每个波峰宽为15 +Y ;串联时电流为平顶波，每周期正负各一个波峰, 每个波峰宽为120 +Y,波形更接近正弦，所以我们选择串联整流系统。图6-3并联结构相电电流和输岀电压波形图6-4

38、串联结构相电流和输出电压波形第7章整流电路及谐波的仿真与滤波7.1 MATLAB简要介绍基本功能MATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面对科学il算、可视化以及交互式程序设 计的高科技汁算环境。它将数值分析、矩阵汁算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建 模和仿貞等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必 须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传 统非交互式程序设计语育（如C、Fortran）的编借模式，代表了当今国际科学计算软件的 先进水平。MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。

39、它在数学类科技应用软件中在数值计算方而首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实 现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设汁、信号处理与通讯、图像处理、 信号检测、金融建模设计与分析等领域。MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C, FORTRAN等语 言完成相同的事情简捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等软件的优点，使MATLAB成为 一个强大的数学软件。MATLAB产品族可以用来进行以下各种工作:数值分析数值和符号计算工程与科学绘图控制系统的设讣与仿真数字

40、图像处理技术数字信号技术通讯系统设计与仿真图7-2 MATLAB在通讯系统设计与仿真的应用财务与金融工程MATLAB的应用范用非常广，包括信号和图像处理、通讯、控制系统设计、测试和测虽:、财务建模和分析以及计算生物学等众多应用领域。附加的工具箱(单 独提供的专用MATLAB函数集)扩展了 MATLAB环境，以解决这些应用领域内特左类型的问 题。7.2电路的选择以及仿真7.2.1结构简历与仿真整流装程功率越大。它对电网的F扰也越严重。而在一个电源周期中整流输出电压脉 波数m越多.则输出电压中的谐波阶次越高，谐波幅值越小.整流特性越好，同时整流装 置的交流电流中的谐波频率越髙，谐波电流数值也越小。

41、为了减轻整流装置谐波对电网的影 响，可采用12脉波.甚至更高次脉波的多相整流电路。为了得到12脉波直流电压，需要两 组三相交流电源，且两组电源间的相位差应是300。三相电源星形联结时。线电压超前相应 的相电压。基于这个原理，图7-3利用了一个三相三绕组变压器，其一次侧A、B、C绕组接 成星形或三角形，二次侧三相绕组每相各有两个绕组，锄、ba,c,、n2、b2. c2、； al、bl、 Cl三个绕组接成星形，a2、b2、C2三个绕组接成三角形。令二次侧三角形绕组的每相匝数 N2是二次侧星形绕组每相匝数N1的3倍。则二次侧两组绕组的线电压数值相等。1) 建立Simulink仿真框图，如图7-4所示

42、。其中变压器的变比为1： 1： J3, 次侧采用 三相电源星形联结。2) 对系统进行Simulink仿真。如图2所示，三相星形供电的晶闸管组输出电压。电流分 别为ul, 12：三相三角形供电的晶闸管组输出电压、电流分别为u。，io：负载两端电压为ud, 流经负载的电流为Id,触发角a二0, 60组晶闸管输出电压：II组晶闸管输出电压.以及负载两端电压如图7-5(a) . (b)所示，图示了一个电源周期内的波形图7-5串联12脉波输岀电压波形(a)a=Oo； (b)a=60orr图7-4串联12脉波整流电路仿真模型ABry-vYU C_rwwJ_u - _匸2 三VTZ vTy 2、VT$图7-

43、3串联12脉波整流电路原理图I -4 9图7-5串联12脉波输岀电压波形(a)a=Oo； (b)a=60o(a)(b)(b) 12脉波整流电路输出电流(a)图7-6 (a) 6脉波整流电路输岀电流;7.2.2 6脉波与12脉波整流电路输出波形比较图7-6(a) Jb)分别为6脉波与12脉波整流电路触发角圧0电阻负载时输出电流波形图, 比较分析图4得以下结论：i)I组输出电压u,和II组输岀电压“。的相位相差300。它们每个电源周期内都岀现6个 波头，即周期T1二T0二T/6,脉动频率fl二f0二300Hz。负载两端电压ud的波形正好是ul, Uo 波形的叠加，叠加的结果使得输出电压平均值ud二

44、Ul+u0,ud在每个电源周期内有12个波头, 即周期 Td=T / 12,频率脉动 fd=12fd=600Hz,ii)由图显见，12脉波的输出电压波形以的脉动分量较之三相全控整流电路，即6脉波的输 出电压脉动分量明显减小，两图对比：12脉波输出电流明显比6脉波输出电流的谐波次数 要小。因此我们选择12脉冲整流电路作为我们的目标电路，对目标电流整流。第8章 电路谐波与滤波器设计8.1工作原理分析通过2个6脉动三相桥式电路的组合，可以实现12脉动的效果。最常用的是2个三相 桥串联连接形成的12脉动电路，此时直流电压值是三相桥式电路的2倍：12脉动电路的最 大优点是可以减少网侧电流的谐波含量，一般

45、用于大功率(MW级)的场合。6 /12脉动变流器 主要由2组三相全控整流桥串联组成。根拯整流变压器的连接方式，分为同相连接方式和异 相连接方式。所谓同相连接方式是指2组整流变压器二次侧线电压间无相位差的接线方式: 异相连接方式是指2组整流变压器二次侧线电压间有300相位差的接线方式。其典型连接方 式如下所示。英中，同相及异相连接均有许多种形式，例如，整流变流器2组次级绕组可以是一台三 绕组变压器的2组次级绕组，也可以用2台双绕组整流变圧器代替上述的三绕组变压器。至 于整流变压器原副边接线，可采用星形(Y),也可采用三角形()形式。8.2谐波分析6/12脉动变流器的2组控制装置采用顺序控制，根据

46、顺序控制的原理，在仿真中一个 三相桥固圧在a=30,改变另一组桥的控制角a：,使之从逆变状态过渡到整流状态，根据 电路的控制状态，则可以实现6/12脉动的过程。当a=30时,g,艮|卩2组桥的脉冲触发 方式相同，此时，电路为纯12脉动。由实验得12脉动变流器输出电压的谐波含量及输出电流的谐波含量都比较小:输入电流 的谐波畸变率也比较小。这说明整流电路的相数越多，注入电网的谐波次数越髙，幅值也越 小，因而对供电电网的影响也越小。图8-2异相连接8.3滤波器设计原理与方法8.3.1设计准则滤波器设计的理想准则是消除由谐波畸变产生的所有不利影响，包括对通信系统的干 扰。这个理想的准则在技术和经济2方

47、面都是不可能实现的。从技术的观点看，预计整个交 流网络的谐波畸变是非常困难的：从经济方而考虑，通过在通信系统中采取一些预防措施和 在电力系统中采取其它措施，可以降低成本并减少对通信系统的F扰。在实际设讣滤波器时, 首先应满足各种负载水平下对谐波限制的技术要求，然后在此前提下，使滤波器在经济上最 为合理，滤波性能的指标应满足相应的国家标准。在满足技术指标的前提下，应该考虑不同 的滤波装置的经济指标，选择最优方案。同时还应该考虑滤波器的失谐问题，保证在正常的 失谐情况下滤波装置仍能满足各项技术指标。8.3.2设计步骤(1) 准备设汁的原始数据包括系统中谐波源向电力系统注入的各次谐波电流大小，电力系 频率的最大正负偏差值，滤波装置应提供的总的谐波补偿容量，电力系统的背景谐波。(2) 确定滤波装置的构成滤波装垃的构成指整套滤波装苣由几组单调谐滤波器构成，是否 装设高通滤波器，其截止频率如何选取，以及采用何种方式满足无功补偿的要求。(3) 滤波器中各滤波器的初步设计根据已知的谐波背景及给立的参数，初步确左各单调谐 滤波器中元件参数、容量大小等。(4) 滤波装宜的确泄单