电力电子装置的谐波分析_毕业论文

1、( 此文档为 word 格式，下载后您可任意编辑修改！)摘要近几十年来，由于电力电子装置的广泛应用， 公用电网的谐波污染日益严重， 由谐波引起的各种故障和事故不断发生，如何有效的计算谐波，检测谐波，抑制谐波和提高电能质量已成为电力系统的一个研究热点。 因此，对电力电子装置进行谐波分析具有重要意义。首先，本文从理论上对带阻感负载的桥式整流电路进行谐波分析， 主要包括单相和三相桥式全控、 半控和不控整流电路， 推导其在忽略换相过程和直流侧电流脉动时交流侧电流中基波和各次谐波有效值的表达式。 在此基础上， 进一步分析了三相全控桥式整流电路在分别考虑换相过程和直流侧电流脉动时的谐波含量。其次，以 MA

2、TLABSimulink 软件作为仿真平台，分别搭建了单相和三相桥式可控整流电路的仿真模型，分析了在不同延迟触发角时，交流侧电流中的谐波含量，且将理论计算数据与仿真分析数据进行对比， 其误差在可控范围内。 结果表明，采用仿真工具，验证了本文理论分析的正确性。最后，利用 MATLAB 软件编写了谐波电流计算界面，实现了谐波含量数据的可视化输出。关键词：桥式整流电路；谐波计算；仿真分析；可视化界面AbstractHarmonics pollution of the utility gridrecent years. And it results in powerquality drops and

3、accidents . How to effectively restrain resistive inductive load in theory, including single-phaseand three-phase full-controlled bridge, semi-controlled and non-controlled rectifier circuit, and it derives the AC side current expression of the fundamental and ignoring for-phase process and the DC c

4、urrent ripple. On this basis, this paper analyzes of the considering the commutation processand the DC currentpulse move forward a single step.Secondly, the single-phase and three-phase bridge is built with controlling rectifiercircuit simulation model by using MATLABSimulinksoftware as the simulati

5、onplatform respectively, and analyzes the different delay firing angle of the AC sidecurrentanalysis of data, the error is in the controllable range. The results show that itis proved the correctness of theoretical analysis by using simulation tools.Finally, it writes theinterface by using MATLAB so

6、ftware, and achieves outputof the .Key Words： Bridge rectifier circuit, Harmonic calculation, Simulation analysis, Visual interface目录摘要 .IAbstract.II目录 .III1 绪论 .11.1论文背景与意义 .11.2论文研究现状 .11.3论文的研究内容与目标 .12 电力电子装置谐波电流的理论分析 .22.1谐波概述 .22.2电力电子装置谐波电流分析 .32.2.1忽略换相过程的情形 .32.2.2计及换相过程的情形 .92.2.3计及直流侧电流脉动

7、时的情形 .123 电力电子装置谐波电流的仿真分析 .153.1单相桥式整流电路的仿真 .153.1.1单相桥式全控整流电路 .153.1.2单相桥式半控整流电路 .163.2三相桥式整流电路的仿真 .183.2.1三相桥式全控整流电路 .183.2.2三相桥式半控整流电路 .193.3GUI 界面 .21结论 .23致谢 .24参考文献.251 绪论1.1 论文背景与意义一个理想的电力系统是以单一恒定频率与规定幅值的稳定的电压供电1。随着近几十年来科学技术的不断发展，在电力系统中很多电力设备的应用，出现了大量的非线性负荷以及供电系统本身存在非线性元件使得电力系统中的电压波形畸变越来越严重，对

8、电力系统的稳定造成了很大的危害。其中电力电子装置是造成谐波问题最主要的设备之一，应用最为广泛的桥式整流装置在众多领域使用，由此带来的谐波问题日益严重，并引起广泛的关注。有关谐波问题的研究可以划分为以下四个方面：一、与谐波有关的功率定义和功率理论的研究；二、谐波分析以及谐波影响和危害的分析；三、谐波的补偿和抑制；四、与谐波有关的测量问题和限制谐波的标准的研究。本文将对谐波分析进行研究。1.2 论文研究现状有关电力电子装置的谐波分析的研究，早期的分析大多忽略交流侧电抗引起的换相过程的影响， 以及直流侧电感量不足而引起的直流电源脉动的影响，即假定交流侧电抗为零，而直流侧电感无穷大。这样交流侧电流即为

9、方波或阶梯波，波形简单，分析所得的结论清晰易记，直到现在仍被广泛采用。随着工程实际对更精确分析结果的需求，考虑各种非理想情况的分析方法相继被提出。最初是考虑换相过程的影响，后来是计及直流侧电流脉动的情况，一直到将换相过程和电流脉动一起考虑，精确度越来越高。近年来，国内外有关谐波的研究十分活跃，每年都有大量的论文发表，这一方面说明了这一研究的重要性，另一方面也预示着这一领域的研究将会取得重大突破。1.3 论文的研究内容与目标本文研究的重点就是谐波的实时分析，对桥式整流装置在不控、 半控及全控的工作状态进行基波和各次谐波有效值的推导。在此基础上，以三相桥式全控整流电路为例，分析在考虑换相过程和直流

10、侧电流脉动时的谐波电流含量情况。使用 MATLAB 软件中的 Simulink 工具模拟仿真，对比仿真结果与理论分析结果，验证理论分析的正确性。用 MATLAB 软件编写 GUI(Graphical User Interface, 用户图形界面 )，实现对谐波分析结果的可视化输出。2 电力电子装置谐波电流的理论分析电力电子装置已成为电力系统中的主要谐波源之一，而且消耗大量的无功功率。 因此，对电力电子装置所产生的谐波的分析和计算是谐波研究的一个重要方面。 这对于评估某电力电子装置对电网产生的危害和负担、 判断是否需要设置补偿装置， 以及补偿装置的具体设计都是非常重要的。从电网交流侧来看，电力电

11、子装置的输入端可能是以下几种电路之一：整流电路，交流调压电路，或者周波变频电路（即交交变频电路）。本文主要研究桥式整流电路交流侧的谐波电流含量情况。2.1 谐波概述在供、用电系统中， 通常总是希望交流电压和交流电流呈正弦波形。正弦波电压可表示为：u(t )2U sin( t)(2.1)其中， U 为电压有效值；为初相角；为角频率，2f 2/T ， f 为频率， T 为周期。式 2.1 表示的正弦波电压施加在线性无源元件电阻、电感和电容上，其电流和电压分别为比例、积分和微分的关系，仍为同频率的正弦波。但当正弦波电压施加在非线性的电力电子装置上时， 电流就变为非正弦波，非正弦电流在电网阻抗上产生压

12、降，会使电压波形也变为非正弦波。 当然，非正弦电压施加在线性电路上时， 电流也是非正弦波。对于周期为 T=360 的非正弦电压 u( t ) ，一般满足狄里赫利条件，可分解如下形式的傅立叶级数：u( t) a0(an cosn t bn sin n t )(2.2)n 1其中，a012t)2u( t)d(0an12t)cos ntd(t)u( 0bn12t)sin ntd(t )u( 0n=1,2,3或u( t) a0cn sin(n tn )(2.3)n 1其中，cnan2bn2n arctan(an / bn )在式 2.2 或式 2.3 的表示的傅立叶级数中，频率与工频相同的分量称为基波

13、，频率为基波频率大于 1 整数倍的分量称为谐波，谐波次数为谐波频率和基波频率的整数比。以上公式及定义均以非正弦电压为例， 对于非正弦电流的情况也完全适用， 把其中的电压量换成相应的电流量即可。2.2 电力电子装置谐波电流分析由于长期以来阻感负载的整流电路曾一直是应用最广、数量最多的电力电子装置之一，所以对阻感负载整流电路交流侧谐波的分析一度是电力电子装置谐波分析的主流工作，研究最充分，成果也最丰富。 早期的分析大多忽略交流侧电抗引起的换相过程的影响，以及直流侧电感量不足而引起的直流电源脉动的影响，即假定交流侧电抗为零，而直流侧电感为无穷大。 这样交流侧电流即为方波或阶梯波，波形简单，分析所得的

14、结果清晰易记，直到现在仍被广泛采用。随着工程实际对更精确分析结果的需求，考虑各种非理想情况的分析方法相继被提出。最初是考虑换相过程的影响，后来是计及直流侧电流脉动的情况，一直到将换相过程和电流脉动一起考虑， 精确度越来越高， 分析时所需的电路参数和已知条件也越来越多。本文将对上述各种条件下的桥式整流电路做详细的谐波分析。忽略换相过程的情形(1) 单相桥式整流电路 全控整流电路忽略换相过程和直流侧电流脉动，即假设交流侧电抗为零，而直流电感为无穷大，则单相桥式全控整流电路在阻感负载时的电路如图2.1 (a)所示。并设电源为正弦电压：eEm sin( t)2E sin( t)(2.4)其中， Em、

15、E 分别为电源电压的幅值和有效值；为触发延迟角。假设电路工作已经达到稳态，从t =时刻加触发脉冲，晶闸管导通，由于直流电感无穷大，负载电流不能突变，整流电压可为负值。得到整流电压ud、电流 id 及交流侧电流 i 的波形如图 2.1 (b)所示。由图可知，电流i 为理想方波，其有效值I 等于直流侧电流平均值 I d 。i dudiL dOt+iaIde-ROtiI dOt(a) 电路(b)波形图 2.1单相全控整流电路及相应波形将电流 i 分解为傅立叶级数，可得：i4t11I d (sinsin 3 tsin5 t)35(2.5)41=sin n t2I n sin ntI dn n 1,3,

16、5,n 1,3,5,其中，基波和各次谐波有效值为：I n22(n1, 3,5,(2.6) I dn根据式 2.5 和式 2.6 可知，电流中除基波外仅含有奇数次谐波，各次谐波有效值与谐波次数成反比，且与基波有效值的比值为谐波次数的倒数。 半控整流电路仍然假设交流侧电抗为零， 而直流电感为无穷大， 单相桥式半控整流电路如图2.2 (a)所示。电源电压仍然为式2.4 表示的正弦电压。该电路是由晶闸管和二极管组成的，它实际上是将单相桥式全控整流电路下面两个桥臂的晶闸管换成了二极管。假设电路已经工作在稳态，t =时刻晶闸管 VT1 加触发脉冲，电源电压经 VT1 和 VD4 向负载供电，当电源电压过零

17、变负时，因电感作用使电流连续，VT1继续导通。但因a 点电位低于b点，则电流流经VD2 ，电流不再流经电源，而是由VT1和VD2续流。此阶段，ud =0，不像全控桥电路出现ud 为负的情况。电源电压负半轴分析与正半周类似。得出整流电压 ud、电流 id 及交流侧电流 i 的波形如图 2.2 (b)所示。可以看出，其交流侧电流的波形只与触发延迟角有关。因此，其基波和各次谐波有效值也必然是由决定的 2。idudiVT1VT3Ot+aL di dIdeOt-bRiI dVD2VD4Ot(a)电路(b) 波形图 2.2单相半控整流电路及相应波形将图 2.2(b)所示的电流 i 分解为傅立叶级数，可得：

18、i22I d 1 cosnsin(n tn )2I n sin(n t n )(2.7)n 1,3,5,nn 1,3,5,其中，I n2I d1cosn(2.8)narctan(sin n( n 1,3,5, )n)1cos n根据式 2.8 可得电流基波和各次谐波有效值分别为：I12I d1cos(2.9)2I dI n1cos n( n 1,3,5, )n在式 2.9 中，令=0 ，代入可得：I n2 2 I d (n 1, 3 , 5 ,(2.10)n式 2.10 与式 2.6 完全相同，说明在 =0 时，单相桥式半控与全控整流电路工作原理相同，是互为等效电路的。由式 2.7 和式 2.

19、9 可得到简单的结论：电流中除基波外也含有奇数次谐波，各次谐波的有效值不再与谐波次数成反比，而是与延迟触发角有关。 不控整流电路单相桥式不控整流电路四个桥臂都为二极管，电路如图2.3 所示。idi+Lde-R图 2.3单相不控整流电路该电路实际上就是单相全控整流电路在=0 时的工作状态，根据式2.6 可知，交流侧电流谐波含量与延迟触发角无关，则可以得出单相桥式不控整流电路的交流侧电流基波和各次谐波有效值与单相桥式全控整流电路的相同，表达式如下所示：22I 1 I dI n22 I d( n 1,3,5, )n(2) 三相桥式整流电路 全控整流电路忽略换相过程和电流脉动时阻感负载的三相桥式整流电

20、路如图2.4 所示。同样，交流侧电抗为零，直流电感Ld 为无穷大。设电源为三相正序平衡电源。得到整流电压和交流侧 a 相电流波形如图 2.5 所示。以一相电流为例，则交流侧相电流是正负半周各为 120 的方波，正负半波间隔为 60 3。idia0eaLd-ebRce图 2.4三相全控整流电路e eac ebc eba eca ecb eab eacudabOt6iaI dOt图 2.5 三相桥式全控整流电路的电压及电流波形以 a 相电流为例，将图 2.5 所示所示的电流 ia 分解为傅立叶级数，可得：231111ia = I dsint5sin 5t7sin 7t11sin11t+13sin1

21、3 t= 23 I d sint23 I d( -1 )k1 sin nt(2.11) n6k1nk1,2,3,2I1 sint(-1 ) k2I n sin ntn 6 k 1 k 1,2,3,若以 a 相电压过零点为时间零点，则有：ia = 2 3 I dsin(t)1 sin5(5t)1 sin7(7t)(2.12)根据式 2.11 和式 2.12 可得出，不论时间原点的位置取在哪里，因为波形未变，所以基波和各次谐波的幅值也不变，只是如果时间原点左移了角，则基波初相角减少了，各次谐波分量的初相角减少了n。由式 2.11 可得电流基波和各次谐波有效值分别为：I16 I d(2.13)6I

22、n，I d(n 6k 1 k 1,2,3, )n由式 2.13 可以得到以下的结论：电流中仅含有6k1(k 为正整数 )次谐波，各次谐波有效值与谐波次数成反比，且与基波有效值的比值为谐波次数的倒数。 半控整流电路4,5路如图 2.6 (a)所示，即用一组二极管代替一组晶闸管。为控制方便，共阴极组采用晶闸管，共阳极采用二极管。当=0 ，其工作方法与全控桥一样。当不太大，输出电压仍连续时，共阴极晶闸管需要经触发脉冲才能导通换相，而共阳极的二极管则在自然换相点处换相。如果负载电感足够大，电流为恒稳直流，其情况与全控桥时相似，各相电流正负半波各为 120 ，但正负半波间隔不再是60 ，而是 60与 6

23、0 +。在较大时，为完善电路工作性能， 有时在负载端接续流二极管， 其电路如图 2.6 (b)所示。接入续流二极管后，当60 ，输出电压波形连续，续流二极管不工作，分析与没有续流二极管时相同，整流电压与直流侧电流波形如图2.7 (a)所示。当60 时，整流电压波形不再连续，由于电感的作用，负载电流仍为持续的恒稳直流，晶闸管和二极管在每个周期内导通180，其余时间为续流二极管导通以维持负载电流连续。即续流二极管导通时间为=3180 。 a 相电流正、负半波均是底为180，高为I d的方波，正、负半波间隔分别为60 与+ 60 ，整流电压和直流侧电流波形如图2.7 (b)所示。i di di ai

24、a0 eaL d0 eaL dLd-ebR-ebRccee(a)直流侧不接续流二极管(b)直流侧接续流二极管图 2.6三相桥式半控整流电路u debceeeeeudebc ebaeca ecbeabaceab eaceabeacbacacbabacett2 i a3iaI dI dtt(a)60(b)60图 2.7 三相桥式半控整流电路的电压、电流波形以 a 相电流为例。设 60 180 ，将图 2.7 (b)所示的电流 ia 分解为傅立叶级数，得到基波和各次谐波有效值的统一表达式。I n2I d sin n 1 ( 1) n 1 cos n( n 3k, k 1,2,3 )(2.14)n3令

25、 n=1，代入式 2.14 可得基波和各次谐波电流有效值为：I 13I d1+cos(2.15)2I d sin n 1I n( 1)n 1 cosn(n 3k, k1,2,3 )3n当计算出的谐波电流为负值时，取其绝对值即可。根据式2.15 可得出如下结论：电流中 n=3k 次的谐波不存在。除含有6k 1 次的特征谐波外，电流中还含有6k 2 的非特征谐波。 不控整流电路三相桥式不控整流电路其实质就是把三相全控桥中的晶闸管全部换成二极管，电路图如图 2.8 所示。i di a0eaLd-Receb图 2.8三相桥式不控整流电路由图 2.8 可知，其谐波分析与对应的全控整流桥一致，相当于=0

26、时的特殊情况，即可得出三相桥式不控整流电路的基波和各次谐波电流表达式分别为：6I1 I dI6，I(n 6k 1 k 1,2,3, )n dn计及换相过程的情形计及换相过程但忽略直流侧电流脉动， 就是考虑交流侧电抗不为零， 但直流电感仍假设为无穷大 6。本文以三相桥式全控整流电路为例进行分析推导。计及换相过程但忽略直流脉动的三相桥式整流电路在阻感负载时电路如图2.9 所示， LB 为各相交流侧电感。idiaL BVT1VT3 VT50eaL dud-RcebeVT4VT6VT2i c图 2.9计及换相过程的三相桥式全控整流电路假设电源为三相平衡正弦电压，取VT6 导通，从 VT5 向 VT1

27、换相的情况，由于交流侧电感的存在，交流电流不能突变，换相过程ia 从零增大到 I d，换相完成。此过程如图 2.10 所示，以触发延迟角处为时间零点，则有：ea =Em sin(t2E sin(t6)=)6eb =Em sin(t1)=2E sin(t1 )22ec =Em sin(t5 )=2E sin(t5 )66eab eac ebc ebaecaecb eabeacudtt= 0Idi a0t图 2.10计及换相过程的三相桥式全控整流波形换相过程应满足如下方程LBdiceac =LBdiadtdteac =3Em sin(t)6E sin( t)(2.16)iaicI dic (0)I

28、 d求解式 2.16 的方程组，可以得出：ia =6E coscos( t)2X B(2.17)6E cosic =I dcos( t)2X B其中， X B 为交流侧电抗，X B =LB 。另外，根据图 2.10 可以得到如下关系式：I d =6Ecos( t)(2.18)cos2X B其中，为换相重叠角。经过以上分析计算，交流侧电流各段时间的表达式可以用式2.17 与式 2.18 得出，以 a 相电流的正半周期为例，其表达式如下：6E coscos(t)(0t)2 X B6Ecos()(t2cos)2 X B3i a =22(2.19)6Ecos()t2cos( t)()2 X B3330

29、( 2t )3对式 2.19 进行傅立叶分解，得到a 相电流的基波和各次谐波电流有效值的表达式分别为：16I dsin22 sincos(2)22(2.20)I 1=coscos()22212sin n 1sin n 1sin n 1sin n13E22222cos(2) (2.21)I nn 1n 1n 1n 1nX B其中， n=6k1， k 为正整数。由式 2.20 和式 2.21 可得如下结论：交流侧电流中除含有基波外， 仍然只含有 6k1 (k为正整数 )次谐波。计及直流侧电流脉动时的情形考虑直流侧电流的脉动， 即考虑直流侧电感量为有限值。这里又分为是否忽略换相过程这两种情况， 以下

30、将以三相桥式全控整流电路为例，分别推导一种近似计算交流侧电流谐波的公式。(1) 忽略换相过程 Dobinson法计及直流侧电流脉动时其电流波形如图2.11 所示。从图 2.11 可以看出 Dobinson法的基本思想就是用两个正弦波顶上各 60 的波头部分，叠加在 120 方波上面，来近似代表电流脉动的情况 7。iaiId052t626图 2.11计及直流侧脉动时三相全控整流电流波形另外，引入电流纹波比rd 这个参数来表示电流脉动的程度。参照图2.11，电流纹波比的定义为：rd = i(2.22)I d其中，i 为电流波头脉动的峰峰值。这样，交流侧电流波形可以由I d和rd 这两个参数确定。

31、仍以 a 相电流的正半周为例，其表达式如下所示：0(0t)6Id7.46rd sin(t7.13rd1t)()ia =662(2.23)Id7.46rd sin(t7.13rd1t5)()6260( 5t)6对式 2.23 进行傅立叶分解，可得：I 1 I d1.102+0.014rd(2.24)100(16.46rd7.13rd )(1)k(n6k1)I nnn1n( k 1,2,3, )(2.25)16.46rd7.13rd )(100(1)k(n6k1)nn1n若计算结果为负值，则表示相位差180 ，取其绝对值即可。根据式2.24 和式 2.25可以看出，交流侧电流除基波外，仍只含有6k

32、1 (k 为正整数 )次谐波。(2) 计及换相过程 Graham-Schonholzer法Graham-Schonholzer法是在 Dobinson法的基础上，再考虑换相过程后提出来的 8。它对交流侧电流的近似处理，是将 Dobinson法的用两个正弦波头叠加在 120 方波上，改进为叠加在 120 + 的梯形波上，如图 2.12 所示。梯形波的斜边就是对换相过程的较好近似。6iIdI Bt图 2.12计及换相过程和电流脉动时的电流波形为了表达方便，引入换相末电流I B 这个量。 IB 就是换相结束的时刻流过导通晶闸管的电流值。i 与前述一样，是电流波头脉动的峰峰值。2sin( )( )si

33、n( )I BI di62332(2.26) 1sin( )332再引入以 I B 为分母的电流纹波比 rB ，即：i(2.27)rB =I B则图 2.12 所示的电流波形，即可用式2.26 和式 2.27 以及换相重叠角这三个量来表示。对电流进行傅立叶分解，可得到基波和各次谐波有效值的统一表达式。nnrB gn cosn22sinsin6I nI B32(2.28)n2/ 21)sin(32其中， n=1 或 n=6k1，k 为正整数。sin ( n)sin(n)2sin) sin()1)(21)(n(3gn662622n 1n1n应当注意，当代入 n 或的值出现分母为零的情况时，应利用如下极限公式进行计算：lim sin x1x0x由式 2.28 可以得出与 Dobinson法相似的定性结论。即交流侧电流除基波外，仍只含有 6k1 次谐波。3 电力电子装置谐波电流的仿真分析根据第 2 章的理论分析，推导出了桥式整流电路在各种情况下的基波和各次谐波有效值的计算公式。利用 MATLAB 软件中的 Simulink 仿真工具可实现对上述电路的动态系统建模、仿真，验证理论分析的合理性 9-11。3.1 单相桥式整流电路的仿真单相桥式全控整流电路根据图 2.