24脉波整流电路的设计和分析范文

./xxxx大学毕业设计<论文>任务书课题名称24脉波整流电路的设计与分析学院电气学院专业班级电气工程及其自动化0x2班姓名欧耶学号6444344444毕业设计〔论文的工作内容:整流电路的基础理论介绍;整流谐波的危害及治理;滤波电路的原理及作用介绍24脉波整流电路的原理、设计以及仿真分析;整流变压器保护起止时间：20年2月14日至20年6月13日共16周指导教师签字系主任签字院长签字摘要AC/DC变换器是电力电子装置中最为常用的一种变换器,为了减小其对电网的污染,提高功率因数,在中、高功率场合下通常采用多脉波二极管整流技术,可以降低设备成本,提高效率,并且不会产生额外的EMI。整流电路是高压直流电源系统中的重要组成部分。整流电路的设计、结构特点和保护方式关系到整个高压直流电源系统的正常运行。本文介绍了整流电路中最新流行的24脉波整流电路的构成原理、特点、谐波危害治理及保护配置。文中首先介绍了整流电路的基本理论知识并对几个基本整流电路进行分析,接着介绍了整流电路谐波的危害及治理和滤波电路,最后详细介绍了24脉波整流电路的原理,并对整流电路通过MATLAB对该电路进行了仿真。经过理论分析、仿真研究,证实了该电路的合理性和可靠性,与传统的12脉波整流相比24脉波整流具有有效减小输入电流谐波含量、提高功率因数的优点。关键词:整流、谐波、仿真、保护AbstractAC/DCpowerconverteristhemostcommonlyusedelectronicdevicesinaconverter.Inordertoreducethepollutionofitspowergridandimprovepowerfactor,inmiddle-andhigh-powersituationsmulti-pulsedioderectifiertechnologyisused,whichcanreducecostoftheequipmentandincreasesefficiency,besidesitwouldnotgenerateadditionalEMI.RectifiercircuitisanimportantcomponentofthehighvoltageDCpowersupplysystem.Rectifiercircuitdesign,structuralfeaturesandconservationrelatestothenormaloperationofhighvoltageDCpowersupplysystem.Thistextintroducestheconstituteprinciple,feature,governanceofharmonicshazardandprotectiondispositionoftherectifiercircuitofthepulsewaverectifiercircuit24,whichislatestwidespread.Firstly,itiswrittenaboutthebasictheoreticalknowledgeandsomebasicanalysisofrectifiercircuit.Secondpartrelatestotheharmonicrectifierhazards,governanceandfiltercircuit.Atlast,24pulserectifiercircuitprincipleisexpoundedindetail,withsimulationtorectifiercircuitthroughtheMATLAB.Goingthroughthetheoreticalanalysisandsimulationstudy,thereasonablenessofthecircuitandreliabilityisconfirmed.Comparingwiththetraditional12-pulserectifier,24pulserectifiercouldefficientlyreduceharmonicscontentininputcurrent,andenhancepowerfactors.Keywords:rectifier,harmonics,simulation,protection摘要2Abstract3第一章绪论61.1引言61.2整流的定义61.4各整流电路分析8单向半波整流电路8单向全半波整流电路9三相半波可控整流电路10第二章整流谐波的危害及治理142.1引言142.2整流谐波的产生分析142.3谐波危害182.4谐波的治理192.4.1谐波治理分析192.4.2治理方法19第三章滤波电路213.1引言213.2滤波电路简介213.3电阻滤波电路213.4电感滤波电路22空载时的情况24带载时的情况253.6小结26第四章24脉波整流电路274.1引言274.2整流原理274.3数据分析294.424脉波整流电路变压器连接方式304.5仿真314.6仿真结果与分析334.7结论35第五章整流变压器保护365.1引言365.2变压器的保护设置365.3整流器的保护设置36整流器二极管的保护36整流器自身保护375.4小结37第六章总结38致谢39参考文献40第一章绪论1.1引言电能的变换电路有AC/DC、DC/DC、DC/AC和AC/AC四种。其中,AC/DC变换电路俗称整流电路,它是将交流电能变换为直流电能的电路。整流电路主要用于充电、电镀、电解及直流调速等领域目前,采用快速自关断器件的高频整流器能达到功率因数接近1,正在逐步取代传统的相控整流器。整流电路可以直接为要求较低的电力电子装置提供直流电能。在大多数情况下,整流电路作为电网与电力电子装置的接口电路,构成直流稳压电源,为电力电子装置提供高质量的直流电能。电力网供给用户的是交流电,而各种电气设备需要直流电.整流技术正好为这种转换提供了方便.利用具有单向导电特性的器件,可以把方向和大小交变的电流变换为直流电整流。电路的发展可以分为四个阶段：〔1旋转式变流机组,即电动机-发电机组。〔2电子管和离子管整流器。〔3半导体二极管整流器。〔4可控整流器。其中包括晶闸管构成的相位控制型整流器和VMOSFET、IGBT构成的PWM控制型整流器。1.2整流的定义负载整流器交流电源整流电路是一种把交流电源电压转换成所需的直流电压的一种电路。将交流电转换为直流电的过程又叫AC/DC变换。这种变换的功率流向是双向的,功率流向由交流电源流向负载的变换称之为"整流",功率流向负载流向电源的变换称之:有源逆变。负载整流器交流电源→→表1-1整流电路组成整流电路是电力电子技术中出现最早的一种变换电路,应用十分广泛,电路形式多种多样,各具特色。传统的方法是采用晶闸管作为主控元件,通过对晶闸管触发相位的控制,从而达到控制输出直流电压的目的,这样的电路称之为相控整流电路。1.3整流电路的分类1、按组成的器件可分为半控不可控电路、半控电路、全控电路三种。1不可控整流电路完全由不可控二极管组成,电路结构一定之后其直流整流电压和交流电源电压值的比是固定不变的。2半控整流电路由可控元件和二极管混合组成,在这种电路中,负载电源极性不能改变,但平均值可以调节。3在全控整流电路中,所有的整流元件都是可控的〔SCR、GTR、GTO等,其输出直流电压的平均值及极性可以通过控制元件的导通状况而得到调节,在这种电路中,功率既可以由电源向负载传送,也可以由负载反馈给电源,即所谓的有源逆变。2、按电路结构可分为零式电路和桥式电路1零式电路指带零点或中性点的电路﹐又称半波电路。它的特点所有整流元件的阴极<或阳极>都接到一个公共接点﹐向直流負载供电﹐負载的另一根线接到交流电源的零点。2桥式电路实际上是由两个半波电路串联而成﹐故又称全波电路。3、按电网交流输入相数分为单相电路、三相电路和多相电路。1对于小功率整流器常采用单相供电。单相整流电路分为半波整流,全波整流,桥式整流及倍压整流电路等。2三相整流电路是交流测由三相电源供电,负载容量较大,或要求直流电压脉动较小,容易滤波。三相可控整流电路有三相半波可控整流电路,三相半控桥式整流电路,三相全控桥式整流电路。因为三相整流裝置三相是平衡的,输出的直流电压和电流脉动小,对电网影响小,且控制滞后時间短,采用三相全控桥式整流电路时,输出电压交变分量的最低频率是电网频率的6倍,交流分量与直流分量之比也较小,因此滤波器的电感量比同容量的单相或三相半波电路小得多。另外,晶闸管的额定电压值也较低。因此,这种电路适用于大功率变流装置。3多相整流电路随著整流电路的功率进一步增大<如轧钢电动机,功率达数兆瓦>,为了减轻对电网的干扰,特別是减轻整流电路高次谐波对电网的影响,可采用十二相、十八相、二十四相,乃至三十六相的多相整流电路。采用多相整流电路能改善功率因数﹐提高脉动频率﹐使变压器初级电流的波形更接近正弦波﹐从而显著减少谐波的影响。理论上,随着相数的增加,可进一步削弱谐波的影响。多相整流常用在大功率整流领域,最常用的有双反星中性点带平衡电抗器接法和三相桥式接法。4、按变压器二次侧电流的方向是单向或双向,又分为单拍电路和双拍电路。其中所有半波整流电路都是单拍电路,所有全波整流电路都是双拍电路。5、按控制方式可分为相控式电路和斩波式电路〔斩波器；1通过控制触发脉冲的相位来控制直流输出电压大小的方式称为相位控制方式,简称相控方式。2斩波器就是利用晶闸管和自关断器件来实现通断控制,将直流电源电压断续加到负载上,通过通、断的时间变化来改变负载电压平均值,亦称直流-直流变换器。它具有效率高、体积小、重量轻、成本低等优点,广泛应用于直流牵引的变速拖动中,如城市电车、地铁、蓄点池车等。斩波器一般分降压斩波器,升压斩波器和复合斩波器三种。6、按引出方式的不同分中点引出整流电路,桥式整流电路,带平衡电抗器整流电路,环形整流电路,十二相整流电路。1中点引出整流电路分：单脉波〔单相半波,两脉波〔单相全波,三脉波〔三相半波,六脉波〔六相半波2桥式整流电路分：两脉波〔单相桥式,六脉波〔三相桥式3带平衡电抗器整流电路分：一次星形联结的六脉波带平衡电抗器电路〔即双反星带平衡电抗器电路,一次角形联结的六脉波带平衡电抗器电路4十二相整流电路分：二次星、三角联结,桥式并联〔带6f平衡电抗器单机组十二脉波整流电路；二次星、三角联结,桥式串联十二脉波整流电路；桥式并联等值十二脉波整流电路；双反星形带平衡电抗器等值十二脉波整流电路。1.4各整流电路分析单向半波整流电路电路图如图1-1所示：此为纯电阻负载的半相整流电路。二极管为理想二极管。图1-1纯电阻负载的半相整流电路工作原理：

<1>在变压器次级绕组电压u2为正半周时,二极管导通,则负载上的电压u0、二极管的管压降uD、流过负载的电流iO和二极管的电流iD为：uD=0<1-1>

<2>在负半周时,二极管截止。则：,,它的整流波形如图1-2所示：因为电路只在交流的半个周期二极管导通,才有电流流过负载。因此它被称为半相整流电路。图1-2半相整流电路波形图

2、直流电压和直流电流的计算

输出直流电压为：,其中：U2为变压器次级输出电压的有效值。

输出直流电流为：

注：流过二极管的电流即为输出电流。

3、选管原则

根据二极管的电流和二极管所承受的最大反向峰值电压进行选择。

即：二极管的最大整流电流：；它的最大反向工作电压4、RL负载的特点整流电压出现负的部分,在电压与电流同向时,电源输出电能,电能一部分在电阻上消耗,一部分在电感转化成磁场能储存起来;在电压与电流方向不一致时,电感输出电能,一部分在电阻上消耗,一部分回馈给电源并经变压器送回电网。当负载角ψ越趋近于,电感储能越多,整流电压负半周的面积就越接近相等,这样平均电压就越接近0。由于这一特点,在大电感时,无论整流输入电压,还是整流输出平均电压都很小,出现输出电压平均值都很小,但是整流电路仍有大电流输出的矛盾。为解决这一矛盾,一般在单相半波整流RL负载的两端并联一个续流二极管。单向全半波整流电路将两个半波整流电路组合起来即组成全波整流电路,在此不再详述。单向桥式半波整流电路1、电路图如1-3所示：我们采用桥式整流电路时只需要一个次级绕组,这就克服了全波整流电路的缺点。图1-3桥式整流电路工作原理:

u2正半周时,D1、D2导通,D3、D4截止；u2负半周时,D1、D2截止,D3、D4导通。流过负载的电流方向一致的。注：除管子所承受的最大反向电压不同于全波整流外,其它参数均与全波整流电路相同2、直流电压和直流电流的计算

直流电压为：；直流电流为：<1-2>由于输入电网电压的波动和负载变化时输出电压也随之变化,因此我们需要一种稳压电路。三相半波可控整流电路1.

电阻负载

<1>工作原理

三相半波可控整流电路如图<1-4>所示。为得到零线,变压器二次侧必须接成星形,而一次侧接成三角形,避免3次谐波电流流人电网。三个晶闸管分别接入a、b、c三相电源,它们的阴极连接在一起,称为共阴极接法,这种接法触发电路有公共端,连线方便。图1-4三相可控整流电路图将电路中的晶闸管换作二极管,并用VD表示,该电路就成为三相半波不可控整流电路,以下首先分析其工作情况。此时,三个二极管对应的相电压中哪一个的值最大,则该相所对应的二极管导通,并使另两相的二极管承受反压关断,输出整流电压即为该相的相电压,波形如图<1-5d>所示。在一个周期中,器件工作情况如下：在ωt1～ωt2期间,α

相电压最高,VD1导通,ud=ua；在ωt2～ωt3期间,b相电压最高,VD2导通,ud=ub；在ωt3～ωt4期间,c相电压最高,VD3导通,ud=uc。此后,在下一周期相当于ωt1的位置即ωt4时刻,VD1又导通,重复前一周期的工作情况。如此,一周期中VD1、VD2、VD3轮流导通,每管各导通120o。ud波形为三个相电压在正半周期的包络线。图1-5三相半波可控整流电路共阴极接法电阻负载时的电路在相电压的交点ωt1、ωt2、ωt3处,均出现了二极管换相,即电流由一个二极管向另一个二极管转移,称这些交点为自然换相点。对三相半波可控整流电路而言,自然换相点是各相晶闸管能触发导通的最早时刻,将其作为计算各晶闸管触发角

α

的起点,即α=0o,要改变触发角只能是在此基础上增大,即沿时间坐标轴向右移。若在自然换相点处触发相应的晶闸管导通,则电路的工作情况与以上分析的二极管整流工作情况一样。由单相可控整流电路可知,各种单相可控整流电路的自然换相点是变压器二次电压u2的过零点。

当α

=0o时,变压器二次侧a相绕组和晶闸管VT1的电流波形如图<1-5e>所示,另两相电流波形形状相同,相位依次滞后120o,可见变压器二次绕组电流有直流分量。

图<1-5f>是VT1两端的电压波形,由3段组成：第1段,VT1导通期间,为一管压降,可近似为uVT1=0；第2段,在VT1关断后,,VT2导通期间,uVT1=ua－ub=uab,为一段线电压；第3段,在VT3导通期间,uVT1=ua－uc=uac为另一段线电压。即晶闸管电压由一段管压降和两段线电压组成。由图可见,α

=0o时,晶闸管承受的两段线电压均为负值,随着

α

增大,晶闸管承受的电压中正的部分逐渐增多。其他两管上的电压波形形状相同,相位依次差120o。

增大

α

值,将脉冲后移,整流电路的工作情况相应地发生变化。图<1-6>是α=30o时的波形。从输出电压、电流的波形可看出,这时负载电流处于连续和断续的临界状态,各相仍导电120o。图1-6三相半波可控整流电路,如果α>30o,例如α=60o时,当导通一相的相电压过零变负时,该相晶闸管关断。此时下一相晶闸管虽承受正电压,但它的触发脉冲还未到,不会导通,因此输出电压电流均为零,直到触发脉冲出现为止。这种情况下,负载电流断续,各晶闸管导通角为90o,小于120o若α角继续增大,整流电压将越来越小,α＝150o时,整流输出电压为零。故电阻负载时

α

角的移相范围为150o。

<2>负载电压

整流电压平均值的计算分两种情况：

1>

α≤30o时,负载电流连续,有〔1-3当

α

=

0

时,Ud

最大,为

Ud=Ud0＝1.17U2.α>30o

时,负载电流断续,晶闸管导通角减小,此时有〔1－4负载电流平均值为〔1－5晶闸管承受的最大反向电压,由图1e>不难看出为变压器二次线电压峰值,即〔1－6由于晶闸管阴极与零线间的电压即为整流输出电压ud,其最小值为零,而晶闸管阳极与阴极间的最大正向电压等于变压器二次相电压的峰值,即〔1－7第二章整流谐波的危害及治理2.1引言整流装置是电网的主要非正弦受电设备。即使电网供电电压为理想正弦波,由于整流阀的单向导电作用,在正反向作用下其电阻值迥然不同,因而整流装置从电力系统取用的电流也是非正弦的。这种非正弦电流波形,根据系统参数、整流相数、接线和运行条件的不同而发生很大畸变。将这些电流波形按富氏级数可以分解为基波及一系列不同频率和振幅的谐波,因而整流装置是从电力系统取用谐波电流的受电设备。整流装置从电网中取用的非正弦电流,流经系统中包括发电机、输电线、变压器在内的各种阻抗元件,必然产生非正弦的电压降,使系统内各点的电压波形也产生不同程度的畸变.畸变的电压反过来对整流装置从系统中取用的电流波形产生影响.因而谐波电流和谐波电压是同时产生,相互影响的。电力系统中,各种电弧炉、电焊设备、电动机、变压器等铁磁元件,都会产生不同频率和振幅的高次谐波,但整流装置产生的整流谐波,具有较大的振幅,是电力系统中的主要谐波源。2.2整流谐波的产生分析整流电路的输出电压中主要成分为直流,同时包含各种频率的谐波,这些谐波对于负载的工作是不利的。图2-1a=0时,m=0时,m脉波整流电路的整流电压和整流电流的谐波分析将纵坐标选在整流电压的峰值处,则在-p/m~p/m区间,整流电压的表达式为：<2-1>对该整流输出电压进行傅里叶级数分解,得出：〔2-2式中,k=1,2,3…；且:〔2-3为了描述整流电压ud0中所含谐波的总体情况,定义电压纹波因数为ud0中谐波分量有效值UR与整流电压平均值Ud0之比：其中:而：〔2-4将上述式〔2-1、〔2-2和〔2-3代入〔2-4得<2-5>表2-1给出了不同脉波数m时的电压纹波因数值m23612∞〔48.218.274.180.9940表2-1不同脉波数m时的电压纹波因数值负载电流的傅里叶级数可由整流电压的傅里叶级数求得：<2-6>当负载为R、L和反电动势E串联时,上式中：<2-7>n次谐波电流的幅值dn为：<2-8>n次谐波电流的滞后角为：<2-9>=0时整流电压、电流中的谐波有如下规律：〔1m脉波整流电压ud0的谐波次数为mk〔k=1,2,3...次,即m的倍数次；整流电流的谐波由整流电压的谐波决定,也为mk次；〔2当m一定时,随谐波次数增大,谐波幅值迅速减小,表明最低次〔m次谐波是最主要的,其它次数的谐波相对较少；当负载中有电感时,负载电流谐波幅值dn的减小更为迅速；〔3m增加时,最低次谐波次数增大,且幅值迅速减小,电压纹波因数迅速下降。不为0时的情况：脉波整流电压谐波的一般表达式十分复杂,给出三相桥式整流电路的结果,说明谐波电压与角的关系。以n为参变量,n次谐波幅值.对的关系如图1-5所示当从0~90变化时,ud的谐波幅值随增大而增大,=90时谐波幅值最大.。从90~180之间电路工作于有源逆变工作状态,ud的谐波幅值随增大而减小。图2-2三相全控桥电流连续时,以n为参变量的与的关系图2-3单相全控桥带阻感负载时的电路及波形图2-4感容滤波的单相桥式不可控整流电路及其工作波形图2-5三相桥式全控整流电路带电阻负载a=60时的波形2.3谐波危害随着电力电子技术的发展,整流器的应用日益广泛,整流电路产生的高次谐波对电网产生的危害也不容忽视。其中包括：谐波使电网中的元件产生附加的谐波损耗,降低发电、输电及用电设备的效率,大量的3次谐波流过中性线会使线路过热甚至发生火灾；谐波影响各种电器设备的正常工作,使电机发生机械振动、噪声和过热,使变压器局部严重过热,使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短以至损坏；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,引起严重事故；谐波会对邻近的通信系统产生干扰,轻者产生噪声,降低通信质量,重者导致信息丢失,使通信系统无法正常工作；谐波会导致继电保护和自动装置的误动作,并使电气测量仪表计量不准确。由于公用电网中的谐波电压和谐波电流对用电设备和电网本身都造成很大的危害,世界许多国家都发布了限制电网谐波的国家标准,由权威机构制定限制谐波的规定。世界各国制定的谐波标准大都比较接近。我国由技术监督局于1993年发布了国家标准<GB／T14549—93>《电能质量公用电网谐波》,并从1994年3月1日起开始实施。2.4谐波的治理谐波治理分析传统的不控整流电路,即桥式整流后跟一大的平波电容,这种电路只有在输入电压的绝对值大于电容电压时才会有电流的输入,因而使得输入电流成为一种不连续的近似为脉冲式的波形,这种波形含有大量的谐波。采用这种电路的电力装置如线性稳压源,当今流行的大多数开关电源,其前置输入整流部分基本采用这种电路。相控变流装置。电力电子技术的发展,特别是品闸管的发明,使得各种变流技术和电力控制相应产生,这种技术由于只是在每个电压周期的某一段相角范围内导电,因而其输入电流也有大量的谐波成分,而且在调压过程中随着相控角的加大,功率因数减小;交流回路中的较低次谐波电流相对较大。这种装置如各种由直流电压供电的逆变和斩波装置,它们的直流电源由相控的整流电路得到。从上面可以看出,引起谐波的污染源绝大部分是电力设备的电源部分,尤其是AC-DC部分。因此,改进现有的整流装置,改善它们的输入电流波形,是减少谐波污染的最根本的途径。治理方法目前谐波的治理可采用以下方法：<1>变频器的隔离、屏蔽、接地：变频器系统的供电电源与其它设备的供电电源相互独立。或在变频器和其它用电设备的输入侧安装隔离变压器。或者将变频器放人铁箱内,铁箱外壳接地。同时变频器输出电源应尽量远离控制电缆敷设<不小于50mm间距>,必须靠近敷设时尽量以正交角度跨越,必须平行敷设时尽量缩短平行段长度<不超过lmm>,输出电缆应穿钢管并将钢管作电气连通并可靠接地。<2>加装交流电抗器和直流电抗器：当变频器使用在配电变压器容量大于500KVA,且变压器容量大于变频器容量的10倍以上,则在变频器输入侧加装交流电抗器。而当配电变压器输出电压三相不平衡,且不平衡率大于3％时,变频器输人电流峰值很大,会造成导线过热,则此时需加装交流电抗器。严重时则需加装直流电抗器。<3>加装无源滤波器：将无源滤波器安装在变频器的交流侧,无源滤波器由L、C、R元件构成谐波共振回路,当LC回路的谐波频率和某一次高次谐波电流频率相同时,即可阻止高次谐波流人电网。无源滤波器特点是投资少、频率高、结构简单、运行可靠及。维护方便。无源滤波器缺点是滤波易受系统参数的影响,对某些次谐波有放大的可能、耗费多、体积大。<4>加装有源滤波器：早在70年代初,日本学者就提出有源滤波器的概念,有源滤波器通过对电流中高次。谐波进行检测,根据检测结果输入与高次谐波成分具有相反相位电流,达到实时补偿谐波电流的目的。与无源滤波器相比具有高度可控性和快速响应性,有一机多能特点。且可消除与系统阻抗发生谐振危险。也可自动跟踪补偿变化的谐波。但存在容量大,价格高等特点。<5>加装无功功率静止型无功补偿装置：对于大型冲击性负荷,可装设无功功率的静止型无功补偿装置,以或得补偿负荷快速变动的无功需求,改善功率因数,滤除系统谐波,减少向系统注入谐波电流,稳定母线电压,降低三相电压不平衡度,提高供电系统承受谐波能力。而其中以自饱和电抗型<SR型>的效果最好,其电子元件少,可靠性高,反应速度快,维护方便经济,且我国一般变压器厂均能制造。<6>线路分开：因电源系统内有阻抗,所以谐波负荷电流将造成电压波形的谐波电压畸形。把产生谐波的负荷的供电线路和对谐波敏感的负荷供电线路分开,线性负荷和非线性负荷从同一电源接口点PCC开始由不同的电路馈电,使非线性负荷产生的畸变电压不会传导到线性负荷上去。<7>电路的多重化、多元化：逆变单元的并联多元化是采用2个或多个逆变单元并联,通过波形移位叠加,抵消谐波分量；整流电路的多重化是采用12脉波、18脉波、24脉波整流,可降低谐波成分；功率单元的串联多重化是采用多脉波<如30脉波的串联>,功率单元多重化线路也可降低谐波成分。此外还有新的变频调制方法,如电压矢量的变形调制。<8>变频器的控制方式的完善：随着电力电子技术、微电子技术、计算机网络等高新技术发展,变频器控制方式有了以下发展：数字控制变频器,变频器数字化采用单片机MCS5l或80C196MC等,辅助以SLE4520或EPLD液晶显示器等来实现更加完善的控制性能；多种控制方式结合,单一的控制方式有着各自的缺点,如果将这些单一控制方式结合起来,可以取长补短,从而达到降低谐波提高效率的功效。<9>使用理想化的无谐波污染的绿色变频器：绿色变频器的品质标准是：输入和输出电流都是正弦波,输入功率因数可控,带任何负载使都能使功率因数为l,可获得工频上下任意可控的输出功率。第三章滤波电路3.1引言电路的输出电压不是纯粹的直流,从示波器观察整流电路的输出,与直流相差很大,波形中含有较大的脉动成分,称为纹波。为获得比较理想的直流电压,需要利用具有储能作用的电抗性元件〔如电容、电感组成的滤波电路来滤除整流电路输出电压中的脉动成分以获得直流电压。3.2滤波电路简介常用的滤波电路有无源滤波和有源滤波两大类。无源滤波的主要形式有电容滤波、电感滤波和复式滤波<包括倒L型、LC滤波、LCπ型滤波和RCπ型滤波等>。有源滤波的主要形式是有源RC滤波,也被称作电子滤波器。直流电中的脉动成分的大小用脉动系数来表示,此值越大,则滤波器的滤波效果越差。脉动系数<S>=输出电压交流分量的基波最大值／输出电压的直流分量.半波整流输出电压的脉动系数为S=1．57,全波整流和桥式整流的输出电压的脉动系数S≈O．67。对于全波和桥式整流电路采用C型滤波电路后,其脉动系数S=1／<4<RLC／T-1>。<T为整流输出的直流脉动电压的周期。>3.3电阻滤波电路RC-π型滤波电路,实质上是在电容滤波的基础上再加一级RC滤波电路组成的。如图3-2RC滤波电路。若用S表示C1两端电压的脉动系数,则输出电压两端的脉动系数S=<1/ωC2R>S。

3-1电容滤波

C-R-C或RC-π型电阻滤波脉动系数S=<1/ωC2R'>S'3-3L-C电感滤波3-4

π型滤波或叫C-L-C滤波由分析可知,电阻R的作用是将残余的纹波电压降落在电阻两端,最后由C2再旁路掉。在ω值一定的情况下,R愈大,C2愈大,则脉动系数愈小,也就是滤波效果就越好。而R值增大时,电阻上的直流压降会增大,这样就增大了直流电源的内部损耗；若增大C2的电容量,又会增大电容器的体积和重量,实现起来也不现实。这种电路一般用于负载电流比较小的场合。3.4电感滤波电路

根据电抗性元件对交、直流阻抗的不同,由电容C及电感L所组成的滤波电路的基本形式如图3-1、3-2、3-3、3-4所示。因为电容器C对直流开路,对交流阻抗小,所以C并联在负载两端。电感器L对直流阻抗小,对交流阻抗大,因此L应与负载串联。并联的电容器C在输入电压升高时,给电容器充电,可把部分能量存储在电容器中。而当输入电压降低时,电容两端电压以指数规律放电,就可以把存储的能量释放出来。经过滤波电路向负载放电,负载上得到的输出电压就比较平滑,起到了平波作用。若采用电感滤波,当输入电压增高时,与负载串联的电感L中的电流增加,因此电感L将存储部分磁场能量,当电流减小时,又将能量释放出来,使负载电流变得平滑,因此,电感L也有平波作用。利用储能元件电感器L的电流不能突变的特点,在整流电路的负载回路中串联一个电感,使输出电流波形较为平滑。因为电感对直流的阻抗小,交流的阻抗大,因此能够得到较好的滤波效果而直流损失小。电感滤波缺点是体积大,成本高。桥式整流电感滤波电路如图3-5所示。电感滤波的波形图如图3-6所示。根据电感的特点,当输出电流发生变化时,L中将感应出一个反电势,使整流管的导电角增大,其方向将阻止电流发生变化。3-5电感滤波电路在桥式整流电路中,当u2正半周时,D1、D3导电,电感中的电流将滞后u2不到90°。当u2超过90°后开始下降,电感上的反电势有助于D1、D3继续导电。当u2处于负半周时,D2、D4导电,变压器副边电压全部加到D1、D3两端,致使D1、D3反偏而截止,此时,电感中的电流将经由D2、D4提供。由于桥式电路的对称性和电感中电流的连续性,四个二极管D1、D3；D2、D4的导电角θ都是180°,这一点与电容滤波电路不同。3-5电感滤波电路波形图已知桥式整流电路二极管的导通角是180°,整流输出电压是半个半个正弦波,其平均值约为。电感滤波电路,二极管的导通角也是180°,当忽略电感器L的电阻时,负载上输出的电压平均值也是。如果考虑滤波电感的直流电阻R,则电感滤波电路输出的电压平均值为〔3－1要注意电感滤波电路的电流必须要足够大,即RL不能太大,应满足wL>>RL,此时IO〔AV可用下式计算<3-2>由于电感的直流电阻小,交流阻抗很大,因此直流分量经过电感后的损失很小,但是对于交流分量,在wL和上分压后,很大一部分交流分量降落在电感上,因而降低了输出电压中的脉动成分。电感L愈大,RL愈小,则滤波效果愈好,所以电感滤波适用于负载电流比较大且变化比较大的场合。采用电感滤波以后,延长了整流管的导电角,从而避免了过大的冲击电流。

3.5电容滤波原理详解空载时的情况当电路采用电容滤波,输出端空载,如图3-6<a>所示,设初始时电容电压uc为零。接入电源后,当u2在正半周时,通过D1、D3向电容器C充电；当在u2的负半周时,通过D2、D4向电容器C充电,充电时间常数为

〔a电路图

〔b波形图3-6空载时桥式整流电容滤波电路式中包括变压器副边绕组的直流电阻和二极管的正向导通电阻。由于一般很小,电容器很快就充到交流电压u2的最大值,如波形图3-6〔b的t1时刻。此后,u2开始下降,由于电路输出端没接负载,电容器没有放电回路,所以电容电压值uC不变,此时,uC＞u2,二极管两端承受反向电压,处于截止状态,电路的输出电压,电路输出维持一个恒定值。带载时的情况图3-7给出了电容滤波电路在带电阻负载后的工作情况。接通交流电源后,二极管导通,整流电源同时向电容充电和向负载提供电流,输出电压的波形是正弦形。在t1时刻,即达到u290°峰值时,u2开始以正弦规律下降,此时二极管是否关断,取决于二极管承受的是正向电压还是反向电压。先设达到90°后,二极管关断,那么只有滤波电容以指数规律向负载放电,从而维持一定的负载电流。但是90°后指数规律下降的速率快,而正弦波下降的速率小,所以超过90°以后有一段时间二极管仍然承受正向电压,二极管导通。随着u2的下降,正弦波的下降速率越来越快,uC的下降速率越来越慢。所以在超过90°后的某一点,例如图3-7<b>中的t2时刻,二极管开始承受反向电压,二极管关断。此后只有电容器C向负载以指数规律放电的形式提供电流,直至下一个半周的正弦波来到,u2再次超过uC,如图3-7<b>中的t3时刻,二极管重又导电。以上过程电容器的放电时间常数为〔3－3

电容滤波一般负载电流较小,可以满足td较大的条件,所以输出电压波形的放电段比较平缓,纹波较小,输出脉动系数S小,输出平均电压UO<AV>大,具有较好的滤波特性。

〔a电路图

〔b波形图3-7带载时桥式整流滤波电路以上滤波电路都有一个共性,那就是需要很大的电容容量才能满足要求,这样一来大容量电容在加电瞬间很有很大的短路电流,这个电流对整流二极管,变压器冲击很大,所以现在一般的做法是在整流前加一的功率型NTC热敏电阻来维持平衡,因NTC热敏电阻在常温下电阻很大,加电后随着温度升高,电阻阻值迅速减小,这个电路叫软起动电路。这种电路缺点是：断电后,在热时间常数内,NTC热敏电阻没有恢复到零功率电阻值,所以不宜频繁的开启。3.6小结为什么整流后加上滤波电容在不带负载时电压为何升高？这是因为加上滤波测得的电压是含有脉动成分的峰值电压,加上负载后就是平均值,计算：峰值电压=1.414×理论输出电压电阻滤波本身有很多矛盾,电感滤波成本又高,故一般线路常采用有源滤波电路,电路如图3-8。它是由C1、R、C2组成的π型RC滤波电路与有源器件晶体管T组成的射极输出器连接而成的电路。由图3-8可知,流过R的电流IR=IE／<1+β>=IRL／<1+β>。流过电阻R的电流仅为负载电流的1/<1+β>．所以可以采用较大的R,与C2配合以获得较好的滤波效果,以使C2两端的电压的脉动成分减小,输出电压和C2两端的电压基本相等,因此输出电压的脉动成分也得到了削减。3－8有源滤波电路从RL负载电阻两端看,基极回路的滤波元件R、C2折合到射极回路,相当于R减小了<1+β>倍,而C2增大了<1+β>倍。这样所需的电容C2只是一般RCπ型滤波器所需电容的1／β,比如晶体管的直流放大系数β=50,如果用一般RCπ型滤波器所需电容容量为1000μF,如采用电子滤波器,那么电容只需要20μF就满足要求了。采用此电路可以选择较大的电阻和较小的电容而达到同样的滤波效果,因此被广泛地用于一些小型电子设备的电源之中。24脉波整流电路4.1引言谐波是电力系统的大敌。当今流行的大多数开关电源,其前置输入整流部分基本采用不控整流电路。直接接入电网的开关电源非常多,若不采取有效措施,这种采用二极管整流的不控整流环节由于其本身的非线性特性,会使网侧输入电流严重畸变,谐波含量多,降低了设备的电磁兼容性能,给电网及其它用电设备带来许多危害,对电网产生严重的谐波污染。随着开关电源设备功率的增大,这种不控整流装置所产生的谐波更加严重,对电网的干扰也随之加大。在几十千瓦甚至上百千瓦的大功率场合下,往往采用多相整流技术,即采用增加整流器的输入相数的方法,抑制甚至完全消除输入电流中某些特定次数的谐波,如12相、18相、甚至24相以上的多相整流电路。最常用的是12脉波整流的方法,虽然传统的12脉波整流方式可以在输入电流中消除5、7次谐波,但其输入电流的THD为11.3％,谐波污染仍较大。24脉波整流机组产生的谐波电流较12脉波整流谐波含量少,尤其是12脉波整流谐波含量最大的11、13次谐波可减少80%以上是目前比较理想的供电方式.并且24脉波整流机组具有谐波分量低、电压波形好、滤波设备投资少等优点。[10]4.2整流原理整流电路的多重联结有并联多重联接和串联多重联结。对于交流输入电流来说,采用并联多重联结和串联多重联结的效果是相同的。采用多重联结不仅可以减少交流输入电流的谐波,同时也可以减少直流输出电压中的谐波幅值并提高波纹频率。本文采用四个三相不可控整流桥移相150构成串联四重联结的整流电路,利用变压器二次绕组接法的不同,使四组三相交流电源之间相位错开150,从而使输出整流电压ud在每个交流电源周期中波动24次,因此,被成为24脉波整流电路。依上所述,24脉波整流电路即为四个三相不可控桥电路串联而成,那么分析清三相不可控整流电路的基本原理24脉波整流电路的运行原理也就清晰了。三相不可控整流电路原理图如图4-1所示图4-1三相不可控整流电路及其波形该电路中,当某一对二极管导通时,输出直流电压等于交流侧线电压中最大的一个,该线电压既向电容供电,也向负载供电。当没有二极管导通时,由电容向负载放电,ud按指数规律下降。设二极管在距线电压过零点δ角处开始导通,并以二极管VD6和VD1开始导通的时刻为时间零点,则线电压为:uab=U2sin<ωt＋δ><4-1>而相电压为:ua=U2sin<ωt＋δ－π/6><4-2>在ωt=0时,二极管VD6和VD1开始同时导通,直流侧电压等于uab；下一次同时导通的一对管子是VD1和VD2,直流侧电压等于uac。这两段导通过程之间的交替有两种情况,一种是在VD1和VD2同时导通之前VD6和VD1是关断的,交流侧向直流侧的充电电流id是断续的,如图4-1所示,另一种是VD1一直导通,交替时由VD6导通换相至VD2导通,id是连续的。介于二者之间的临界情况是,VD6和VD1同时导通的阶段与VD1和VD2在ωt＋δ＝2π/3处恰好衔接了起来,id恰好连续。由"电压下降速度相等"的原则,可以确定临界条件。假设在ωt＋δ＝2π/3的时刻"速度相等"恰好发生,则有<4-3>可得

<4-4>

这就是临界条件。ωRC>和ωRC≤分别是电流id断续和连续的条件。图4-2给出了ωRC等于和小于时的电流波形。对一个确定的装置来讲,通常只有R是可变的,它的大小反映了负载的轻重。因此可以说,在轻载时直流侧获得的充电电流是断续的,重载时是连续的,分界点就是R=／〔ωC。一般24脉波整流电路多用于大、中功率场合,所以实际应用中RC>。图4-2ωRC≤3时的电流波形ωRC>时,交流侧电流和电压波形如图4-2所示,其中δ和θ的求取可仿照单相电路的方法。δ和θ确定之后,即可推导出交流侧线电流ia的表达式,在此基础上可对交流侧电流进行谐波分析。以上分析的是理想的情况,未考虑实际电路中存在的交流侧电感以及为抑制冲击电流而串联的电感。当考虑上述电感时,电路的工作情况发生变化,其电路图和交流侧电流波形如图4-3所示,其中图4-3a为电路原理图,图4-3b、c分别为轻载和重载时的交流侧电流波形。将电流波形与不考虑电感时的波形比较可知,有电感时电流波形的前沿平缓了许多,有利于电路的正常工作。随着负载的加重,电流波形与电阻负载时的交流侧电流波形逐渐接近。图4－34.3数据分析输出电压平均值空载时,输出电压平均值最大,为:<4-5>随着负载加重,输出电压平均值减小,至进入id连续情况后,输出电压波形成为线电压的包络线,其平均值为Ud=2.34U2。可见,Ud在2.34U2~2.45U2之间变化。与电容滤波的单相桥式不可控整流电路相比,Ud的变化范围小得多,当负载加重到一定程度后,Ud就稳定在2.34U2不变了。由于24脉波整流为4个三相不可控制整流电路的串联,则可得24脉波整流电路的空载时的输出电压平均值为:U=4U2<4-6>电流平均值输出电流平均值IR为：IR=Ud/R<4-7>

与单相电路情况一样,电容电流iC平均值为零,因此：Id=IR<4-8>

在一个电源周期中,id有6个波头,流过每一个二极管的是其中的两个波头,因此二极管电流平均值为Id的1/3,即：IVD=Id/3=IR/3

<3>二极管承受的电压二极管承受的最大反向电压为线电压的峰值,为。4.424脉波整流电路变压器连接方式等效24脉波整流电路由两个12脉波整流电路构成,12脉波整流由两个6脉波3相不可控整流桥并联组成。其中一个3相整流桥接向整流变压器二次侧星形绕组,另一个3相整流桥接向整流变压器的二次侧三角形绕组。因为每台整流变压器二次侧星形绕组和三角形绕组相对应的线电压相位错开π/6,于是可以得到两个三相桥并联组成的12脉波整流电路。当供给两个12脉波整流器的整流变压器高压网侧并联的绕组分别采用±7.5°外延三角形联接时,两套整流器并联运行即可构成等效24脉波整流器。图4-4为移相变压器的移相原理图与向量图,图中上面组变压器高压侧采用左延接法,如向量图左图所示,加入延边绕组之后,A相电压较加入延边绕组之前移相；下面组变压器采用右延接法,如向量图右图所示,同样可以看出加入延边绕组之后移相。两组变压器阀侧绕组均采用星-三角接法,这样阀侧绕组线电压幅值相等,只是相差一定的相位。阀侧绕组分别接到3相整流桥,采用串联联连接,就形成了24脉波电路,每个脉波相差的相角。整流电路的原理如图4-5,图中整流变压器副边输出电压T1超前T2相位角。图4-4移相变压器原理图与向量图图4-5整流原理图4.5仿真MATLAB是当今国际上公认的在科技领域方面最为优秀的应用软件和开发环境。从1984年正式版本的推出到现在,MATLAB经受住了用户的多年考验。在欧美各高等院校,MATLAB已经成为应用线性代数、自动控制理论、数据统计、数字信号处理、时间序列分析、动态系统仿真、图像处理等高级课程的基本教学工具,是攻读学位的大学生、硕士生、博士生必须掌握的基本技能。仿真步骤1、建立仿真模型、提取元器件模块。首先需要从模型库中提取元器件模块放到Simulink的仿真平台上。提取模块的方法是在打开的Simulink界面上,点击工具栏上快捷键图表,打开模型库浏览器<SimulinkLibrayBrowser>。在模型库浏览器中的树状目录中逐级打开子目录,电击选中的模块,将需要的模块用鼠标拖拉到Simulink的仿真平台上。连接仿真电路。模块放到仿真平台上后需要将模块排列到合适位置上方法是:点击模块,模块四角出现四个小黑色四方块,表示模块已经被选中。连接模块的方法是:将光标箭头指向模块的输出端,对准后光标变成"+"字形,按下鼠标左键拖曳"+"到另一个模块的输入端后松开鼠标左键,这样在两个模块输出和输入端之间就出现了带箭头的连线,箭头表示信号的流向。2、设置模块参数双击需要设置参数的模块,就会弹出参数对话框,按对话框提示输入各项,完毕后点击OK,该模块参数设置完毕。3、设置仿真参数仿真参数是指仿真的步长、时间和选取仿真的算法等,这是仿真开始前必须设定的。点击Simulink窗口菜单上的SimulationParameters命令或用键盘Ctrl+E键。启动仿真在菜单Simulink的子菜单中点击"Start"或用键盘Ctrl+T即可进入仿真。观测仿真结果双击示波器<Scope>就可以打开示波器观察以波形表示的仿真结果。为了验证理论推导的正确性,使方案电路得到更可信的验证,将电路在MATLAB上进行了仿真实验。使用软件对MATLAB图4-2中的电路进行建模仿真,仿真电路图如图4-3所示。电路仿真参数如表4-1所示。表4-1电路仿真参数参数名称参数取值输入电压电频率50HZ输入电压幅值100V负载电容10e-6F电阻5欧姆图4－624脉波整流电路仿真电路4.6仿真结果与分析如图4－7所示为24脉波整流电路空载时的电压波形,通过下图可以很清楚的看出在一个周期内有24个波头,电压在658.7～663.5之间波动。图4－724脉波整流电路电压空载波形如图4－8所示为24脉波整流电路加入电阻与电容时的仿真波形,电压在657～662.5范围内波动。图4－824脉波整流电路电压波形〔带电阻电容如图4－9所示为24脉波整流电路加入电容无电阻负载时电压脉动很小,在663.35～663.48范围内波动,已经接近直流。图4－924脉波整流电路电压波形〔有电容无电阻负载图4－10为12脉波整流电路的电压波形,相比24脉波整流电路的电压波形而言波动范围明显较大,其直流特性不如24脉波整流电路好。图4－1012脉波整流电路电压波形4.7结论本文介绍了24脉波整流电路的基本原理、组成方式。以该电路的基本组成三相不可控整流电路进行分析,从而得出24脉波整流电路的输出电压.接着介绍了24脉波整流电路变压器的连接方式.通过MATLAB对24脉搏波整流电路进行了建模,分空载、带电阻电容、有电容无电阻三种情况进行了仿真。仿真结果表明24脉波整流电路具有较好的直流特性,整流后的输出电压脉动很小,加入电容进行滤波后直流效果更好。文中又与12脉波整流电路的波形进行比较,显然,24脉波整流电路的输出波形要比12脉波整流电路的输出波形脉动小的多。第五章整流变压器保护5.1引言整流变压器在不管在电网系统中还是设备的运行中都处于非常重要的位置,对其的保护设置应当尽量全面,以防止事故的发生减少对电网的损害和造成不必要的经济损失。根据地铁设计规范,整流机组由一次侧交流高压断路器实现保护。整流变压器应设置绕组相间短路保护、外部短路的过流保护、过负荷保护和温度保护。整流器需设置内部短路保护、元件故障保护和温度保护。5.2变压器的保护设置电流速断保护是整流变压器的主要保护。它是保证在整流变压器绕组范围内发生严重短路故障时,以最短的动作时限,迅速切除故障点的电流保护,并且是按照系统最大运行方式的条件下,躲开变压器二次侧出线端发生三相金属性短路时的短路电流而整定的。当速断保护动作时,瞬时使断路器跳闸,并切除故障。过流保护是变压器的后备保护,是按照躲开可能发生的最大负荷电流而整定的,应能躲过机车的自启动电流。当继电保护中流过的电流达到保护整值的整定电流时,经过整定延时后使断路器跳闸。为了使整流变压器安全运行,使其运行寿命不低于设计使用年限。整流变压器设置了过负荷保护。过负荷保护是按照变压器的额定电流或限定的最大负荷电流而整定的。当电力变压器的负荷电流超过额定值而达到继电保护的整定电流时,经过整定延时,发出过负荷信号,值班人员可根据该信号对变压器的运行负荷加以调整和控制,防止长期过负荷而加速绕组老化。为了监视整流变压器运行温度,设置了温度保护,它分为警报和跳闸2种整定状态。5.3整流器的保护设置整流器二极管的保护<1>为了在整流器内部短路时能及时采取措施,我们将每个整流二极管串联1个快速熔断器。当二极管失去单向性能时,产生变压器二相短路,回路中将产生短路电流,此时由二极管熔丝熔断来保护。快速熔断器带有接点,熔断后能给出信号用于报警或跳闸。整流器每臂并联有数个二极管,当同一个臂内有1个熔丝熔断时,发出报警信号,超出1个时发跳闸信号。<2>为了防止过压损坏二极管,可分别设置相应的过压保护。在二极管两端并联RC电路,防止换相过压损坏二极管,构成换相过压保护；在交流侧加RC过压抑制回路和氧化锌压敏电阻,防止交流侧开关操作或变压器感应产生过压损坏二极管,构成交流侧过压保护；<3>在直流侧加装Rc过压抑制回路和放电回路,防止直流快速开关或断路器开合时产生操作过压损坏二极管,并在整流器输出端并联一个压敏电阻,抑制残余的过压,构成直流侧过压保护。整流器自身保护<1>为了防止整流器温度过高,在整流器预测温度最高的元件散热器或铜母排上设置温度传感器元件,用于监视元件散热器或铜母排的温度,能分级设定报警和跳闸温度值,并发出报警和跳闸信号。整流机组正常运行时,把电压为35kV<33kV>的交流电转换成1500V的直流电,然后