单相桥式不控整流电路的谐波分析

沈岸：单相桥式不控整流电路的谐波分析PAGE5引言电力电子技术中,把交流电能变成直流电源的过程称为整流，整流电路的作用是将交变电能变为直流电能供给直流用电设备。本文研究的单相桥式不控整流电路也属于整流电路。在本电路中，按照负载性质的不同，可以分为有电容滤波和无电容滤波两类。如果把该电路的交流侧接到交流电源上，把交流电能经过交—直变换，转变成直流电能。本文主要对单相桥式不控整流电路的原理与性能进行讨论,并分析其谐波。侧重点在于借助Matlab的可视化仿真工具Simulink对单相桥式不控整流电路进行建模,选取合适的元件参数，实现电路的功能,并观察不同元件参数改变时波形及谐波的变化情况，并得出相应的仿真结果。2.Matlab软件简介Matlab提供了系统模型图形输入工具——Simulink工具箱。在Matlab中的电力系统模块库PSB以Simulink为运算环境,涵盖了电路、电力电子、电气传动和电力系统等电工学科中常用的基本元件和系统仿真模型。它由以下6个子模块组成:电源模块库、连接模块库、测量模块库、基本元件模块库、电力电子模块库、电机模块库。在这6个基本模块库的基础上,根据需要还可以组合出常用的、复杂的其它模块添加到所需的模块库中,为电力系统的研究和仿真带来更多的方便，本次仿真正是以Matlab中的Simulink工具箱为基础进行的。3.单相桥式不控整流电路的工作原理3.1单相桥式不控整流电路带电阻性负载的工作原理

桥式整流电路如图1所示。它是由电源变压器、四只整流二极管VD1-4和负载电阻R组成。四只整流二极管接成电桥形式，故称桥式整流。在u正半周，VD1和VD4导通，其作用相当于导线，此时电流经VD1、R、VD4回到电源。在u负半周，VD2和VD3导通，其作用相当于导线，此时电流经VD2、R、VD3回到电源。在R上各得到半个整流电压波形。这样就在负载RL上得到一个与全波整流相同的电压波形，其电流的计算与全波整流相同，即

U=0.9UI=0.9U/R

流过每个二极管的平均电流为

I=I/2=0.45U/R图1单相桥式不控整流电路电阻负载原理图3.2电容滤波的单相不控整流电路的工作原理图2为电容滤波的单相桥式不控整流电路的工作原理图。假设该电路已工作于稳态，u表示电阻两端的电压。其基本工作过程为：在u正半周过零点u<u,故二极管均不导通，此阶段电容C向R放电，提供负载所需电流，同时u下降。至u超过u，使得VD1和VD4开通，u=u，交流电源向电容充电，同时向负载R供电。在u负半周刚好相反。图2电容滤波的单相桥式不控整流电路原理图在一个电源周期中，i有两个波头，分别轮流流过VD1、VD4和VD2、VD3.反过来说，流过某个二极管的电流i只是两个波头中的一个，其平均值为 i==（10） 在给定的实验数据中，代入以上公式计算知本次仿真主要参数为输入电压为220V、50HZ，参数R=2Ω，C=3e-2F。5.3单相桥式不可控整流电路谐波分析 实用的单相不控整流电路带电容滤波时，通常串联滤波电感抑制冲击电流。电容滤波的单相不控整流电路电路交流侧谐波组成有以下规律：谐波次数为基数。谐波次数越高，谐波幅值越小。与带阻感负载的单相全控桥整流电路相比，谐波与基波的关系是不固定的，RC越大，则谐波越大，而基波越小。这是因为，RC越大，意味着负载越轻，二极管的导通角越小，则交流侧电流波形的底部就越窄，波形畸变也越严重。越大，则谐波越小，因为串联电感L抑制冲击电流从而抑制了交流电流的畸变。6电容滤波和感容滤波的单相不控整流电路的波形仿真情况6.1电容滤波的单相桥式不控整流电路带电阻性负载输入电压为220V、50HZ，参数R=2Ω，C=3e-2F，由图可见输出电压为220V左右，输出电流大致为100A。输入电流的谐波分析采用powergui元件，在structure里面选择ScopeData，starttime设置为0.2S,得到的谐波分析图如下，其中可见THD=154.15%。（THD谐波失真是指输出信号比输入信号多出的谐波成分。谐波失真是系统不是完全线性造成的。所有附加谐波电平之和称为总谐波失真。总谐波失真与频率有关。）6.2感容滤波的单相桥式不控整流电路 输入电压为220V、50HZ，参数R=2Ω，C=3e-2F，L=20mH，由图可见输出电压为220V左右，输出电流大致为100A，但是相比电阻性负载，输出电流波形更加平整。即电感的平波作用体现明显。输入电流的谐波分析同样采用powergui元件，在structure里面选择ScopeData，starttime设置为0.6S,得到的谐波分析图如下，其中可见THD=48.49%。可见，电感的加入使得THD从154.15%降为48.49%，有明显的削弱谐波的作用。 以一小部分波形为例说明电感的作用，截图如下： 在输入交流电压正半周，当达到二极管导通电压后，二极管VD1和VD4导通，由于电感的加入，相比没有电感时，在电压上升期，电感可以储存一部分能量，即阻碍电压的上升，使得上升电压变得平缓。当电压下降时，储存在电感中的电能释放，使得下降电压变得平缓。7几个参数的改变对输入电流波形的影响7.1电阻性负载（输入电压为220V、50HZ，参数R=2Ω，C=inf，L=0mH） 输入电流波形如上图，其中由于负载为电阻，故而输入电流波形接近于正弦波，此时THD=0.44%，说明此时电阻性负载产生的谐波很小。7.2电阻性负载带电容滤波（输入电压为220V、50HZ，参数R=2Ω，L=0mH）7.2.1电阻不变，电容变化时波形及谐波情况如下： 电容C=3e-2F时：由于电容的加入，使得电路的谐波增大，THD=157.90%，谐波总失真变大。电容增大时（C=4e-2F）时，波形及谐波分析如下：可见，电容的增大，使得THD变化为168.50%，谐波总失真进一步增大。当电容减小时（C=4e-3F），时，波形及谐波分析如下： 可见，当电容减小时，输入电流波形变得更加不规则，但是THD=78.37%，相对电容为C=3e-2时F有所减小。 当电容进一步减小为（C=2e-3F）时，波形及谐波分析如下： 此时输入电流THD=58.47%，可见输入电流总谐波失真进一步减小。输入电压为220V、50HZ，参数R=2Ω，L=0mH时，电容改变时各数据如下：组别FundamentalTHDC=inf（阻性）108.80.44%C=4e-2F214.2168.50%C=3e-2F213157.90%C=4e-3F126．278.37%C=2e-3F93.658.47% 由表格数据可知，随着电容C的减小，总谐波失真越来越小，即RC越大，负载越轻，同时，从波形上看，电容的主要影响有：1）电容越大，滤波效果更加明显，输入电流波形更加规整，更加接近于锯齿波。2）电容越大，其所能储存的电能越多，释放时的冲击电流也就越大。6.2.2电容不变，电阻改变时的输入电流波形和谐波分析R=2Ω，C=3e-2F，L=0mH，starttime设置为0.4s，谐波分析如下：R=2.5Ω，C=3e-2F，L=0mH，starttime设置为0.4s，谐波分析如下：R=3Ω，C=3e-2F，L=0mH，starttime设置为0.4s，谐波分析如下：R=3.5Ω，C=3e-2F，L=0mH，starttime设置为0.4s，谐波分析如下：组别FundamentalTHDR=2Ω213157.90%R=2.5Ω170.5170.42%R=3Ω148.4176.12%R=3.5Ω126187.78%由此可见，电容不变，随电阻的增大，输入电流的总谐波失真THD逐渐增大。即电阻在增大的过程中，使得输出电流减小，与输入电流的偏差增大。6.3阻感负载带电容滤波（输入电压为220V、50HZ，参数R=2Ω，C=3e-2F）L=0mH时，starttime设置为0.4s，输入电流如下：输入电流谐波分析：L=20mH时，输入电流达到稳态后的波形如下：输入电流谐波分析（此时starttime设置为0.6s，因为此时已达稳态）：L=40mH时，输入电流波形如下：输入电流谐波分析：L=60mH，输入电流波形如下： 输入电流谐波分析：谐波分析如下：组别FundamentalTHDL=0213157.90%L=20mH87.0248.49%L=40mH87.5748.34%L=60mH88.248.25%电感从0到60mH，交流侧输入电流波形变化变缓，即随着电感的增加，波形的平化程度增加。从表格中数据可以发现，从无电感到有电感，总谐波失真THD有一个明显的减小，而对于从20-60mH的过程中，总谐波失真虽然也在减小，但是变化较小。7主要结论 通过主要仿真波形的观察比较，可以得出以下结论：（1）电容滤波的单相桥式不控整流电路交流侧电流除了含有基波分量外，还含有一系列的高次谐波，谐波幅值与谐波次数成反相关。（2）电容滤波的单相桥式不控整流电路直流侧电压除了直流分量外，还含有一系列的高次谐波，且以偶次谐波为主，且谐波次数越高，谐波幅值越小。（3）电容滤波的单相桥式不控整流电路交流侧电压谐波的主要来源为中的电容和电阻，即可视作与RC正相关。（4）电容有滤波作用，在电容滤波的单相桥式不控整流电路中其他参数一致的情况下，电容越大，谐波幅值越大，THD越大。但由于电容的滤波作用，可以使得输入电流在形状上更为接近锯齿波。（5）电感有平波作用，在电容滤波的单相桥式不控整流电路中其他参数不变，直流侧加入电感越大，THD越小。同时由于电感的平波作用，使得直流输出电流波形更加平缓，更加接近于直流波形，同时输入电流的冲击得到缓解。 （6）电容滤波的单相桥式不控整流电路直流侧电阻的增大会使得THD增大。 8心得体会 在本次课程设计中，我学到了很多东西。首先是关于matlab仿真软件的使用以及单相桥式不控整流电路的相关原理。继上学期三相半波可控整流电路的原理与性能分析使用matlab仿真软件进行仿真后，本次的仿真明显的更加熟练，对于例如示波器的参数设置、元件的选取以及help功能的使用，都更为熟练。 其次是对于接触一个陌生东西时候的一种解决思路和方法。以此次课程设计为例，从单相桥式不控整流电路出发，分别考虑电阻性负载、阻感性负载。电阻性负载加电容滤波、阻感性负载加电容滤波等不同情况，思路清晰，最终目标是朝着谐波分析，同时从中了解造成谐波的原因，即造成线路非线性的主要因素，从而为后续的毕业设计做准备。同时，对于数据的分析能力得到了提高。单一变量在本次课程设计中得到了大量的使用。为了考察某一因素对于电路性能的影响，往往需要多次改变参数，从波形中比较得出结论。最后，我觉得丰富专业知识，应该从细小处着手。通过多次和王老师的交流中我能深刻的体会到王老师对于各种电路理解之深刻。只有在深刻理解最基本的电路的基础上，才能更好的分析和设计更为复杂的电路。在今后的学习中，我也将向王老师多多学习，把最基本的原理理解透彻，争取都通过仿真，把电力电子的一些基本电路都通过仿真实现，以便于更好的理解其原理。9参考文献[1]王兆安;黄俊.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社,2004.[2]张占松;蔡宣三.开关电源的原理与设计[M].北京：电子工业出版社，2004.[3]周渊深.交直流调速系统与MA