12脉波整流电路MATLAB-Simulink仿真及谐波分析.pdf

第3 6卷第4期 2 0 0 8年 4月 凳皋 电力 e a s t c h i n a e l e c t r i c p o w e r v o 1 3 6 no 4 ap r 2 0 0 8 1 2脉波整流电路 mat l a b s i mu l i n k仿真 及谐波分析 张文斌 ， 靳希 ( 1 上海大学 机 电工程与 自动化学院 ， 上海2 0 0 0 7 2 ； 2 上海 电力学 院 电力与 自动化工程学 院， 上海2 0 0 0 9 0 ) 摘 要： 以1 2脉波整流电路为研究对象， 利用 ma t l a b s i m u l i n k建立模型对其进行仿真， 并对其产生谐波电流 进行分析和计算 ， 阐述了其消谐原理。并将其与 6脉波整流电路进行了分析对照， 证明了 1 2脉波整流电路消 谐的有效 性。 关键词： 整流装置； 谐波 ； 谐波失真； 仿真 作者简介： 张文斌， 从事机电工程与自动化研究。 中图分类号 ： t m 7 6 2 文献标识码 ： a 文章编 号 ： 1 0 0 1 9 5 2 9 ( 2 0 0 8 ) 0 4 - 0 0 7 0 - 0 3 m atlab- si m u l i nk ba s e d s i m u l a t i o n a nd ha r mo ni c a n a l y s i s f o r 1 2- pu l s e r e c t i fie r s zhang we n b i n t 。j l n x ( 1 c o l l e g e o f m e c h a t r o n i c s e n g i n e e ri n g a n d a u t o m a t i o n ，s h a n g h a i u n i v ， s h a n g h a i 2 0 0 0 7 2 ， c h i n a ； 2 s c h o o l o f p o w e r and a u t o m a t i o n e n g i n e e ri n g ， s h a n g h a i u n i v e r s i t y o f e l e c t ri c p o w e r ， s h ang h a i 2 0 0 0 9 0 ，c h i n a ) ab s t r a c t ： t h e ma t l ab s i mu l i n k wa s u s e d t o e s t a b l i s h mo d e l s an d c o n d u c t s i mu l a t i o n f o r t h e 1 2 - p u l s e r e c t i fi c a t i o n c i r c u i t t h e h a r mo n i c c u r r e n t g e n e r a t e d b y t h e r e c t i fi c a t i o n c i r c u i t w as c a l c u l a t e d，a n d t h e wo r k i n g p ri n c i p l e o f i t s ha r mo ni c e l i mi n a t i o n i s i l l u mi n a t e dco mp a ris o n wi t h t h e 6- p ul s e r e c t i fic a t i o n c i r c u i t p r o v e s t h a t t h e 1 2 p ul s e r e c t i fi c a t i o n c i r c ui t i s e ffe c t i v e i n h a r mo ni c e l i mi na t i o n ke y wo r ds： r e c t i fie r；h a r mo n i c；h a r mo ni c di s t o r t i o n；s i mul a t i o n 随着科学技术 和生产力的不断发展 ， 出现了 多种形式和控制方法 的整流器 ， 整流装置功率也 进一步增大 ， 对电网的干扰也 日益的严重 ， 尤其是 在钢厂的电力系统 中， 现代轧钢厂 日益广泛采用 可控整流装置来驱动直流 电机， 其容量高达数万 千瓦， 容易引起交 流侧 的高次谐波 。为了减轻整 流装置对电网的影响， 可以采用 1 2相 、 及 以上的 多相整流电路 ， 这种整流电路的功率 因数较高 ， 对 减少 电网中的谐波干扰 十分有效 ， 可 以有效地消 除钢厂电力系统中较高次数的谐波 。 t 图 1 1 2脉波串联整流 电路原理 图 l 1 1 2脉波整流 电路的原理图 2 1 2脉 波整流 电路的 mat l ab仿真 1 2脉波 串联整 流 电路 的原理 图见 图 1 。其 中 ， t 1和 为 2组整 流桥 串联 ； t为整流 变压 器 ， 其二次侧的绕组 a 2 ， b 2 ， c 2和 a 3 ， b 3 ， c 3 分别采 用 y形和形联结 ， 构成 3 0 。 相位差 的两组 电压 ， 而形联结 的变压器二次绕组相电压为星形二次 绕组相电压的 3 倍， 这样 2组交流电源的线电压 相等 。 在 m a t l a b s i mu l i n k的环境下对 1 2脉波整流 电路进行仿 真， ma t l a b 6 5版本 中的电力 系统工具 箱( p o w e r s y s t e m b l o c k s e t ) 可用于电力 电子电路和 系统仿真 ， 文中的模型就是基于该工具箱建立的。 2 1 1 2脉波整流电路建模 串联 1 2脉波整流 电路主电路 由三相对称交 流电压源 、 整流变压器 、 晶闸管整流桥 、 同步脉 冲 a b c 维普资讯 张文斌， 等1 2脉波整流电路 ma t l ab s i m u l i n k仿真及谐波分析 触发器、 r l c负载等部分组成 。同步脉 冲触发器 与晶闸管整流桥是不可分割 的 2个 环节 ， 2个 晶 闸管整流桥 串联联结给负载供 电 ， 在 s i mu l i n k环 境下串联 1 2脉波整流电路 的仿真模型见图 2 。 2 2 模型参数设置 三相对称交流电压 源参数设置 ： 三相对称交 流电压源的幅值设 为 2 2 0 v， 频率为 5 0 h z ， 相位 分别为 0 。 、 一1 2 0 。 、 1 2 0 。 。 三相变压器参数设置 ： 采用 3绕组三相变压 器 ， 1 次侧绕组采用 y形接线方式 ， 2次侧绕组分 别采用 y形和 形接线 方式 。为 了便于观察 ， 3 个绕组 的额定 电压分别取 3 8 0 v， 2 2 0 v， 2 2 0 v。 三相晶闸管整 流桥参数设 置 ： 使用 默认值 。r l c 负载参数设置 ： r取 1 0 0 n， l取 0 ， c取 i n f 。 同步脉冲触发器设置 ： 频率为 5 0 hz ， 脉冲的 宽度取 2 0 d e g r e e s ， 选择双脉冲触发方式 。选定触 发角为 0 。 。 2 3 仿真参数设置 仿 真 时 间 设 为 0 0 5 s ， 数 值 算 法 采 用 o d e 2 3 t b ， 完成上述步骤后运行 仿真模 型， 从示 波 器中观察输出波形 。图 3为纯电阻负载情况下输 出的电流 和输 出电压 的仿真波形。从 图 3 中可以看 出电压 和电流波形 在每个周期 内脉动 1 2次， 谐波含量比 6脉动整流要小。 3 1 2脉波整流变压器一次侧 电流的谐波 仿真分析 在整流变压 器二 次侧 形处 的三相 线 电流 以， ， 和星形接线方式处的三相线电流 蛇， 聊 删 州 u d 图 3电阻负载时输出 电流 i d和 输 出电压 的仿真波形 的仿真波形见 图4 。 由图4的波形 图可知 ， 整流变压器二 次侧线 謦 譬 5 婆0 5 墨 区 墨 图4三相线 电流 i d 3 ， i 和 i ， i ， 的波形 图 2 串联 l 2脉波整流 电路仿真模型 4 2 4 8 0 0 o 0 “ 铊 砌 维普资讯 7 2 ( 总 4 6 0 ) 妻莱电力 电流波型是 三相对称 的周期波形 ， 由于二次侧 2 个绕组采用 y一接线方式的缘故 ， 其 接线 比 y形接线滞后 3 0 。 其 a 3 ， b 3 之间的相电流为 整流变压器形接线 的电流 折算到变压 器一次侧 a 相绕组中的电流 ， 是 ， 值的 3 倍， 其波形见图 5 b 。整流变压器 y形接线折算到一次 侧 a的电流好为 ： 见图 5 a 。整流变压器一次侧 a 相的电流即 为 如 和 。 ： 之和， 其波形见图5 c 。 4 譬 4 1 g 1 图 5 移相 3 0 。 串联 2重联结 电路电流波形 将 i 进行傅里叶分析 ， 展开见式( 1 ) = 4 7r q - l , s i n 一1s i n 1 1 一1s i n 1 3 + 去 s i + 如 一 = s in 1 7 “ ( 一1 ( 1 ) 由式( 1 ) 可以看 出 的基波幅值 ， 和 几次谐 波幅值 ， n 分别如下 ： = 竽 - 1 2 ， k= 1 ， 2， 3 ， ( 2 ) 从式( 1 ) 和图 5可以看 出由于采用了移相变 压器 ， 使其副边 折算 电流在 主侧相互 叠加 ， 5 、 7 、 1 7 、 1 9 谐波因相互抵消而被消除 ， a相 电流 只含有 1 2 k 4 - 1次谐波 电流， 可以消除 6脉动整流 电路中的5 ， 7等次数的谐 波， 大大减少 了电网中 的谐波含量 ， 其与 6脉动整流 电路 中的各次谐 波 幅值对比见表 1 。 表 1 6脉动与 1 2脉动整流 电路各次谐 波含量对 比 ha r mo n i c s f n) 5 7 1 1 1 3 1 7 l 9 2 3 2 5 6 d 1 u s e 0 9 1 0 4 6 0 3 6 0 2 6 0 2 3 0 1 8 0 1 6 0 1 4 l 2 d 1 u s e 0 0 0 5 3 0 3 5 0 0 0 2 3 0 1 7 1 2脉动 整流 电路 的 与 6脉 动整流 电路 的 t h d( 谐波失真 ) 对 比见图 6 。 0 1 2 9 4 o 1 2 9 4 o 1 2 9 3 6 p u l s e 图 6 1 2脉动与 6脉动整流 电路 的 t hd对 比 由仿真波形 和表 1的对 比关 系看 出， 由于采 用 了移相变压器 ， 5 、 7 、 1 7 和 1 9 谐波相互 抵 消， 只剩下 1 1 、 1 3 、 2 3 和 2 5 谐波 ， 相 比 6脉动 整流 电路而言 1 2脉动整流电路可 以很好的抑制 某些特定次数的谐波， 同时由图 6可得 1 2脉动较 6脉动的谐波失真更小 ， 1 2脉动整流电路的优势 更为明显。 4结论 从 以上分析可以看出， 采用 1 2脉波整流的联 结方法可以很好地抑制 6脉波整流电路中某些特 定次数的高次谐波 ， 有效的提高系统的功率因数 ， 因此在大容量整流电路中特别是在钢厂电力系统 中有着重要的应用。 参考文献 ： 1 李传琦 ， 盛 义发 电力电子技术计 算机 仿真实验 m 北 京 ： 电子工业 出版社 2 李 颖 ， 朱 伯 立s i m u l i n k动态 系 统 建模 与仿 真 基 础 m 西安 ： 西安电子科技大学 出版社 3 王兆安 ， 杨君 谐 波抑制和无 功功率补偿 m 北 京： 机 械工业出版社 4 叶满园1 8脉 冲双桥 整流器 的研究 j 电力 系统及 其 自动化学报 ， 2 0 0 5， 1 2 ( 6 ) 5 陈鹏 ， 李 晓帆 一 种 带辅 助 电路 的 1 2脉波 整 流 电路 j 中国电机工程学报 ， 2 0 0 6， 6 ( 2 3 ) 6 吕润馀 ， 段 晓波 多脉动 整流电路谐波 统一分 析 j 河 北电力技术 ， 2 0 0 3 ， 6 ( 3 ) 7 a r r i l l a g a j ， me d i n a a， l i s b o a m l v，e t a1t h e h a r m o n i c d o ma i n：a f r a me o f r e f e r e n c e f o r p o we r s y s t e m h a r mo n i c a n a l - v s i s j i e e e t r a n s p o w e r s y s t ，1 9 9 5， 1 0 ( 1 ) ： 4 3 3 44 0 8 t a s k f o r c e o n h a r mo n i c s mo d e l i n g a n d s i mu l a ti o n mo d e l i n g a n d s i mu l a t i o n o f t h e p r o p a g a ti o n o f h a r mo n i