单相桥式不控整流电路的谐波分析-(2)(DOC)

精品文档 1欢迎下载 目录 1 引言 2 2 Matlab 软件简介 2 3 单相桥式不控整流电路的工作原理 2 3 1 单相桥式不控整流电路带电阻性负载的工作原理 2 3 2 电容滤波的单相不控整流电路的工作原理 3 4 单相桥式不控整流电路的模型建立与仿真 4 4 1 单相桥式不控整流电路 4 4 2 电容滤波的单相桥式不控整流电路 4 4 3 感容滤波的单相桥式不控整流电路 5 5 单相桥式不控整流电路的相关原理与计算 5 5 1 相关参数计算 以电容滤波为例 5 5 2 主要数量关系 6 5 3 单相桥式不可控整流电路谐波分析 7 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 7 6 1 电容滤波的单相桥式不控整流电路带电阻性负载 7 6 2 感容滤波的单相桥式不控整流电路 8 7 几个参数的改变对输入电流波形的影响 9 7 1 电阻性负载 10 7 2 电阻性负载带电容滤波 10 7 3 阻感负载带电容滤波 15 8 主要结论 18 9 心得体会 19 10 参考文献 19 精品文档 2欢迎下载 1 引言 电力电子技术中 把交流电能变成直流电能的过程称为整流 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 就能转变成直流 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 并主要分析其谐波 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 电阻负载时 在 u 正半周 VD1和VD4 2 导通 其作用相当于导线 此时电流经VD1 R VD4回到电源 由于二极管导通电压较小 此时输出电压波形为半个正弦波 在 u 负半周 VD2和VD3导通 其作用相当于导线 2 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R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 9U L2 I 0 9 U R L2 流过每个二极管的平均电流为 I I 2 0 45U R dL2 精品文档 3欢迎下载 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 当 u u 二极管 d22d 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 刚刚超过 d2 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 dd2 负半周工作情况刚好相反 2 图 2 电容滤波的单相桥式不控整流电路原理图 精品文档 4欢迎下载 4 单相桥式不控整流电路的模型建立与仿真 4 1 单相桥式不控整流电路 Matlab实验电路如下 图3 单相桥式不控整流电路电路图 4 2 电容滤波的单相桥式不控整流电路 Matlab仿真电路图如下 图 4 电容滤波的单相桥式不控整流电路 精品文档 5欢迎下载 以电容滤波的单相不控整流电路说明其仿真模型的建立 单相交流电源 AC1 参数设 置 为 Um 220V f 50HZ 整流桥选用普通二极管 参数不用修改 输出端接电阻性负载 可以模拟仿真各类电阻性负载 由于要求输出电流为 100A 故负载选择 Series RLC Branch 参数设置为 R 2 L 0mH C inf 即将电感视为零 电容视为无穷大 变为 电阻性负载 同样 为了实现电容滤波 与电阻并联支路负载选择 Series RLC Branch 参数设置为 R 0 L 0mH C 3e 2F 此时的滤波效果比较理想 由于交流电 源频率为 50HZ 即工作周期为 0 02 秒 故仿真时间设置为 1 秒 即 50 个周期 用几个 示波器分别观察交流电源 输入电流 输出电压以及输出电流波形 特别注意为了测量 波形谐波 接入 powergui 元件 4 3 感容滤波的单相桥式不控整流电路 图 5 感容滤波的单相桥式不控整流电路 5 单相桥式不控整流电路的相关原理与计算 5 1 相关参数计算 以电容滤波为例 i id VD1 VD3 i u 2d i i cR VD2 VD4 精品文档 6欢迎下载 该电路的基本工作过程是 在 u 正半周过零至 t 0 期间 因 u u 故二极管均 22d 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 t 0 之后 u d 将要超过 u 使得 VD1 和 VD4 导通 u u 交流电源向电容充电 期间向负载 R 供电 2d2d 设 VD1 和 VD4 导通的时刻与 u 过零点相距 角 则 2 u U sin t 1 2 2 2 在 VD1 和 VD4 导通期间 以下方程成立 u 0 U sin 2 d 2 2 u 0 d u 3 dC 1 t c i 0 t2 式中 u 0 为 VD1 和 VD4 开始导通时刻的直流侧电压值 d 将 1 代入并求解得 i CU cos t 4 c 2 2 而负载电流为 i sin t 5 R R u2 R U22 由此可知 i i i CU cos t sin t 6 dcR 2 2 R U22 设 VD1 和 VD4 的导通角为 则当 t VD1 和 VD4 关断 将 i 0 代入式 d 6 得 tan 7 电容被充电到 t 时 u u U sin VD1 和 VD4 关断 电容开始以 2d 2 2 时间常数 RC 按指数函数放电 当 t 即放电经过 角时 u 降至开始充电时的 d 初值U sin 另一对二极管 VD2 和 VD3 导通 此后 u 又向 C 充电 与 u 正半周的2 222 情况一样 由于二极管导通后 u 开始向 C 充电时的 u 与二极管关断后 C 放电结束时的 2d u 相等 和仅由乘积 RC 决定 d 5 2 主要数量关系 输出电压平均值 空载时 R 放电时间常数为无穷大 输出电压最大 U U d 2 2 整流电压平均值 U 可根据前述波形及有关计算公式推导得出 空载时 d U U 重载时 R 很小 电容放电很快 几乎失去储能作用 随负载加重 U 逐渐 d 2 2d 趋近于 0 9U 及趋近于电阻负载时的特性 2 根据负载情况选择电容 C 值 使之 RC 3 5 T 2 T 为交流电源的周期 此时输 出电压为 精品文档 7欢迎下载 U1 2U 8 d 2 输出电流平均值 I 为 R I 9 R R Ud 在稳态时 电容 C 在一个电源周期内吸收的能量和释放的能量相等 其电压平均值 保持不变 相应地 流经电容的电流在一周期内的平均值为零 又由 i i i 得出 dcR I I dR 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 d 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 VD i 10 dVD 2 d I 2 R I 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 在负载电阻参数 R 2 时 电容参数设置为 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 1 谐波次数为基数 2 谐波次数越高 谐波幅值越小 3 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 4 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 LC 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 2 C 3e 2F 由图可见输出电压为 220V 左右 输出电流大致为 100A 精品文档 8欢迎下载 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 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 2 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直 输入电流 上升段平缓了很多 即电感的平波作用体现明显 更加有利于电路的工作 精品文档 9欢迎下载 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 以阻碍电压 精品文档 10欢迎下载 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 可见一个 20mH 的电阻已经使输入电流的上升变得相当平缓 即电感的接 入对于波形的改善是很明显的 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 2 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 精品文档 11欢迎下载 7 2 电阻性负载带电容滤波 输入电压为 220V 50HZ 参数 R 2 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 精品文档 12欢迎下载 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 精品文档 13欢迎下载 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 2 L 0mH 时 电容改变时各数据如下 组别FundamentalTHD C 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 7 2 2 电容不变 电阻改变时的输入电流波形和谐波分析 R 2 C 3e 2F L 0mH starttime 设置为 0 4s 谐波分析如下 精品文档 14欢迎下载 R 2 5 C 3e 2F L 0mH starttime 设置为 0 4s 谐波分析如下 R 3 C 3e 2F L 0mH starttime 设置为 0 4s 谐波分析如下 精品文档 15欢迎下载 R 3 5 C 3e 2F L 0mH starttime 设置为 0 4s 谐波分析如下 组别FundamentalTHD R 2 213157 90 R 2 5 170 5170 42 R 3 148 4176 12 R 3 5 126187 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 7 7 3 阻感负载带电容滤波 输入电压为 220V 50HZ 参数 R 2 C 3e 2F L 0mH 时 starttime 设置为 0 4s 输入电流如下 精品文档 16欢迎下载 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 精品文档 17欢迎下载 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 精品文档 18欢迎下载 输入电流谐波分析 谐波分析如下 组别FundamentalTHD L 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 8 主要结论 精品文档 19欢迎下载 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 列的高次的奇数次谐波 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电路中的电容和 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 稳态后更加接近于直流波形 同时输入电流的上升变得平缓 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 9 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