单相桥式不控整流电路的谐波分析 2共20页.docx

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单相桥式不控整流电路的谐波分析2共20页

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，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

I=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，当u

至u刚刚超过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负半周工作情况刚好相反。

图2电容滤波的单相桥式不控整流电路原理图

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

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SeriesRLCBranch，参数设置为R=2Ω、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SeriesRLCBranch，参数设置为R=0Ω、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

VD1VD3iu

ii

θ

VD2VD4δ

该电路的基本工作过程是，在u正半周过零至ωt=0期间，因u

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ωt=0之后，u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。

设VD1和VD4导通的时刻与u过零点相距δ角，则

u=Usin（ωt+δ）

（1）

在VD1和VD4导通期间，以下方程成立：

u（0）=Usinδ

（2）

u（0）+d=u（3）

式中，u（0）为VD1和VD4开始导通时刻的直流侧电压值。

将

（1）代入并求解得:

i=CUcos（ωt+δ）（4）

而负载电流为:

i==sin（ωt+δ）（5）

由此可知:

i=i+i=CUcos（ωt+δ）+sin（ωt+δ）（6）

设VD1和VD4的导通角为，则当ωt=，VD1和VD4关断。

将i（）=0代入式（6），得:

tan）=-（7）

电容被充电到ωt=时，u=u=Usin（+δ），VD1和VD4关断。

电容开始以时间常数RC按指数函数放电。

当ωt=，即放电经过-角时，u降至开始充电时的初值Usinδ，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u相等。

和仅由乘积ωRC决定。

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。

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，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逐渐趋近于0.9U，及趋近于电阻负载时的特性。

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:

U1.2U（8）

输出电流平均值I为

I=（9）

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

I=I

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，在负载电阻参数R=2Ω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。

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。

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=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

Fundamental

THD

C=inf（阻性）

108.8

0.44%

C=4e-2F

214.2

168.50%

C=3e-2F

213

157.90%

C=4e-3F

126．2

78.37%

C=2e-3F

93.6

58.47%

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=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，sta