基于Simulink三相橋式整流電路及其濾波器的設(shè)計

1、.2013屆本科畢業(yè)設(shè)計 三相橋式整流電路及其濾波器的設(shè)計 院 （系） 名 稱物理與電子信息學(xué)院 專 業(yè) 名 稱電氣工程及其自動化 學(xué) 生 姓 名 學(xué) 號 指 導(dǎo) 教 師 完 成 時 間2013年5月8日 .三相橋式整流電路及其濾波器的設(shè)計 物理與電子信息學(xué)院 電氣工程及其自動化專業(yè) 學(xué)號： 指導(dǎo)教師： 摘要：本文在對三相橋式全控整流電路的理論分析的基礎(chǔ)上，采用matlab的可視化仿真工具simulink建立了三相橋式全控整流電路的仿真模型，對輸出電壓、電流、控制角、以及負(fù)載特性進(jìn)行了動態(tài)仿真與研究。仿真結(jié)果和理論計算結(jié)果一樣，從而證明了仿真結(jié)果的有效性和精確性，加深了對三相橋式整流電路的認(rèn)識

2、和理解，同時對系統(tǒng)的的無功和諧波進(jìn)行了仿真分析；然后根據(jù)無功補償和濾波的需要提出了無源濾波器的參數(shù)確定方法；接著設(shè)計出了各次無源濾波器，并將其接入系統(tǒng)，通過仿真分析驗證其無功補償和濾波的可行性，達(dá)到了對三相交流電整流和對諧波電流濾除的效果。關(guān)鍵詞：整流電路；simulink；諧波；無源濾波 design of three-phase bridge rectifier circuit and filter college of physics and electronic information electrical engineering and automation no: tutor: a

3、bstract: the paper based on the analysis of the three-phase bridge controlled rectifier circuit theory, using the visualization simulation tool simulink of matlab estanlish three-phase bridge control rectifier circuit. the dynamic simulation and analysis of ontput voltage，current, and load character

4、istic were performed. the same are simulation results and theoretical calculation results, demonstrating the accuracy and effectiveness of the simulation results, at the same time deeping the understanding of the three-phase bridge rectifier circuit, and then simulint and analyze the reactive power

5、and harmonics of system before filtering ; secondly determine the parameters of passive harmonic filters; thirdly connect the filters to the system to simulate and analyze the effect of reactive power compensation and harmonic suppression, reached to the effect of the three-phase alternating current

6、 rectifier and the harmonic current filter.key words: rectifier circuit; simulink; harmonic; passive filter目 錄摘要 11 引言32 基于simulink的三相橋式整流電路建模及仿真分析32.1 三相橋式整流電路原理32.2 三相橋式整流電路建模及參數(shù)設(shè)置42.2.1 matlab/simulink簡介42.2.2 基于simulink的建模52.3 三相橋式整流電路的simulink的仿真分析52.3.1 在純電阻負(fù)載時不同觸發(fā)角的仿真分析52.3.2 在電阻電感負(fù)載時不同觸發(fā)角的仿真

7、分析83 三相橋式整流電路的諧波電流的分析及濾除113.1 諧波概念及產(chǎn)生原因和危害113.2 三相橋式整流電路的諧波電流的仿真分析133.3 濾除諧波的方法簡介與應(yīng)用143.3.1 常用無源濾波器的設(shè)計153.3.2單調(diào)諧濾波器的原理及特性153.3.3雙調(diào)諧濾波器的原理及特性163.3.4高通濾波器的原理及特性164 三相橋式整流電路濾波電路的設(shè)計仿真174.1 三相橋式整流電流在電阻負(fù)載及特定觸發(fā)角下裝置的諧波和功率分析184.2 確定補償容量及各個濾波器的按比例分配的補償?shù)臒o功功率184.3 單調(diào)諧濾波器及高通濾波器的相關(guān)計算195 結(jié)束語21參考文獻(xiàn)21致謝22 1 引言整流電路1是

8、電力電子電路中出現(xiàn)最早的一種，它將交流電變?yōu)橹绷麟?，?yīng)用十分廣泛，電路形式多種多樣，各具特色?？梢詮母鞣N角度對整流電路進(jìn)行分類，主要分類方法有：按組成的器件可分為不可控、半控、全控三種；按電路結(jié)構(gòu)可分為橋式電路和零式電路；按交流輸入相數(shù)分為單相電路和多相電路；按變壓器二次側(cè)電流的方向是單相或雙向，又分為單拍電路和雙拍電路。本文就對三相橋式整流電路進(jìn)行設(shè)計，因為三相橋式整流電路，是電力電子技術(shù)中最為重要，也是應(yīng)用最為廣泛的電路。不僅應(yīng)用與一般工業(yè)，也廣泛應(yīng)用于交通運輸、電力系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、及其他領(lǐng)域。常用的三相整流電路有三相橋式不可控整流電路、三相橋式半控整流電路和三相橋式全控整流電路

9、，由于整流電路涉及到交流信號、直流信號以及觸發(fā)信號，同時包含晶閘管、電容、電感、電阻、等多種原件，采用常規(guī)電路分析相當(dāng)繁瑣，高壓情況下試驗也很難進(jìn)行。因此本文采用matlab提供的可視化仿真工具simulink可直接建立電路的仿真模型，隨意改變仿真參數(shù)，并且可以立即得到仿真結(jié)果，直觀性強。本文利用simlink對三相橋式全控整流電路進(jìn)行建模，對不同控制角，不同負(fù)載情況下進(jìn)行了仿真分析，同時對交流側(cè)電流進(jìn)行fft分析，得出三相橋式全控整流電路產(chǎn)生6k1次諧波，主要是5次及7次諧波，由于諧波的危害十分嚴(yán)重。諧波使電能的生產(chǎn)，傳輸和利用的效率降低，使電氣設(shè)備過熱、產(chǎn)生振動和噪聲，并使絕緣老化，使用壽

10、命縮短，甚至發(fā)生故障或燒毀，同時諧波還可引起電力系統(tǒng)局部并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振，使諧波含量放大，造成電容器等設(shè)備燒毀。諧波還會引起繼電保護(hù)和自動裝置誤動作，使電能計量出現(xiàn)混亂對于電力系統(tǒng)外部，諧波對通信設(shè)備和電子設(shè)備會產(chǎn)生嚴(yán)重干擾，所以對整流產(chǎn)生的諧波必須濾除，以減少電力電子裝置對電網(wǎng)的諧波污染。2 基于simulink的三相橋式整流電路建模及仿真分析2.1 三相橋式整流電路原理三相橋式全控整流電路原理圖如圖1所示。三相橋式全控整流電路是由三相半波整流電路演變而來的，它由三相半波共陰極接法（vt1、vt3、vt5）和三相半波共陽極接法（vt4、vt6、vt2）的串聯(lián)組合。t rvt4 vt6 vt

11、2id負(fù)載vt1 vt3 vt5 圖1 三相橋式整流電路原理圖其工作特點是任何時刻必須有不同組別的兩支晶閘管同時導(dǎo)通，構(gòu)成電流通路，因為保證電路啟動和電流斷續(xù)后能正常導(dǎo)通，必須對不同組別應(yīng)到的導(dǎo)通的一對晶閘管同時加觸發(fā)脈沖，所以觸發(fā)脈沖按vt1-vt2-vt3-vt4-vt5-vt6的順序，相位依次差60，共陰極組vt1、vt3、vt5的脈沖依次相差120，共陽極組vt4、vt6、vt2依次相差120。同一相的上下兩個橋臂，即vt1和vt4、vt3和vt6、vt5和vt2，脈沖差180。 要使電路正常工作，需保證應(yīng)同時導(dǎo)通的2個晶閘管均有脈沖，常用的方法有兩種：一種是寬脈沖觸發(fā)，它要求觸發(fā)脈沖

12、寬度大于60，另一種是雙窄脈沖觸發(fā)，即觸發(fā)一個晶閘管時，向一個小序號的晶閘管補發(fā)脈沖。寬脈沖觸發(fā)要求功率大，易使脈沖變壓器飽和，所以多采用雙窄脈沖。2.2 三相橋式整流電路建模及參數(shù)設(shè)置 2.2.1 matlab/simulink簡介 matlab 是美國math works公司80年代推出的一種數(shù)值型計算軟件，它集科學(xué)計算、自動控制、信號處理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和圖像處理等功能于一體，具有編程效率高、圖形功能強等優(yōu)點。近年來，它已經(jīng)發(fā)展成為適合多學(xué)科、多種工作平臺的功能強大的大型仿真軟件。matlab提供的可視化仿真工具simulink 用來對動態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析，支持連續(xù)時間、離散時間及兩者

13、混合的線性、非線性系統(tǒng)，也支持多變量、多速率的系統(tǒng)，具有模塊化、可重載、可封裝和圖形化編程等特點。大大提高了系統(tǒng)仿真的效率和可靠性。simulink提供了豐富的模型庫供仿真使用，其中包含本文重點應(yīng)用的 power system block。power system block2的功能非常強大，可以用于電路、電力電子系統(tǒng)、電機系統(tǒng)、電力傳輸?shù)冗^程的仿真提供了一種類似電路建模的方式進(jìn)行模型繪制，在仿真前自動將其變化成狀態(tài)方程描述的系統(tǒng)形式，然后在simulink下進(jìn)行仿真分析。2.2.2 基于simulink的建模三相橋式全控整流電路的原理可以利用simulink的模塊建立仿真模型如下圖所示。圖2

14、 三相橋式整流電路建模圖系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置： (1) 電源參數(shù)設(shè)置：三相交流電源的電壓峰值為 220* ，頻率為50hz，相位分別為0、-120、-240。(2) 三相晶閘管整流器參數(shù)設(shè)置：使用默認(rèn)值。(3) 六脈沖發(fā)生器設(shè)置：頻率為50hz，脈沖寬度取5，取雙脈沖觸發(fā)方式。(4) 觸發(fā)角設(shè)置：可以根據(jù)需要將alph設(shè)置為30、60、90等。(5) 采用變步長算法ode15s(stiff/ndf)。(6) 仿真時間start time:0.0 stop time：0.06 單位：s 。2.3 三相橋式整流電路的simulink的仿真分析 設(shè)置仿真時間0.06s，數(shù)值算法采用ode15s(stiff

15、/ndf)。啟動仿真，根據(jù)三相橋式全控整流電路的原理圖，對不同負(fù)載（在電阻性負(fù)載時r=10，在電阻電感負(fù)載時r=10、l=0.09h）及不同的觸發(fā)角a會影響輸出電壓及輸出電流進(jìn)行仿真。2.3.1 在純電阻負(fù)載時不同觸發(fā)角的仿真分析 圖3 在a =0時電阻負(fù)載的波形 圖4 在a =30時電阻負(fù)載的波形 圖5 在a =60時電阻負(fù)載的波形 圖6 在a =90時電阻負(fù)載的波形 圖7 在a =120時電阻負(fù)載的波形三相全控橋式整流電路電阻性負(fù)載小結(jié)： (1) 任何時候共陰、共陽極組各有一個元件同時導(dǎo)通構(gòu)成通路。(2) 輸出電壓由六段線電壓組成每周期脈動六次，每周期脈動頻率300hz。(3) 共陰極組晶

16、閘管vt1、vt3、vt5，按相序依次觸發(fā)導(dǎo)通，相位相差120，共陽極組晶閘管vt4、vt6、vt2，相位相差120。同一相的晶閘管相位相差180每個晶閘管導(dǎo)通角為120。 (4) 輸出電壓及電流的波形一樣。(5) 在a =60時輸出電壓及電流連續(xù)，在a 60時輸出電壓及電流斷續(xù)。 (6) 在a =120時輸出電壓及電流為零，說明三相橋式全控整流電路帶電阻負(fù)載晶閘管觸發(fā)角移相最大值為120。2.3.2 在電阻電感負(fù)載時不同觸發(fā)角的仿真分析圖8 在a =0時電阻電感負(fù)載的波形 圖9 在a =30時電阻電感負(fù)載的波形 圖10 在a =60時電阻電感負(fù)載的波形 圖 11 在a =90時電阻電感負(fù)載的

17、波形三相全控橋式整流電路電阻電感負(fù)載小結(jié)：(1) 在a =60時 , 電阻電感負(fù)載和電阻負(fù)載不同之處是，電感性負(fù)載由于電感的存在，輸出電壓波形會出現(xiàn)負(fù)的部分。 (3) 在電阻電感負(fù)載是，三相橋式全控整流電路的觸發(fā)角移相范圍為90，有圖中波形可知，在a =90中輸出電壓波形上下對稱，平均值為零。3 三相橋式整流電路的諧波電流的分析及濾除3.1 諧波概念及產(chǎn)生原因和危害在供用電系統(tǒng)中，通常總是希望交流電壓和電流呈正弦波形。正弦波電壓可表示為u (t) = u sin(t + u) (1)式(1)中，u為電壓有效值；u初相角；角為頻率，=2f ；f為頻率；t 為周期。當(dāng)正弦波電壓施加在線性無源元件電

18、阻、電感和電容上，其電流和電壓分別為比例、積分和微分關(guān)系，仍為同頻率的正弦波。但當(dāng)正弦波電壓施加在非線性電路上時，電流就變?yōu)榉钦也?，非正弦電流在電網(wǎng)阻抗上產(chǎn)生壓降，會使電壓波形也變?yōu)榉钦也?。?dāng)然，非正弦波電壓施加在線性電路上時，電流也是非正弦波。對于周期為t=2/的非正弦電壓u (t)，一般滿足狄里赫利條件，可分解為如下形式的傅立葉級數(shù) u (t) = a0 + (ancosnt +bnsinnt ) (2)式(2)中 a0 = 1/(2) u (t) d (t)an = 1/() u (t)cosnt d (t)bn = 1/() u (t)sinnt d (t)說明：n =1, 2,

19、3, 、積分范圍為0到2。在式(2)的傅立葉級數(shù)中，頻率和工頻相同的分量稱為基波。頻率為基波頻率整數(shù)倍 的分量稱為諧波，諧波次數(shù)為諧波頻率和基波頻率的整數(shù)比。以上公式及定義均以非正弦電壓為例，對于非正弦電流的情況也完全適用，把式中u (t) 換成i (t) 即可。n次諧波電流含有率以hrin ( harmonic ratio for in) 表示hrin = in / i1 100 (3)式(3)中，in為第n次諧波電流有效值；i1為基波電流有效值。電流諧波總畸變率thdi (total harmonic distortion) 定義為thdi = ih / i1 100 (4)式(4)中，i

20、h 為總諧波電流有效值。產(chǎn)生的原因：由于正弦電壓加壓于非線性負(fù)載，基波電流發(fā)生畸變產(chǎn)生諧波。主要非線性負(fù)載有ups 、開關(guān)電源、整流器、變頻器、逆變器等。在整流裝置中一般都會產(chǎn)生3次以上的諧波。在整流裝置中諧波產(chǎn)生的原因也是多種多樣的。比較常見的有兩類第一類是由于非線性負(fù)荷而產(chǎn)生諧波，例如可控硅整流器、開關(guān)電源等，這一類負(fù)荷產(chǎn)生的諧波頻率均為工頻頻率的整數(shù)倍。例如三相六脈波整流器所產(chǎn)生的主要是5次和7次諧波，而三相12脈波整流器所產(chǎn)生的主要是11次和13次諧波。第二類是由于逆變負(fù)荷而產(chǎn)生諧波，例如中頻爐、變頻器，這一類負(fù)荷不僅產(chǎn)生整數(shù)次諧波，還產(chǎn)生頻率為逆變頻率2倍的分?jǐn)?shù)諧波。例如：使用三相六

21、脈波整流器而工作頻率為820hz的中頻爐則不僅產(chǎn)生5次和7次諧波，還產(chǎn)生頻率為1640hz的分?jǐn)?shù)諧波?？傊晌?知電力電子裝置是電力系統(tǒng)最嚴(yán)重、最突出的諧波源。諧波的危害：理想的公用電網(wǎng)所提供的電壓應(yīng)該是單一而固定的頻率以及規(guī)定的電壓幅值。諧波電流和諧波電壓的出現(xiàn)，對公用電網(wǎng)是一種污染，它使用電設(shè)備所處的環(huán)境惡化，也對周圍的其他設(shè)備產(chǎn)生干擾。在電力電子設(shè)備廣泛應(yīng)用以前，人們對諧波及其危害就進(jìn)行過一些研究，并有一定認(rèn)識，但那時諧波污染還沒有引起足夠的重視。近三四十年來，各種電力電子裝置的迅速發(fā)展使得公用電網(wǎng)的諧波污染日趨嚴(yán)重，由諧波引起的各種故障和事故也不斷發(fā)生，諧波危害的嚴(yán)重性才引起人們高度的

22、關(guān)注。諧波的危害十分嚴(yán)重。諧波使電能的生產(chǎn)、傳輸和利用的效率降低，使電氣設(shè)備過熱、產(chǎn)生振動和噪聲，并使絕緣老化，使用壽命縮短，甚至發(fā)生故障或燒毀。諧波可引起電力系統(tǒng)局部并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振，使諧波含量放大，造成電容器等設(shè)備燒毀。諧波還會引起繼電保護(hù)和自動裝置誤動作，使電能計量出現(xiàn)混亂。對于電力系統(tǒng)外部，諧波對通信設(shè)備和電子設(shè)備會產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。諧波對公用電網(wǎng)和其他系統(tǒng)的危害大致有以下幾個方面5：(1) 加大企業(yè)的電力運行成本：由于諧波不經(jīng)治理是無法自然消除的，因此大量諧波電壓電流在電網(wǎng)中游蕩并積累疊加導(dǎo)致線路損耗增加、電力設(shè)備過熱，從而加大了電 力運行成本，增加了電費的支出。(2) 降低了供電的可

23、靠性：諧波電壓在許多情況下能使正弦波變得更尖，不僅導(dǎo)致變壓器、電容器等電氣設(shè)備的磁滯及渦流損耗增加，而且使絕緣材料承受的電應(yīng)力增大。諧波電流能使變壓器的銅耗增加，所以變壓器在嚴(yán)重的諧波負(fù)荷下將產(chǎn)生局部過熱，噪聲增大，從而加速絕緣老化，大大縮短了變壓器、電動機的使用壽命，降低供電，可靠性，極有可能在生產(chǎn)過程中造成斷電的嚴(yán)重后果。 (3) 引發(fā)供電事故的發(fā)生：電網(wǎng)中含有大量的諧波源（變頻或整流設(shè)備）以及電力電容器、變壓器、電纜、電動機等負(fù)荷，這些電氣設(shè)備處于經(jīng)常的變動之中，極易構(gòu)成串聯(lián)或并聯(lián)的諧振條件。當(dāng)電網(wǎng)參數(shù)配合不利時，在一定頻率下，形成諧波振蕩，產(chǎn)生過電壓或過電流，危及電力系統(tǒng)的安全運行，如

24、不加以治理極易引發(fā)輸配電事故的發(fā)生(4) 導(dǎo)致設(shè)備無法正常工作：對旋轉(zhuǎn)的發(fā)電機、電動機，由于諧波電流或諧波電壓在定子繞組、轉(zhuǎn)子回路及鐵芯中產(chǎn)生附加損耗，從而降低發(fā)輸電及用電設(shè)備的效率，更為嚴(yán)重的是諧波振蕩容易使汽輪發(fā)電機產(chǎn)生震蕩力矩，可能引起機械共振，造成汽輪機葉片扭曲及產(chǎn)生疲勞循環(huán)，導(dǎo)致設(shè)備無法正常工作。(5) 引發(fā)惡性事故：繼電保護(hù)自動裝置對于保證電網(wǎng)的安全運行具有十分重要的作用。但是，由于諧波的大量存在，易使電網(wǎng)的各類保護(hù)及自動裝置產(chǎn)生誤動或拒動，特別在廣泛應(yīng)用的微機保護(hù)、綜合自動化裝置中表現(xiàn)突出，引起區(qū)域（廠內(nèi)）電網(wǎng)瓦解，造成大面積停電等惡性事故。(6) 導(dǎo)致線路短路：電網(wǎng)諧波將使測量

25、儀表、計量裝置產(chǎn)生誤差，達(dá)不到正確指示及計量(計量儀表的誤差主要反映在電能表上)。斷路器開斷諧波含量較高的電流時，斷路器的遮斷能力將大大降低，造成電弧重燃，發(fā)生短路，甚至斷路器爆炸。(7) 降低產(chǎn)品質(zhì)量：由于諧振波的長期存在，電機等設(shè)備運行增大了振動，使生產(chǎn)誤差加大，降低產(chǎn)品的加工精度，降低產(chǎn)品質(zhì)量。(8) 影響通訊系統(tǒng)的正常工作：當(dāng)輸電線路與通訊線路平行或相距較近時，由于兩者之間存在靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)，形成電場耦合和磁場耦合，諧波分量將在通訊系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生聲頻干擾，從而降低信號的傳輸質(zhì)量，破壞信號的正常傳輸，不僅影響通話的清晰度，嚴(yán)重時將威脅通訊設(shè)備及人身安全。 3.2 三相橋式整流電路的諧波電

26、流的仿真分析 在simulink中的powergui模塊的fft可以對交流側(cè)諧波電流進(jìn)行詳細(xì)的分析，本文就三相橋式全控整流電路的特定情況下進(jìn)行諧波電流分析。假設(shè)在a =30、純電阻負(fù)載r=10時其對a相電流進(jìn)行諧波的詳細(xì)仿真結(jié)果 圖12 交流側(cè)a相諧波電流 由仿真圖上的相關(guān)數(shù)據(jù)分析可得：(1) 基波電流幅值為49.11a 、有效值34.73a。(2) 電流諧波總畸波率33.18%。(3) 相對基波而言5次、7次諧波電流含有率分別為26.33%、13.00%。3.3 濾除諧波的方法簡介與應(yīng)用 現(xiàn)階段，限制諧波電流注入電網(wǎng)，應(yīng)當(dāng)從兩方面入手：一種是對諧波源采取措施減少其產(chǎn)生的諧波含量，這種方法主要

27、是針對電力電力裝置本身結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，即增加正在設(shè)計的整流器的相數(shù)和脈沖數(shù)，此方法是減少整理裝置產(chǎn)生諧波電流的有效措施，因為當(dāng)整流裝置的脈沖數(shù)越多，諧波電流的次數(shù)越高，此時就不會產(chǎn)生較低次的諧波電流開發(fā)一種整流器可以使你不產(chǎn)生諧波電流是最理想的情況，同時應(yīng)當(dāng)滿足功率因數(shù)為1；第二種方法是在用安裝濾波器的方法直接吸收裝置產(chǎn)生的諧波電流。假如等到諧波電流進(jìn)入高壓電網(wǎng)后再采取相關(guān)措施，無論經(jīng)濟(jì)上還是技術(shù)上都不合理。通常我們所使用的濾波器主要分為passive filter (無源濾波器)和active power filter(有源濾波器)兩類。 passive filter的工業(yè)應(yīng)用已經(jīng)有相當(dāng)長的時

28、間了，其設(shè)計方法穩(wěn)定可靠，目前該類型濾波器已經(jīng)投入到許多實際工程。因為在交流系統(tǒng)中無源濾波器既可以起到濾波的作用，也可以起到補償無功的作用，可以說是一個兩全其美的器件，同時還因為無源濾波器與有源濾波器相比具有容易設(shè)計、容量大、成本低等優(yōu)點，使得無源濾波器的實用價值大大提高，因此本文采用無源濾波器進(jìn)行設(shè)計。無源濾波器包括單調(diào)諧濾波器、雙調(diào)諧濾波器、高通濾波器、低通濾波器和帶通濾波器及帶阻濾波器等。由于在整流電路中應(yīng)用最多的是單調(diào)諧濾波器、雙調(diào)諧濾波器、高通濾波器，下面將對三種濾波器進(jìn)行分析與比較。3.3.1 常用無源濾波器的設(shè)計 在此僅僅給出單調(diào)諧濾波器、雙調(diào)諧濾波器、二階高通濾波器的設(shè)計原理圖

29、。其中雙調(diào)諧濾波器及二階高通濾波器是利用一個series rlc branch和一個parallel rlc branch組合一起的，如下圖所示。 圖13 單調(diào)諧濾波器 圖14 雙調(diào)諧濾波器 圖15 二階高通濾波器3.3.2單調(diào)諧濾波器的原理及特性單調(diào)諧濾波器是利用串聯(lián)l、c諧振的原理構(gòu)成的，電路原理圖如圖13所示，通常采用r-c-l型排列6。n次單調(diào)諧濾波器在角頻率為的阻抗為 zfn = rfn + j(n1l 1 / (n1c) (5)式(5)中1為額定工頻角頻率：rfn為n次諧波電阻 ；zfn 為n次諧波阻抗。根據(jù)式(5)分析，在理想諧振狀態(tài)下 n1l 1 / (n1c) = 0 (6)

30、即諧波器的電抗為，rfn = zfn 則諧振角頻率=。n次諧波電流將流過低阻值rfn，而很少流到系統(tǒng)中去，因而該次諧波電壓大為下降，而對其它次數(shù)的諧波，zfn rfn，諧波器分流很少。簡單的說，只要將諧波器的諧振次數(shù)設(shè)定為與所需的要濾出的諧波次數(shù)一致，則該次諧波將大部分流入濾波器，從而起到濾除該次諧波的目的。3.3.3雙調(diào)諧濾波器的原理及特性雙調(diào)諧濾波器主要由一個串聯(lián)諧振回路和一個并聯(lián)諧振回路串聯(lián)組成，如圖14所示 設(shè)雙調(diào)諧濾波器干路上的電阻、電容、電感依次為、及兩個并聯(lián)的電感、電容為、。對于由電容、電感和電阻組成的串聯(lián)諧振回路，它的阻抗為： z1 () = r1 + j(l1 1 / (c1

31、) (7)由式(7)可知，由于串聯(lián)諧振回路具有單調(diào)諧的特性，則串聯(lián)電路的調(diào)諧頻率。當(dāng)時，z1 ()呈感性7 對于電感、電容并聯(lián)諧振回，此時假設(shè)很小近似為0，它的阻抗為： z2 () = jl2(1 2l2c2) (8)并聯(lián)電路發(fā)生諧振時，阻抗 z2趨于無窮大。當(dāng)趨于零，=很大時，則并聯(lián)諧振頻率為。所以并聯(lián)諧振回路，當(dāng)時，呈感性；當(dāng)當(dāng)時，呈感性。在基波情況下，所以串聯(lián)諧振回路承受的電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于并聯(lián)諧振回路承受的電壓。濾波器的無功功率為兩個回路提供無功量之和，由于串聯(lián)回路中電容器上的電壓比加在并聯(lián)回路上的電壓大得多，所以無功功率主要由串聯(lián)回路中的電容器提供。由以上原理及特性可行，對于用雙調(diào)諧無源濾

32、波器進(jìn)行濾波時，無論分析還是計算都較單調(diào)諧濾波器復(fù)雜，因此本文采用單調(diào)諧濾波器。3.3.4高通濾波器的原理及特性高通濾波器也稱為減幅濾波器。通常分為四種型式：一階、二階、三階和c型四種。一階高通濾波器需要的電容太大，基波損耗也太大，因此一般不采用，二階高通濾波器的濾波性能最好，但與三階相比，其損耗較高。三階高通濾波器比二階的多一個電容，它提高了濾波器的對基波頻率的阻抗，從而大大減少基波損耗，這是三階高通濾波器的主要優(yōu)點。c型高通濾波器的性能介于二階和三階之間，電容與電感在基波頻率上可以大大減少基波損耗。其缺點是對基波頻率失諧和原件參數(shù)漂移比較敏感7。這四種濾波器中最常用還是的二階高通濾波器?，F(xiàn)

33、在對二階高通濾波器進(jìn)行討論，二階高通濾波器的電路原理圖為圖15，其阻抗為 z = 1 / (jc) +1/(1/r+1 / (jl) (9)當(dāng)電阻r趨與無窮大時，二階高通濾波器轉(zhuǎn)化為單調(diào)諧濾波器：當(dāng)趨與無窮大時，z近似為r，即濾波器的阻抗為r所限制。二階高通濾波器的一個重要參數(shù)是截止頻率，高通濾波器之所以稱為高通就是因為在頻率大于截止頻率后其呈現(xiàn)低阻抗，對截止頻率以后的諧波有濾波作用；當(dāng)頻率低于時，濾波器阻抗明顯增加，使低次諧波電流難以通過。二階高通濾波器的相關(guān)參數(shù)：截止頻率： (10)品質(zhì)因數(shù)： (11)參數(shù)： (12) 值為0.5-2較合適，值越小，則濾波器損耗越小，工程上一般取=0.5。

34、的頻次一般取為單調(diào)諧濾波器的最高調(diào)諧次數(shù)加1，即若安裝5次和7次單調(diào)諧濾波器，則可取400hz。二階高通濾波器的設(shè)計步驟8為：(1) 確定和，選定；(2) 由式(10)確定r；(3) 由式(12)確定l。由以上三種濾波裝置的比較分析及三相全控橋式整流電路的諧波電流的特征，本文采用兩個單調(diào)諧濾波器濾除5次、7次諧波電流，再用高通濾波器濾除其它高次諧波，進(jìn)而濾除三相橋式全控整流電流的交流測諧波電流。4 三相橋式整流電路濾波電路的設(shè)計仿真本文針對三相橋式整流電路的的諧波電流的情況，采用了兩個單調(diào)諧濾波器的及高通濾波器進(jìn)行濾除諧波電流兼顧提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，以防止非線性器件產(chǎn)生的諧波流入電網(wǎng)，產(chǎn)生諧波

35、污染。其仿真原理圖如下。 圖16 濾波電路原理圖4.1 三相橋式整流電流在電阻負(fù)載及特定觸發(fā)角下裝置的諧波和功率分析在圖16中先將5次、7次單調(diào)諧濾波器和高通濾波器不接入電路，可以利用simpowersystems/extra library/discrete measurements中的3-phase instantaneous active & reactive power 可以準(zhǔn)確的仿真裝置的有功及無功功率，在負(fù)載電阻為10時，觸發(fā)角為30裝置有功功率為p=7263.63w、無功功率q=12753.43var，不難發(fā)現(xiàn)裝置的功率因數(shù)還是挺低的，所以在濾除諧波電流的同時必須提高裝置的為功率

36、因數(shù)，以滿足負(fù)載的要求。4.2 確定補償容量及各個濾波器的按比例分配的補償?shù)臒o功功率確定補償容量的方法9有很多中，但其目的都是要提高配電網(wǎng)的某種運行指標(biāo)，現(xiàn)在常用的補償容量的方法如下。(1) 從提高功率因數(shù)需要確定補償容量。(2) 從降低線損需要來確定補償容量。(3) 從提高運行電壓需要來確定補償容量。 本文根據(jù)系統(tǒng)特征運用的是從提高功率因數(shù)需要來確定補償容量，若裝置的有功功率p，補償前的功率因數(shù)為，補償后的功率因數(shù)為，則補償容量用公式計算。 q補 = p (tan1 tan2) = q ( 1 tan2 / tan1) (13) cos1應(yīng)采用平均功率因數(shù)，確定要適當(dāng)。通常，將功率因數(shù)從0.

37、9提高到1所需的補償容量，與把功率因數(shù)從0.72提高到0.9所需的補償容量相當(dāng)。因此，在高功率因數(shù)下進(jìn)行補償效益顯著下降。這是因為在高功率因數(shù)下，的曲線上升率變小，因此，因此提高功率因數(shù)所需的補償容量將要相應(yīng)的增加。本文確定把功率因數(shù)提高到0.95則由公式可得其需要的補償容量。4.3 單調(diào)諧濾波器及高通濾波器的相關(guān)計算把總的無功補償容量分配到各調(diào)諧濾波器及高通濾波器10。工程上，常常按照各電容組上的諧波電壓相差不多分配到各組無功補償容量qf(n)為： qf(n) = (in / n ) / ( in / n )q補 (14)在確定了各個單調(diào)諧濾波器的無功補償容量后，根據(jù)濾波器的無功補償量與濾波

38、支路的參數(shù)關(guān)系電容值為： c = (n21) / n2 qf(n) / (1u) (15) 在單調(diào)諧濾波器的電容器的參數(shù)確定后，可以很容易求出無功輸出為： q高通 = q補 qf(n) (16)則高通濾波器的電容值為： c = q高通 / (1u2) (17)其中u為線電壓，對于單調(diào)諧濾波器在選定了電容器后，再利用諧振和品質(zhì)因數(shù)在確定電阻值和電抗值，對于高通濾波器在c值確定之后，可確定濾波器的r、l值。截止頻率對應(yīng)的截止諧振次數(shù)為： h0 = f0 / f1=1 / (2 f1 r c) =1 / (1 r c) (18) 那么電阻為r： r = 1 / ( h01 c) (19) 又因為 m = l/(r2c) 可得 (20) (21)由文獻(xiàn)11分析可知，m的值越小，則濾波器的損耗越小，因此上式中一般取。進(jìn)而求得各個參數(shù)為：表1 各濾波器的參數(shù) 濾波器參數(shù) c/uf l/mh r/5次單調(diào)諧濾波器 58.87 6.89 0.21637次單調(diào)諧濾波器 29.086 7.116 0.39