電力電子裝置的諧波分析設(shè)計(jì)

1、蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）摘 要近幾十年來(lái)，由于電力電子裝置的廣泛應(yīng)用，公用電網(wǎng)的諧波污染日益嚴(yán)重，由諧波引起的各種故障和事故不斷發(fā)生，如何有效的計(jì)算諧波，檢測(cè)諧波，抑制諧波和提高電能質(zhì)量已成為電力系統(tǒng)的一個(gè)研究熱點(diǎn)。因此，對(duì)電力電子裝置進(jìn)行諧波分析具有重要意義。首先，本文從理論上對(duì)帶阻感負(fù)載的橋式整流電路進(jìn)行諧波分析，主要包括單相和三相橋式全控、半控和不控整流電路，推導(dǎo)其在忽略換相過(guò)程和直流側(cè)電流脈動(dòng)時(shí)交流側(cè)電流中基波和各次諧波有效值的表達(dá)式。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析了三相全控橋式整流電路在分別考慮換相過(guò)程和直流側(cè)電流脈動(dòng)時(shí)的諧波含量。其次，以matlab/simulink軟件作為仿真平臺(tái)，

2、分別搭建了單相和三相橋式可控整流電路的仿真模型，分析了在不同延遲觸發(fā)角時(shí)，交流側(cè)電流中的諧波含量，且將理論計(jì)算數(shù)據(jù)與仿真分析數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，其誤差在可控范圍內(nèi)。結(jié)果表明，采用仿真工具，驗(yàn)證了本文理論分析的正確性。最后，利用matlab軟件編寫了諧波電流計(jì)算界面，實(shí)現(xiàn)了諧波含量數(shù)據(jù)的可視化輸出。關(guān)鍵詞：橋式整流電路；諧波計(jì)算；仿真分析；可視化界面- i -abstractharmonics pollution of the utility grid has become more and more serious as the wider use of various power electron

3、ic devices in recent years. and it results in power quality drops and accidents happen. how to effectively restrain harmonics and improve the quality of electric power system has become a hotspot. therefore, it is a great significance to analyze the harmonic of power electronic devices.firstly, the

4、harmonic of rectifier bridge device is analyzed content on resistive inductive load in theory, including single-phase and three-phase full-controlled bridge, semi-controlled and non-controlled rectifier circuit, and it derives the ac side current expression of the fundamental and harmonic valid valu

5、es of those bridge rectifier harmonic on ignoring for-phase process and the dc current ripple. on this basis, this paper analyzes of the harmonic content of the three full-controlled rectifier bridge in considering the commutation process and the dc current pulse move forward a single step.secondly,

6、 the single-phase and three-phase bridge is built with controlling rectifier circuit simulation model by using matlab/simulink software as the simulation platform respectively, and analyzes the different delay firing angle of the ac side current harmonic content, and compares the theory calculations

7、 with the simulation analysis of data, the error is in the controllable range. the results show that it is proved the correctness of theoretical analysis by using simulation tools.finally, it writes the harmonic current calculation interface by using matlab software, and achieves output of the harmo

8、nic content of the data visualization.key words：bridge rectifier circuit, harmonic calculation, simulation analysis, visual interface- iii -目 錄摘 要iabstractii目 錄iii1 緒論11.1 論文背景與意義11.2 論文研究現(xiàn)狀11.3 論文的研究?jī)?nèi)容與目標(biāo)12 電力電子裝置諧波電流的理論分析22.1 諧波概述22.2 電力電子裝置諧波電流分析32.2.1 忽略換相過(guò)程的情形32.2.2 計(jì)及換相過(guò)程的情形92.2.3 計(jì)及直流側(cè)電流脈動(dòng)時(shí)的情

9、形123 電力電子裝置諧波電流的仿真分析153.1 單相橋式整流電路的仿真153.1.1 單相橋式全控整流電路153.1.2 單相橋式半控整流電路163.2 三相橋式整流電路的仿真183.2.1 三相橋式全控整流電路183.2.2 三相橋式半控整流電路193.3 gui界面21結(jié)論23致謝24參考文獻(xiàn)25蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）1 緒論1.1 論文背景與意義一個(gè)理想的電力系統(tǒng)是以單一恒定頻率與規(guī)定幅值的穩(wěn)定的電壓供電1。隨著近幾十年來(lái)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，在電力系統(tǒng)中很多電力設(shè)備的應(yīng)用，出現(xiàn)了大量的非線性負(fù)荷以及供電系統(tǒng)本身存在非線性元件使得電力系統(tǒng)中的電壓波形畸變?cè)絹?lái)越嚴(yán)重，對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)

10、定造成了很大的危害。其中電力電子裝置是造成諧波問(wèn)題最主要的設(shè)備之一，應(yīng)用最為廣泛的橋式整流裝置在眾多領(lǐng)域使用，由此帶來(lái)的諧波問(wèn)題日益嚴(yán)重，并引起廣泛的關(guān)注。有關(guān)諧波問(wèn)題的研究可以劃分為以下四個(gè)方面：一、與諧波有關(guān)的功率定義和功率理論的研究；二、諧波分析以及諧波影響和危害的分析；三、諧波的補(bǔ)償和抑制；四、與諧波有關(guān)的測(cè)量問(wèn)題和限制諧波的標(biāo)準(zhǔn)的研究。本文將對(duì)諧波分析進(jìn)行研究。1.2 論文研究現(xiàn)狀有關(guān)電力電子裝置的諧波分析的研究，早期的分析大多忽略交流側(cè)電抗引起的換相過(guò)程的影響，以及直流側(cè)電感量不足而引起的直流電源脈動(dòng)的影響，即假定交流側(cè)電抗為零，而直流側(cè)電感無(wú)窮大。這樣交流側(cè)電流即為方波或階梯波，

11、波形簡(jiǎn)單，分析所得的結(jié)論清晰易記，直到現(xiàn)在仍被廣泛采用。隨著工程實(shí)際對(duì)更精確分析結(jié)果的需求，考慮各種非理想情況的分析方法相繼被提出。最初是考慮換相過(guò)程的影響，后來(lái)是計(jì)及直流側(cè)電流脈動(dòng)的情況，一直到將換相過(guò)程和電流脈動(dòng)一起考慮，精確度越來(lái)越高。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外有關(guān)諧波的研究十分活躍，每年都有大量的論文發(fā)表，這一方面說(shuō)明了這一研究的重要性，另一方面也預(yù)示著這一領(lǐng)域的研究將會(huì)取得重大突破。1.3 論文的研究?jī)?nèi)容與目標(biāo)本文研究的重點(diǎn)就是諧波的實(shí)時(shí)分析，對(duì)橋式整流裝置在不控、半控及全控的工作狀態(tài)進(jìn)行基波和各次諧波有效值的推導(dǎo)。在此基礎(chǔ)上，以三相橋式全控整流電路為例，分析在考慮換相過(guò)程和直流側(cè)電流脈動(dòng)時(shí)的諧

12、波電流含量情況。使用matlab軟件中的simulink工具模擬仿真，對(duì)比仿真結(jié)果與理論分析結(jié)果，驗(yàn)證理論分析的正確性。用matlab軟件編寫gui(graphical user interface,用戶圖形界面)，實(shí)現(xiàn)對(duì)諧波分析結(jié)果的可視化輸出。2 電力電子裝置諧波電流的理論分析電力電子裝置已成為電力系統(tǒng)中的主要諧波源之一，而且消耗大量的無(wú)功功率。因此，對(duì)電力電子裝置所產(chǎn)生的諧波的分析和計(jì)算是諧波研究的一個(gè)重要方面。這對(duì)于評(píng)估某電力電子裝置對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的危害和負(fù)擔(dān)、判斷是否需要設(shè)置補(bǔ)償裝置，以及補(bǔ)償裝置的具體設(shè)計(jì)都是非常重要的。從電網(wǎng)交流側(cè)來(lái)看，電力電子裝置的輸入端可能是以下幾種電路之一：整流

13、電路，交流調(diào)壓電路，或者周波變頻電路（即交交變頻電路）。本文主要研究橋式整流電路交流側(cè)的諧波電流含量情況。2.1 諧波概述在供、用電系統(tǒng)中，通?？偸窍Ｍ涣麟妷汉徒涣麟娏鞒收也ㄐ?。正弦波電壓可表示為：(2.1)其中，u為電壓有效值；a為初相角；w為角頻率，f為頻率，t為周期。式2.1表示的正弦波電壓施加在線性無(wú)源元件電阻、電感和電容上，其電流和電壓分別為比例、積分和微分的關(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的電力電子裝置上時(shí)，電流就變?yōu)榉钦也ǎ钦译娏髟陔娋W(wǎng)阻抗上產(chǎn)生壓降，會(huì)使電壓波形也變?yōu)榉钦也?。?dāng)然，非正弦電壓施加在線性電路上時(shí)，電流也是非正弦波。對(duì)于周期為t=36

14、0/w的非正弦電壓，一般滿足狄里赫利條件，可分解如下形式的傅立葉級(jí)數(shù)：(2.2)其中，n=1,2,3或(2.3)其中，在式2.2或式2.3的表示的傅立葉級(jí)數(shù)中，頻率與工頻相同的分量稱為基波，頻率為基波頻率大于1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(duì)于非正弦電流的情況也完全適用，把其中的電壓量換成相應(yīng)的電流量即可。2.2 電力電子裝置諧波電流分析由于長(zhǎng)期以來(lái)阻感負(fù)載的整流電路曾一直是應(yīng)用最廣、數(shù)量最多的電力電子裝置之一，所以對(duì)阻感負(fù)載整流電路交流側(cè)諧波的分析一度是電力電子裝置諧波分析的主流工作，研究最充分，成果也最豐富。早期的分析大多忽略

15、交流側(cè)電抗引起的換相過(guò)程的影響，以及直流側(cè)電感量不足而引起的直流電源脈動(dòng)的影響，即假定交流側(cè)電抗為零，而直流側(cè)電感為無(wú)窮大。這樣交流側(cè)電流即為方波或階梯波，波形簡(jiǎn)單，分析所得的結(jié)果清晰易記，直到現(xiàn)在仍被廣泛采用。隨著工程實(shí)際對(duì)更精確分析結(jié)果的需求，考慮各種非理想情況的分析方法相繼被提出。最初是考慮換相過(guò)程的影響，后來(lái)是計(jì)及直流側(cè)電流脈動(dòng)的情況，一直到將換相過(guò)程和電流脈動(dòng)一起考慮，精確度越來(lái)越高，分析時(shí)所需的電路參數(shù)和已知條件也越來(lái)越多。本文將對(duì)上述各種條件下的橋式整流電路做詳細(xì)的諧波分析。2.2.1 忽略換相過(guò)程的情形(1) 單相橋式整流電路 全控整流電路忽略換相過(guò)程和直流側(cè)電流脈動(dòng)，即假設(shè)交

16、流側(cè)電抗為零，而直流電感為無(wú)窮大，則單相橋式全控整流電路在阻感負(fù)載時(shí)的電路如圖2.1 (a)所示。并設(shè)電源為正弦電壓：(2.4)其中，em、e分別為電源電壓的幅值和有效值；為觸發(fā)延遲角。假設(shè)電路工作已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，從=時(shí)刻加觸發(fā)脈沖，晶閘管導(dǎo)通，由于直流電感無(wú)窮大，負(fù)載電流不能突變，整流電壓可為負(fù)值。得到整流電壓ud、電流id及交流側(cè)電流i的波形如圖2.1 (b)所示。由圖可知，電流i為理想方波，其有效值i等于直流側(cè)電流平均值。 (a) 電路 (b) 波形 圖2.1 單相全控整流電路及相應(yīng)波形將電流i分解為傅立葉級(jí)數(shù)，可得：(2.5)其中，基波和各次諧波有效值為： (2.6)根據(jù)式2.5和式2.

17、6可知，電流中除基波外僅含有奇數(shù)次諧波，各次諧波有效值與諧波次數(shù)成反比，且與基波有效值的比值為諧波次數(shù)的倒數(shù)。 半控整流電路仍然假設(shè)交流側(cè)電抗為零，而直流電感為無(wú)窮大，單相橋式半控整流電路如圖2.2 (a)所示。電源電壓仍然為式2.4表示的正弦電壓。該電路是由晶閘管和二極管組成的，它實(shí)際上是將單相橋式全控整流電路下面兩個(gè)橋臂的晶閘管換成了二極管。假設(shè)電路已經(jīng)工作在穩(wěn)態(tài)，=時(shí)刻晶閘管vt1加觸發(fā)脈沖，電源電壓經(jīng)vt1和vd4向負(fù)載供電，當(dāng)電源電壓過(guò)零變負(fù)時(shí)，因電感作用使電流連續(xù)，vt1繼續(xù)導(dǎo)通。但因a點(diǎn)電位低于b點(diǎn)，則電流流經(jīng)vd2，電流不再流經(jīng)電源，而是由vt1和vd2續(xù)流。此階段，ud =0

18、，不像全控橋電路出現(xiàn)ud為負(fù)的情況。電源電壓負(fù)半軸分析與正半周類似。得出整流電壓ud、電流id及交流側(cè)電流i的波形如圖2.2 (b)所示。可以看出，其交流側(cè)電流的波形只與觸發(fā)延遲角有關(guān)。因此，其基波和各次諧波有效值也必然是由決定的2。 (a) 電路 (b) 波形圖2.2 單相半控整流電路及相應(yīng)波形將圖2.2 (b)所示的電流i分解為傅立葉級(jí)數(shù)，可得：(2.7)其中，(2.8)根據(jù)式2.8可得電流基波和各次諧波有效值分別為：(2.9)在式2.9中，令=0，代入可得： (2.10)式2.10與式2.6完全相同，說(shuō)明在=0時(shí)，單相橋式半控與全控整流電路工作原理相同，是互為等效電路的。由式2.7和式2

19、.9可得到簡(jiǎn)單的結(jié)論：電流中除基波外也含有奇數(shù)次諧波，各次諧波的有效值不再與諧波次數(shù)成反比，而是與延遲觸發(fā)角有關(guān)。 不控整流電路單相橋式不控整流電路四個(gè)橋臂都為二極管，電路如圖2.3所示。圖2.3 單相不控整流電路該電路實(shí)際上就是單相全控整流電路在=0時(shí)的工作狀態(tài)，根據(jù)式2.6可知，交流側(cè)電流諧波含量與延遲觸發(fā)角無(wú)關(guān)，則可以得出單相橋式不控整流電路的交流側(cè)電流基波和各次諧波有效值與單相橋式全控整流電路的相同，表達(dá)式如下所示：(2) 三相橋式整流電路 全控整流電路忽略換相過(guò)程和電流脈動(dòng)時(shí)阻感負(fù)載的三相橋式整流電路如圖2.4所示。同樣，交流側(cè)電抗為零，直流電感l(wèi)d為無(wú)窮大。設(shè)電源為三相正序平衡電源

20、。得到整流電壓和交流側(cè)a相電流波形如圖2.5所示。以一相電流為例，則交流側(cè)相電流是正負(fù)半周各為120的方波，正負(fù)半波間隔為603。圖2.4 三相全控整流電路圖2.5 三相橋式全控整流電路的電壓及電流波形以a相電流為例，將圖2.5所示所示的電流ia分解為傅立葉級(jí)數(shù)，可得：(2.11)若以a相電壓過(guò)零點(diǎn)為時(shí)間零點(diǎn)，則有：(2.12)根據(jù)式2.11和式2.12可得出，不論時(shí)間原點(diǎn)的位置取在哪里，因?yàn)椴ㄐ挝醋?，所以基波和各次諧波的幅值也不變，只是如果時(shí)間原點(diǎn)左移了角，則基波初相角減少了，各次諧波分量的初相角減少了n。由式2.11可得電流基波和各次諧波有效值分別為：(2.13)由式2.13可以得到以下的

21、結(jié)論：電流中僅含有6k1(k為正整數(shù))次諧波，各次諧波有效值與諧波次數(shù)成反比，且與基波有效值的比值為諧波次數(shù)的倒數(shù)。 半控整流電路有時(shí)在工礦企業(yè)中采用比三相全控橋更為簡(jiǎn)單的電路4,5，即三相橋式半控整流電路如圖2.6 (a)所示，即用一組二極管代替一組晶閘管。為控制方便，共陰極組采用晶閘管，共陽(yáng)極采用二極管。當(dāng)=0，其工作方法與全控橋一樣。當(dāng)不太大，輸出電壓仍連續(xù)時(shí)，共陰極晶閘管需要經(jīng)觸發(fā)脈沖才能導(dǎo)通換相，而共陽(yáng)極的二極管則在自然換相點(diǎn)處換相。如果負(fù)載電感足夠大，電流為恒穩(wěn)直流，其情況與全控橋時(shí)相似，各相電流正負(fù)半波各為，但正負(fù)半波間隔不再是60，而是60與60。在較大時(shí)，為完善電路工作性能，

22、有時(shí)在負(fù)載端接續(xù)流二極管，其電路如圖2.6 (b)所示。接入續(xù)流二極管后，當(dāng)60，輸出電壓波形連續(xù)，續(xù)流二極管不工作，分析與沒(méi)有續(xù)流二極管時(shí)相同，整流電壓與直流側(cè)電流波形如圖2.7 (a)所示。當(dāng)60時(shí)，整流電壓波形不再連續(xù)，由于電感的作用，負(fù)載電流仍為持續(xù)的恒穩(wěn)直流，晶閘管和二極管在每個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通180，其余時(shí)間為續(xù)流二極管導(dǎo)通以維持負(fù)載電流連續(xù)。即續(xù)流二極管導(dǎo)通時(shí)間為180。a相電流正、負(fù)半波均是底為180，高為id的方波，正、負(fù)半波間隔分別為60與60，整流電壓和直流側(cè)電流波形如圖2.7 (b)所示。 (a) 直流側(cè)不接續(xù)流二極管 (b) 直流側(cè)接續(xù)流二極管圖2.6 三相橋式半控整流電路

23、(a) 60 (b) 60圖2.7 三相橋式半控整流電路的電壓、電流波形以a相電流為例。設(shè)60180，將圖2.7 (b)所示的電流ia分解為傅立葉級(jí)數(shù)，得到基波和各次諧波有效值的統(tǒng)一表達(dá)式。(2.14)令n=1，代入式2.14可得基波和各次諧波電流有效值為：(2.15)當(dāng)計(jì)算出的諧波電流為負(fù)值時(shí)，取其絕對(duì)值即可。根據(jù)式2.15可得出如下結(jié)論：電流中次的諧波不存在。除含有次的特征諧波外，電流中還含有的非特征諧波。 不控整流電路三相橋式不控整流電路其實(shí)質(zhì)就是把三相全控橋中的晶閘管全部換成二極管，電路圖如圖2.8所示。圖2.8 三相橋式不控整流電路由圖2.8可知，其諧波分析與對(duì)應(yīng)的全控整流橋一致，相

24、當(dāng)于=0時(shí)的特殊情況，即可得出三相橋式不控整流電路的基波和各次諧波電流表達(dá)式分別為：2.2.2 計(jì)及換相過(guò)程的情形計(jì)及換相過(guò)程但忽略直流側(cè)電流脈動(dòng)，就是考慮交流側(cè)電抗不為零，但直流電感仍假設(shè)為無(wú)窮大6。本文以三相橋式全控整流電路為例進(jìn)行分析推導(dǎo)。計(jì)及換相過(guò)程但忽略直流脈動(dòng)的三相橋式整流電路在阻感負(fù)載時(shí)電路如圖2.9所示，lb為各相交流側(cè)電感。圖2.9 計(jì)及換相過(guò)程的三相橋式全控整流電路假設(shè)電源為三相平衡正弦電壓，取vt6導(dǎo)通，從vt5向vt1換相的情況，由于交流側(cè)電感的存在，交流電流不能突變，換相過(guò)程ia從零增大到id，換相完成。此過(guò)程如圖2.10所示，以觸發(fā)延遲角處為時(shí)間零點(diǎn)，則有：圖2.1

25、0 計(jì)及換相過(guò)程的三相橋式全控整流波形換相過(guò)程應(yīng)滿足如下方程(2.16)求解式2.16的方程組，可以得出：(2.17)其中，為交流側(cè)電抗，。另外，根據(jù)圖2.10可以得到如下關(guān)系式：(2.18)其中，為換相重疊角。經(jīng)過(guò)以上分析計(jì)算，交流側(cè)電流各段時(shí)間的表達(dá)式可以用式2.17與式2.18得出，以a相電流的正半周期為例，其表達(dá)式如下：(2.19)對(duì)式2.19進(jìn)行傅立葉分解，得到a相電流的基波和各次諧波電流有效值的表達(dá)式分別為：(2.20)(2.21)其中，n=6k1，k為正整數(shù)。由式2.20和式2.21可得如下結(jié)論：交流側(cè)電流中除含有基波外，仍然只含有(k為正整數(shù))次諧波。2.2.3 計(jì)及直流側(cè)電流

26、脈動(dòng)時(shí)的情形考慮直流側(cè)電流的脈動(dòng)，即考慮直流側(cè)電感量為有限值。這里又分為是否忽略換相過(guò)程這兩種情況，以下將以三相橋式全控整流電路為例，分別推導(dǎo)一種近似計(jì)算交流側(cè)電流諧波的公式。(1) 忽略換相過(guò)程dobinson法計(jì)及直流側(cè)電流脈動(dòng)時(shí)其電流波形如圖2.11所示。從圖2.11可以看出dobinson法的基本思想就是用兩個(gè)正弦波頂上各60的波頭部分，疊加在120方波上面，來(lái)近似代表電流脈動(dòng)的情況7。圖2.11 計(jì)及直流側(cè)脈動(dòng)時(shí)三相全控整流電流波形另外，引入電流紋波比這個(gè)參數(shù)來(lái)表示電流脈動(dòng)的程度。參照?qǐng)D2.11，電流紋波比的定義為：(2.22)其中，為電流波頭脈動(dòng)的峰峰值。這樣，交流側(cè)電流波形可以由

27、這兩個(gè)參數(shù)確定。仍以a相電流的正半周為例，其表達(dá)式如下所示：(2.23)對(duì)式2.23進(jìn)行傅立葉分解，可得：(2.24)(2.25)若計(jì)算結(jié)果為負(fù)值，則表示相位差180，取其絕對(duì)值即可。根據(jù)式2.24和式2.25可以看出，交流側(cè)電流除基波外，仍只含有(k為正整數(shù))次諧波。(2) 計(jì)及換相過(guò)程graham-schonholzer法graham-schonholzer法是在dobinson法的基礎(chǔ)上，再考慮換相過(guò)程后提出來(lái)的8。它對(duì)交流側(cè)電流的近似處理，是將dobinson法的用兩個(gè)正弦波頭疊加在120方波上，改進(jìn)為疊加在120的梯形波上，如圖2.12所示。梯形波的斜邊就是對(duì)換相過(guò)程的較好近似。圖2

28、.12 計(jì)及換相過(guò)程和電流脈動(dòng)時(shí)的電流波形為了表達(dá)方便，引入換相末電流ib這個(gè)量。就是換相結(jié)束的時(shí)刻流過(guò)導(dǎo)通晶閘管的電流值。與前述一樣，是電流波頭脈動(dòng)的峰峰值。(2.26)再引入以為分母的電流紋波比，即：(2.27)則圖2.12所示的電流波形，即可用式2.26和式2.27以及換相重疊角這三個(gè)量來(lái)表示。對(duì)電流進(jìn)行傅立葉分解，可得到基波和各次諧波有效值的統(tǒng)一表達(dá)式。(2.28)其中，n=1或n=6k1，k為正整數(shù)。應(yīng)當(dāng)注意，當(dāng)代入n或的值出現(xiàn)分母為零的情況時(shí)，應(yīng)利用如下極限公式進(jìn)行計(jì)算：由式2.28可以得出與dobinson法相似的定性結(jié)論。即交流側(cè)電流除基波外，仍只含有次諧波。3 電力電子裝置諧

29、波電流的仿真分析根據(jù)第2章的理論分析，推導(dǎo)出了橋式整流電路在各種情況下的基波和各次諧波有效值的計(jì)算公式。利用matlab軟件中的simulink仿真工具可實(shí)現(xiàn)對(duì)上述電路的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真，驗(yàn)證理論分析的合理性9-11。3.1 單相橋式整流電路的仿真3.1.1 單相橋式全控整流電路根據(jù)圖2.1 (a)所示的電路，搭建的單相橋式全控整流電路（本文后面的仿真都是阻感負(fù)載）的仿真模型如圖3.1所示，圖中負(fù)載為：r=1，l=0.4h，觸發(fā)延遲角，觸發(fā)器頻率為100hz。圖3.1 單相全控整流橋電路仿真模型對(duì)仿真模型，由于負(fù)載端是阻感負(fù)載，在0.9s左右電流才達(dá)到平衡，輸出整流電壓波形連續(xù)，如圖3.2所

30、示。simulink仿真軟件中powergui模塊功能之一是fft，該模塊可分析電壓和電流量的諧波含量情況，并且能計(jì)算出基波和各次諧波的幅值及有效值。取0.9s開(kāi)始的一個(gè)周期的交流側(cè)電流波形如圖3.3所示，用powergui分解為傅立葉級(jí)數(shù)，得到基波和各次諧波有效值如圖3.4所示。圖3.2 當(dāng)時(shí)的整流輸出電壓波形 圖3.3 交流側(cè)電流一個(gè)周期的波形 圖3.4 諧波分析結(jié)果從圖3.4可以明顯的看出，交流側(cè)電流除基波外，含有奇數(shù)次諧波且諧波有效值大小與諧波次數(shù)成倒數(shù)關(guān)系，偶數(shù)次諧波含量非常小。這與式2.6分析結(jié)果相符合。3.1.2 單相橋式半控整流電路由圖2.2 (a)所示的電路，單相橋式半控整流

31、電路的仿真模型如圖3.5所示。圖中電源電壓為工頻正弦電源，其中負(fù)載為：r=1，l=0.2h，觸發(fā)延遲角45，觸發(fā)脈沖控制器頻率設(shè)置為50hz，脈沖1的初相角時(shí)間設(shè)置為0.0025s，脈沖2的初相角時(shí)間設(shè)置為0.0125s，即可滿足觸發(fā)角45。圖3.5 單相橋式半控整流電路仿真模型對(duì)模型進(jìn)行仿真，圖3.6所示的是整流輸出電壓。這是由于二極管的導(dǎo)通方式與晶閘管不同，晶閘管承受反向電壓還能導(dǎo)通，但二極管不能導(dǎo)通。在電源電壓過(guò)零點(diǎn)時(shí)，另一個(gè)二極管導(dǎo)通，交流側(cè)相當(dāng)于被短路，電流不再流經(jīng)電壓源，而是二極管續(xù)流，則輸出電壓波形不再是連續(xù)的。該仿真模型負(fù)載為大電感負(fù)載，直流側(cè)電流在1s左右才達(dá)到平衡，對(duì)交流側(cè)

32、電流進(jìn)行諧波分析時(shí)，取1.2s開(kāi)始的一個(gè)周期的電流，如圖3.7所示，它是一個(gè)階梯方波，用powergui模塊進(jìn)行傅立葉級(jí)數(shù)分解，得到如圖3.8所示的交流側(cè)諧波電流有效值頻譜圖。圖3.6 當(dāng)時(shí)的整流輸出電壓波形 圖3.7 交流側(cè)電流一個(gè)周期的波形 圖3.8 諧波分析結(jié)果由圖3.8可以明顯的看出，交流側(cè)電流除基波外，還含有奇數(shù)次的諧波，與單相橋式全控整流電路相比，3、5次諧波明顯減少。用powergui模塊分析諧波含量的同時(shí)，還能計(jì)算出各次諧波有效值的大小，在表3.1中為仿真數(shù)值。單相橋式半控整流電路計(jì)算輸出整流電壓平均值公式為：(3.1)則負(fù)載電流平均值為：(3.2)根據(jù)仿真模型可知電源電壓e=

33、220v，r=1，=45，代入式3.1和式3.2計(jì)算得：將已知條件和上面計(jì)算的代入式2.9中，分別計(jì)算出基波和各次諧波有效值，結(jié)果如表3.1所示。表3.1 仿真數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果比較基波和諧波仿真值(a)計(jì)算值(a)基波和諧波仿真值(a)計(jì)算值(a)dc0.000.00h114.735.29fund137.41140.56h120.000.00h20.010.00h134.864.47h318.3319.41h140.000.00h40.000.00h159.429.37h511.8711.64h160.000.00h60.000.00h177.988.26h719.8120.08h180.000

34、.00h80.000.00h192.573.06h915.1115.61h200.00h100.000.00根據(jù)表3.1的對(duì)比可知，理論計(jì)算與仿真分析相符合。說(shuō)明理論計(jì)算是正確的。3.2 三相橋式整流電路的仿真3.2.1 三相橋式全控整流電路根據(jù)圖2.4所示的電路圖，三相橋式全控整流電路的仿真模型如圖3.9所示，圖中電源為三相平衡電源，有效值為220v。相位差各為120，負(fù)載為：r=1，l=0.1h。用同步6觸發(fā)脈沖給三相橋式全控整流電路輸入脈沖，block輸入為0，表示該裝置輸出脈沖。alpha_de為觸發(fā)延遲角，本次仿真設(shè)=30。圖3.9 單相全控整流橋電路仿真模型對(duì)模型仿真，整流輸出電壓

35、如圖3.10所示，與單相橋式全控整流電路仿真相似，直流側(cè)電流在0.8s左右達(dá)到平衡，取圖3.11所示的一個(gè)周期的交流側(cè)電流波形，進(jìn)行傅立葉級(jí)數(shù)分析，得到如圖3.12所示的基波和各次諧波有效值示意圖。圖3.10 當(dāng)時(shí)的整流輸出電壓波形 圖3.11 交流側(cè)電流一個(gè)周期的波形 圖3.12 諧波分析結(jié)果由圖3.12可以明顯的看出，交流側(cè)電流除含有基波且含有6k1(k為正整數(shù))次諧波，這與式2.28分析的結(jié)果相符合。3.2.2 三相橋式半控整流電路根據(jù)圖2.6 (a)所示的三相橋式半控整流電路，搭建的仿真模型如圖3.13所示，仍然設(shè)圖中電源為工頻三相平衡電源，電壓有效值值為220v，負(fù)載：r=1，l=0

36、.4h，同步6脈沖設(shè)置與三相橋式全控整流電路仿真相同。三相橋式半控整流電路一個(gè)周期需要3個(gè)脈沖，用多路選擇器selector選擇第1、3、5路脈沖，控制晶閘管的導(dǎo)通，觸發(fā)延遲角=60。對(duì)圖3.14所示的模型仿真，輸出的整流電壓如圖3.14所示，從圖中可以看出，輸出電壓波形連續(xù)。當(dāng)延遲觸發(fā)角再增大時(shí)，輸出電壓波形就不再連續(xù)。直流側(cè)電流在0.9s左右達(dá)到平衡，取0.9s開(kāi)始的一個(gè)周期的交流側(cè)電流波形，如圖3.15所示，進(jìn)行傅立葉分解，得到的三相橋式半控整流電路交流側(cè)電流的基波和各次諧波有效值如圖3.16所示。圖3.13 三相半控整流橋電路仿真模型圖3.14 當(dāng)時(shí)的整流輸出電壓波形 圖3.15 交流

37、側(cè)電流一個(gè)周期的波形 圖3.16 諧波分析結(jié)果由圖3.16可以明顯的看出，交流側(cè)電流中含有3的倍數(shù)次諧波含量非常小。仿真分析得出各次諧波有效值的大小如表3.2所示。在三相橋式半控整流電路中，輸出直流側(cè)電壓平均值為：(3.3)負(fù)載電流平均值用式3.2計(jì)算，根據(jù)仿真已知電源電壓e=220v，r=1，=60，代入式3.4計(jì)算可得負(fù)載平均電流。根據(jù)式2.15，計(jì)算出三相橋式半控整流電路交流側(cè)基波和各次諧波有效值如表3.2所示。表3.2 仿真數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果比較基波和諧波仿真值(a)計(jì)算值(a)基波和諧波仿真值(a)計(jì)算值(a)dc0.150.00h1120.5421.11fund232.92232.28

38、h120.020.00h2115.74116.14h1318.4018.87h30.010.00h1416.0316.59h458.5058.07h150.020.00h545.8646.46h1615.0614.52h60.010.00h1713.1113.67h733.6833.18h180.020.00h828.4529.03h1912.7812.23h90.010.00h2011.61h1023.7523.23由表3.2可知，理論計(jì)算數(shù)據(jù)與仿真分析相符合。說(shuō)明式2.15的推導(dǎo)是正確的。3.3 gui界面matlab圖形用戶接口開(kāi)發(fā)環(huán)境提供了一系列工具用于建立gui界面12，這些工具極大

39、簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)和建立gui的過(guò)程。本文使用該軟件建立一個(gè)簡(jiǎn)單的諧波電流計(jì)算界面，實(shí)現(xiàn)了諧波分析結(jié)果的可視化輸出。界面有三個(gè)數(shù)據(jù)輸入窗口，分別輸入的是直流側(cè)電流平均值、延遲觸發(fā)角、諧波次數(shù)，界面可以選擇單相或三相整流電路，工作方式可選擇為不控、半控或全控這幾種狀態(tài)，如圖3.17所示。圖3.17 界面輸入窗口截圖輸出的是該次諧波的有效值。界面還提供幫助文檔和退出提示按鈕，整體界面如圖3.18所示，關(guān)閉提示按鈕如圖3.19所示。圖3.18 gui界面截圖圖3.19 界面退出提示按鈕截圖結(jié)論本文采用傅立葉級(jí)數(shù)方法分析推導(dǎo)了橋式整流電路在不同的工作條件下交流側(cè)電流的諧波含有情況，并在此基礎(chǔ)上研究了三相橋式全

40、控整流在考慮換相過(guò)程以及直流側(cè)脈動(dòng)時(shí)的交流電路諧波含量。并通過(guò)仿真驗(yàn)證了理論分析推導(dǎo)的正確性。主要的結(jié)論和成果如下：(1) 理論分析得出的橋式整流電路交流電流諧波計(jì)算表達(dá)式，有部分是在理想的條件下推導(dǎo)出來(lái)的，與實(shí)際有一定的誤差。在考慮換相和直流側(cè)電流脈動(dòng)時(shí)推導(dǎo)出的諧波計(jì)算表達(dá)式具有較高的精確度。利用計(jì)算機(jī)仿真，可以得到確定數(shù)值下的交流側(cè)電流的確切波形，得到交流側(cè)諧波電流的真實(shí)解，但無(wú)法寫出結(jié)果的解析表達(dá)式，無(wú)法反映交流側(cè)電流諧波與電路參數(shù)關(guān)系的規(guī)律。(2) 根據(jù)理論與仿真分析可得，橋式整流電路對(duì)于網(wǎng)側(cè)相當(dāng)于一個(gè)包含高次諧波的電流諧波源，其中單相橋式半控整流電路交流側(cè)諧波電流含量比相應(yīng)的全控整流電路減少許多。相反，三相橋式半控整流電路比相應(yīng)的全控整流電路交流