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文檔簡介

1、 . . PAGE25 / NUMPAGES29電力電子裝置的諧波分析摘 要近幾十年來,由于電力電子裝置的廣泛應用,公用電網(wǎng)的諧波污染日益嚴重,由諧波引起的各種故障和事故不斷發(fā)生,如何有效的計算諧波,檢測諧波,抑制諧波和提高電能質量已成為電力系統(tǒng)的一個研究熱點。因此,對電力電子裝置進行諧波分析具有重要意義。首先,本文從理論上對帶阻感負載的橋式整流電路進行諧波分析,主要包括單相和三相橋式全控、半控和不控整流電路,推導其在忽略換相過程和直流側電流脈動時交流側電流中基波和各次諧波有效值的表達式。在此基礎上,進一步分析了三相全控橋式整流電路在分別考慮換相過程和直流側電流脈動時的諧波含量。其次,以MAT

2、LAB/Simulink軟件作為仿真平臺,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,交流側電流中的諧波含量,且將理論計算數(shù)據(jù)與仿真分析數(shù)據(jù)進行對比,其誤差在可控圍。結果表明,采用仿真工具,驗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算界面,實現(xiàn)了諧波含量數(shù)據(jù)的可視化輸出。關鍵詞:橋式整流電路;諧波計算;仿真分析;可視化界面AbstractHarmonics pollution of the utility grid has become more and more serious as the wider use of various

3、power electronic 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.Fi

4、rstly,the 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

5、valid values 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 pulsemove forward a single step.

6、Secondly, the single-phase and three-phase bridge is builtwith controlling rectifier circuit simulation model by using MATLAB/Simulink software as the simulation platformrespectively, and analyzesthe different delay firing angle of the AC side current harmonic content, and compares the theorycalcula

7、tions 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

8、harmonic content of the data visualization.Key Words:Bridge rectifier circuit, Harmonic calculation, Simulation analysis, Visual interface目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc327776394摘要 PAGEREF _Toc327776394 h IHYPERLINK l _Toc327776395Abstract PAGEREF _Toc327776395 h IIHYPERLINK l _Toc327776396目錄 P

9、AGEREF _Toc327776396 h IIIHYPERLINK l _Toc3277763971 緒論 PAGEREF _Toc327776397 h 1HYPERLINK l _Toc3277763981.1 論文背景與意義 PAGEREF _Toc327776398 h 1HYPERLINK l _Toc3277763991.2 論文研究現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc327776399 h 1HYPERLINK l _Toc3277764001.3 論文的研究容與目標 PAGEREF _Toc327776400 h 1HYPERLINK l _Toc3277764012 電力電子裝

10、置諧波電流的理論分析 PAGEREF _Toc327776401 h 2HYPERLINK l _Toc3277764022.1 諧波概述 PAGEREF _Toc327776402 h 2HYPERLINK l _Toc3277764032.2 電力電子裝置諧波電流分析 PAGEREF _Toc327776403 h 3HYPERLINK l _Toc3277764042.2.1 忽略換相過程的情形 PAGEREF _Toc327776404 h 3HYPERLINK l _Toc3277764052.2.2 計與換相過程的情形 PAGEREF _Toc327776405 h 9HYPERL

11、INK l _Toc3277764062.2.3 計與直流側電流脈動時的情形 PAGEREF _Toc327776406 h 12HYPERLINK l _Toc3277764073 電力電子裝置諧波電流的仿真分析 PAGEREF _Toc327776407 h 15HYPERLINK l _Toc3277764083.1 單相橋式整流電路的仿真 PAGEREF _Toc327776408 h 15HYPERLINK l _Toc3277764093.1.1 單相橋式全控整流電路 PAGEREF _Toc327776409 h 15HYPERLINK l _Toc3277764103.1.2

12、單相橋式半控整流電路 PAGEREF _Toc327776410 h 16HYPERLINK l _Toc3277764113.2 三相橋式整流電路的仿真 PAGEREF _Toc327776411 h 18HYPERLINK l _Toc3277764123.2.1 三相橋式全控整流電路 PAGEREF _Toc327776412 h 18HYPERLINK l _Toc3277764133.2.2 三相橋式半控整流電路 PAGEREF _Toc327776413 h 19HYPERLINK l _Toc3277764143.3 GUI界面 PAGEREF _Toc327776414 h 2

13、1HYPERLINK l _Toc327776415結論 PAGEREF _Toc327776415 h 23HYPERLINK l _Toc327776416致 PAGEREF _Toc327776416 h 24HYPERLINK l _Toc327776417參考文獻 PAGEREF _Toc327776417 h 251 緒論1.1 論文背景與意義一個理想的電力系統(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。隨著近幾十年來科學技術的不斷發(fā)展,在電力系統(tǒng)中很多電力設備的應用,出現(xiàn)了大量的非線性負荷以與供電系統(tǒng)本身存在非線性元件使得電力系統(tǒng)中的電壓波形畸變越來越嚴重,對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定造成

14、了很大的危害。其中電力電子裝置是造成諧波問題最主要的設備之一,應用最為廣泛的橋式整流裝置在眾多領域使用,由此帶來的諧波問題日益嚴重,并引起廣泛的關注。有關諧波問題的研究可以劃分為以下四個方面:一、與諧波有關的功率定義和功率理論的研究;二、諧波分析以與諧波影響和危害的分析;三、諧波的補償和抑制;四、與諧波有關的測量問題和限制諧波的標準的研究。本文將對諧波分析進行研究。1.2 論文研究現(xiàn)狀有關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電抗引起的換相過程的影響,以與直流側電感量不足而引起的直流電源脈動的影響,即假定交流側電抗為零,而直流側電感無窮大。這樣交流側電流即為方波或階梯波,波形簡

15、單,分析所得的結論清晰易記,直到現(xiàn)在仍被廣泛采用。隨著工程實際對更精確分析結果的需求,考慮各種非理想情況的分析方法相繼被提出。最初是考慮換相過程的影響,后來是計與直流側電流脈動的情況,一直到將換相過程和電流脈動一起考慮,精確度越來越高。近年來,國外有關諧波的研究十分活躍,每年都有大量的論文發(fā)表,這一方面說明了這一研究的重要性,另一方面也預示著這一領域的研究將會取得重大突破。1.3 論文的研究容與目標本文研究的重點就是諧波的實時分析,對橋式整流裝置在不控、半控與全控的工作狀態(tài)進行基波和各次諧波有效值的推導。在此基礎上,以三相橋式全控整流電路為例,分析在考慮換相過程和直流側電流脈動時的諧波電流含量

16、情況。使用MATLAB軟件中的Simulink工具模擬仿真,對比仿真結果與理論分析結果,驗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),實現(xiàn)對諧波分析結果的可視化輸出。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,而且消耗大量的無功功率。因此,對電力電子裝置所產(chǎn)生的諧波的分析和計算是諧波研究的一個重要方面。這對于評估某電力電子裝置對電網(wǎng)產(chǎn)生的危害和負擔、判斷是否需要設置補償裝置,以與補償裝置的具體設計都是非常重要的。從電網(wǎng)交流側來看,電力電子裝置的輸入端可能是以下幾種電路之一:整流電路,交流

17、調壓電路,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;為初相角;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、積分和微分的關系,仍為同頻率的正弦波。但當正弦波電壓施加在非線性的電力電子裝置上時,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?。當然,非正弦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=360/的非正弦電

18、壓,一般滿足狄里赫利條件,可分解如下形式的傅立葉級數(shù):(2.2)其中,n=1,2,3或(2.3)其中,在式2.2或式2.3的表示的傅立葉級數(shù)中,頻率與工頻一樣的分量稱為基波,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。以上公式與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,把其中的電壓量換成相應的電流量即可。2.2 電力電子裝置諧波電流分析由于長期以來阻感負載的整流電路曾一直是應用最廣、數(shù)量最多的電力電子裝置之一,所以對阻感負載整流電路交流側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交流側電抗引起的

19、換相過程的影響,以與直流側電感量不足而引起的直流電源脈動的影響,即假定交流側電抗為零,而直流側電感為無窮大。這樣交流側電流即為方波或階梯波,波形簡單,分析所得的結果清晰易記,直到現(xiàn)在仍被廣泛采用。隨著工程實際對更精確分析結果的需求,考慮各種非理想情況的分析方法相繼被提出。最初是考慮換相過程的影響,后來是計與直流側電流脈動的情況,一直到將換相過程和電流脈動一起考慮,精確度越來越高,分析時所需的電路參數(shù)和已知條件也越來越多。本文將對上述各種條件下的橋式整流電路做詳細的諧波分析。2.2.1 忽略換相過程的情形(1) 單相橋式整流電路 全控整流電路忽略換相過程和直流側電流脈動,即假設交流側電抗為零,而

20、直流電感為無窮大,則單相橋式全控整流電路在阻感負載時的電路如圖2.1 (a)所示。并設電源為正弦電壓:(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。假設電路工作已經(jīng)達到穩(wěn)態(tài),從=時刻加觸發(fā)脈沖,晶閘管導通,由于直流電感無窮大,負載電流不能突變,整流電壓可為負值。得到整流電壓ud、電流id與交流側電流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等于直流側電流平均值。(a) 電路 (b) 波形 圖2.1 單相全控整流電路與相應波形將電流i分解為傅立葉級數(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2.6可知,電流中除基波

21、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交流側電抗為零,而直流電感為無窮大,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,它實際上是將單相橋式全控整流電路下面兩個橋臂的晶閘管換成了二極管。假設電路已經(jīng)工作在穩(wěn)態(tài),=時刻晶閘管VT1加觸發(fā)脈沖,電源電壓經(jīng)VT1和VD4向負載供電,當電源電壓過零變負時,因電感作用使電流連續(xù),VT1繼續(xù)導通。但因a點電位低于b點,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,不像全控橋電路出現(xiàn)

22、ud為負的情況。電源電壓負半軸分析與正半周類似。得出整流電壓ud、電流id與交流側電流i的波形如圖2.2 (b)所示??梢钥闯觯浣涣鱾入娏鞯牟ㄐ沃慌c觸發(fā)延遲角有關。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 單相半控整流電路與相應波形將圖2.2 (b)所示的電流i分解為傅立葉級數(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完全一樣,說明在=0時,單相橋式半控與全控整流電路工作原理一樣,是互為等效電路的。由式2.7和式2.9可得到簡單的結論:電

23、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。 不控整流電路單相橋式不控整流電路四個橋臂都為二極管,電路如圖2.3所示。圖2.3 單相不控整流電路該電路實際上就是單相全控整流電路在=0時的工作狀態(tài),根據(jù)式2.6可知,交流側電流諧波含量與延遲觸發(fā)角無關,則可以得出單相橋式不控整流電路的交流側電流基波和各次諧波有效值與單相橋式全控整流電路的一樣,表達式如下所示:(2) 三相橋式整流電路 全控整流電路忽略換相過程和電流脈動時阻感負載的三相橋式整流電路如圖2.4所示。同樣,交流側電抗為零,直流電感Ld為無窮大。設電源為三相正序平衡電源。得到整流電壓和交流側a

24、相電流波形如圖2.5所示。以一相電流為例,則交流側相電流是正負半周各為120的方波,正負半波間隔為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與電流波形以a相電流為例,將圖2.5所示所示的電流ia分解為傅立葉級數(shù),可得:(2.11)若以a相電壓過零點為時間零點,則有:(2.12)根據(jù)式2.11和式2.12可得出,不論時間原點的位置取在哪里,因為波形未變,所以基波和各次諧波的幅值也不變,只是如果時間原點左移了角,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可以得到以下的結論:電流中僅含有6k1

25、(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)。 半控整流電路有時在工礦企業(yè)中采用比三相全控橋更為簡單的電路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,共陽極采用二極管。當=0,其工作方法與全控橋一樣。當不太大,輸出電壓仍連續(xù)時,共陰極晶閘管需要經(jīng)觸發(fā)脈沖才能導通換相,而共陽極的二極管則在自然換相點處換相。如果負載電感足夠大,電流為恒穩(wěn)直流,其情況與全控橋時相似,各相電流正負半波各為,但正負半波間隔不再是60,而是60與60。在較大時,為完善電路工作性能,有時在負載端接續(xù)流二極管

26、,其電路如圖2.6 (b)所示。接入續(xù)流二極管后,當60,輸出電壓波形連續(xù),續(xù)流二極管不工作,分析與沒有續(xù)流二極管時一樣,整流電壓與直流側電流波形如圖2.7 (a)所示。當60時,整流電壓波形不再連續(xù),由于電感的作用,負載電流仍為持續(xù)的恒穩(wěn)直流,晶閘管和二極管在每個周期導通180,其余時間為續(xù)流二極管導通以維持負載電流連續(xù)。即續(xù)流二極管導通時間為180。a相電流正、負半波均是底為180,高為Id的方波,正、負半波間隔分別為60與60,整流電壓和直流側電流波形如圖2.7 (b)所示。(a) 直流側不接續(xù)流二極管 (b) 直流側接續(xù)流二極管圖2.6 三相橋式半控整流電路(a) 60 (b) 60圖

27、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60180,將圖2.7 (b)所示的電流ia分解為傅立葉級數(shù),得到基波和各次諧波有效值的統(tǒng)一表達式。(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)當計算出的諧波電流為負值時,取其絕對值即可。根據(jù)式2.15可得出如下結論: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質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,其諧波分析與對應的全控整流橋一致,相當于=0時的特殊情況,即可得

28、出三相橋式不控整流電路的基波和各次諧波電流表達式分別為:2.2.2 計與換相過程的情形計與換相過程但忽略直流側電流脈動,就是考慮交流側電抗不為零,但直流電感仍假設為無窮大6。本文以三相橋式全控整流電路為例進行分析推導。計與換相過程但忽略直流脈動的三相橋式整流電路在阻感負載時電路如圖2.9所示,LB為各相交流側電感。圖2.9 計與換相過程的三相橋式全控整流電路假設電源為三相平衡正弦電壓,取VT6導通,從VT5向VT1換相的情況,由于交流側電感的存在,交流電流不能突變,換相過程ia從零增大到Id,換相完成。此過程如圖2.10所示,以觸發(fā)延遲角處為時間零點,則有:圖2.10 計與換相過程的三相橋式全

29、控整流波形換相過程應滿足如下方程(2.16)求解式2.16的方程組,可以得出:(2.17)其中,為交流側電抗,。另外,根據(jù)圖2.10可以得到如下關系式:(2.18)其中,為換相重疊角。經(jīng)過以上分析計算,交流側電流各段時間的表達式可以用式2.17與式2.18得出,以a相電流的正半周期為例,其表達式如下:(2.19)對式2.19進行傅立葉分解,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可得如下結論:交流側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 計與直流側電流脈動時的情形考慮直流側電流的

30、脈動,即考慮直流側電感量為有限值。這里又分為是否忽略換相過程這兩種情況,以下將以三相橋式全控整流電路為例,分別推導一種近似計算交流側電流諧波的公式。(1) 忽略換相過程Dobinson法計與直流側電流脈動時其電流波形如圖2.11所示。從圖2.11可以看出Dobinson法的基本思想就是用兩個正弦波頂上各60的波頭部分,疊加在120方波上面,來近似代表電流脈動的情況7。圖2.11 計與直流側脈動時三相全控整流電流波形另外,引入電流紋波比這個參數(shù)來表示電流脈動的程度。參照圖2.11,電流紋波比的定義為:(2.22)其中,為電流波頭脈動的峰峰值。這樣,交流側電流波形可以由這兩個參數(shù)確定。仍以a相電流

31、的正半周為例,其表達式如下所示:(2.23)對式2.23進行傅立葉分解,可得:(2.24)(2.25)若計算結果為負值,則表示相位差180,取其絕對值即可。根據(jù)式2.24和式2.25可以看出,交流側電流除基波外,仍只含有(k為正整數(shù))次諧波。(2) 計與換相過程Graham-Schonholzer法Graham-Schonholzer法是在Dobinson法的基礎上,再考慮換相過程后提出來的8。它對交流側電流的近似處理,是將Dobinson法的用兩個正弦波頭疊加在120方波上,改進為疊加在120的梯形波上,如圖2.12所示。梯形波的斜邊就是對換相過程的較好近似。圖2.12 計與換相過程和電流脈

32、動時的電流波形為了表達方便,引入換相末電流IB這個量。就是換相結束的時刻流過導通晶閘管的電流值。與前述一樣,是電流波頭脈動的峰峰值。(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以與換相重疊角這三個量來表示。對電流進行傅立葉分解,可得到基波和各次諧波有效值的統(tǒng)一表達式。(2.28)其中,n=1或n=6k1,k為正整數(shù)。應當注意,當代入n或的值出現(xiàn)分母為零的情況時,應利用如下極限公式進行計算:由式2.28可以得出與Dobinson法相似的定性結論。即交流側電流除基波外,仍只含有次諧波。3 電力電子裝置諧波電流的仿真分析根據(jù)第2章的

33、理論分析,推導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算公式。利用MATLAB軟件中的Simulink仿真工具可實現(xiàn)對上述電路的動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真,驗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載)的仿真模型如圖3.1所示,圖中負載為: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仿真模型,由于負載端是阻感負載,在0.9s左右電流才達到平衡,輸出整流電壓波形連續(xù),如圖3.2所示。Simulink仿真軟件

34、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,并且能計算出基波和各次諧波的幅值與有效值。取0.9s開始的一個周期的交流側電流波形如圖3.3所示,用powergui分解為傅立葉級數(shù),得到基波和各次諧波有效值如圖3.4所示。圖3.2 當時的整流輸出電壓波形圖3.3 交流側電流一個周期的波形 圖3.4 諧波分析結果從圖3.4可以明顯的看出,交流側電流除基波外,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)關系,偶數(shù)次諧波含量非常小。這與式2.6分析結果相符合。3.1.2 單相橋式半控整流電路由圖2.2 (a)所示的電路,單相橋式半控整流電路的仿真模型如圖3.5所示。

35、圖中電源電壓為工頻正弦電源,其中負載為:R=1,L=0.2H,觸發(fā)延遲角45,觸發(fā)脈沖控制器頻率設置為50Hz,脈沖1的初相角時間設置為0.0025s,脈沖2的初相角時間設置為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模型進行仿真,圖3.6所示的是整流輸出電壓。這是由于二極管的導通方式與晶閘管不同,晶閘管承受反向電壓還能導通,但二極管不能導通。在電源電壓過零點時,另一個二極管導通,交流側相當于被短路,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。該仿真模型負載為大電感負載,直流側電流在1s左右才達到平衡,對交流側電流進行諧波分析時,取1.2s

36、開始的一個周期的電流,如圖3.7所示,它是一個階梯方波,用powergui模塊進行傅立葉級數(shù)分解,得到如圖3.8所示的交流側諧波電流有效值頻譜圖。圖3.6 當時的整流輸出電壓波形圖3.7 交流側電流一個周期的波形 圖3.8 諧波分析結果由圖3.8可以明顯的看出,交流側電流除基波外,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,還能計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算輸出整流電壓平均值公式為:(3.1)則負載電流平均值為:(3.2)根據(jù)仿真模型可知電源電壓E=220V,R=1,=45,代入式

37、3.1和式3.2計算得:將已知條件和上面計算的代入式2.9中,分別計算出基波和各次諧波有效值,結果如表3.1所示。表3.1 仿真數(shù)據(jù)與計算結果比較基波和諧波仿真值(A)計算值(A)基波和諧波仿真值(A)計算值(A)DC0.000.00h114.735.29Fund137.41140.56h120.000.00h20.010.00h134.864.47h318.3319.41h140.000.00h40.000.00h159.429.37h511.8711.64h160.000.00h60.000.00h177.988.26h719.8120.08h180.000.00h80.000.00h19

38、2.573.06h915.1115.61h200.00h100.000.00根據(jù)表3.1的對比可知,理論計算與仿真分析相符合。說明理論計算是正確的。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=30。圖3.9 單相全控整流橋電路仿真模型對模型仿真,整流輸出電壓如圖3.10所示,與單相橋式全控

39、整流電路仿真相似,直流側電流在0.8s左右達到平衡,取圖3.11所示的一個周期的交流側電流波形,進行傅立葉級數(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 當時的整流輸出電壓波形圖3.11 交流側電流一個周期的波形 圖3.12 諧波分析結果由圖3.12可以明顯的看出,交流側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,仍然設圖中電源為工頻三相平衡電源,電壓有效值值為220V,負載:R=1,L=0.4H,同步6脈沖設置與三相橋式全

40、控整流電路仿真一樣。三相橋式半控整流電路一個周期需要3個脈沖,用多路選擇器Selector選擇第1、3、5路脈沖,控制晶閘管的導通,觸發(fā)延遲角=60。對圖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)。當延遲觸發(fā)角再增大時,輸出電壓波形就不再連續(xù)。直流側電流在0.9s左右達到平衡,取0.9s開始的一個周期的交流側電流波形,如圖3.15所示,進行傅立葉分解,得到的三相橋式半控整流電路交流側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 當時的整流輸出電壓波形圖3.15 交流側電流一個周期的波形 圖3.16 諧

41、波分析結果由圖3.16可以明顯的看出,交流側電流中含有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,輸出直流側電壓平均值為:(3.3)負載電流平均值用式3.2計算,根據(jù)仿真已知電源電壓E=220V,R=1,=60,代入式3.4計算可得負載平均電流。根據(jù)式2.15,計算出三相橋式半控整流電路交流側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)與計算結果比較基波和諧波仿真值(A)計算值(A)基波和諧波仿真值(A)計算值(A)DC0.150.00h1120.5421.11Fund232.92232.28h120.020.00h2115.7

42、4116.14h1318.4018.87h30.010.00h1416.0316.59h458.5058.07h150.020.00h545.8646.46h1615.0614.52h60.010.00h1713.1113.67h733.6833.18h180.020.00h828.4529.03h1912.7812.23h90.010.00h2011.61h1023.7523.23由表3.2可知,理論計算數(shù)據(jù)與仿真分析相符合。說明式2.15的推導是正確的。3.3 GUI界面MATLAB圖形用戶接口開發(fā)環(huán)境提供了一系列工具用于建立GUI界面12,這些工具極大簡化了設計和建立GUI的過程。本文使

43、用該軟件建立一個簡單的諧波電流計算界面,實現(xiàn)了諧波分析結果的可視化輸出。界面有三個數(shù)據(jù)輸入窗口,分別輸入的是直流側電流平均值、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論本文采用傅立葉級數(shù)方法分析推導了橋式整流電路在不同的工作條件下交流側電流的諧波含有情況,并在此基礎上研究了三相橋式全控整流在考慮換相過程以與直流側脈動時的交流電路諧波含量。并通過仿真驗證了理論分析推導的正確性。主要的結論和成果如下:(1) 理論分析得出的橋式整流電路交流電流諧波計算表達式,有部分是在理想的條件下推導出來的,與實際有一定的誤差。在考慮換相和直流側電流脈動時推導出的諧波計算表達式具有較高的精確度。利用計算機仿真,可以得到確定數(shù)值下的交

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