1、兰 州 交 通 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ）- I -摘 要近几十年来，由于电力电子装置的广泛应用，公用电网的谐波污染日益严重，由谐波引起的各种故障和事故不断发生，如何有效的计算谐波，检测谐波，抑制谐波和提高电能质量已成为电力系统的一个研究热点。因此，对电力电子装置进行谐波分析具有重要意义。首先，本文从理论上对带阻感负载的桥式整流电路进行谐波分析，主要包括单相和三相桥式全控、半控和不控整流电路，推导其在忽略换相过程和直流侧电流脉动时交流侧电流中基波和各次谐波有效值的表达式。在此基础上，进一步分析了三相全控桥式整流电路在分别考虑换相过程和直流侧电流脉动时的谐波含量。其次，以 MATLA
2、B/Simulink 软件作为仿真平台，分别搭建了单相和三相桥式可控整流电路的仿真模型，分析了在不同延迟触发角时，交流侧电流中的谐波含量，且将理论计算数据与仿真分析数据进行对比，其误差在可控范围内。结果表明，采用仿真工具，验证了本文理论分析的正确性。最后，利用 MATLAB 软件编写了谐波电流计算界面，实现了谐波含量数据的可视化输出。关键词：桥式整流电路；谐波计算；仿真分析；可视化界面兰 州 交 通 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ）- II -AbstractHarmonics pollution of the utility grid has become more and more
3、serious as the wider use of various 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
4、harmonic of power electronic devices.Firstly, 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 exp
5、ression of the fundamental and harmonic 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
6、current pulse move forward a single step.Secondly, 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 harm
7、onic content, and compares the theory calculations 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
8、 MATLAB software, and achieves output of the harmonic content of the data visualization.Key Words： Bridge rectifier circuit, Harmonic calculation, Simulation analysis, Visual interface兰 州 交 通 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ）- III -目 录摘 要 .IAbstract .II目 录 .III1 绪论.11.1 论文背景与意义.11.2 论文研究现状.11.3 论文的研究内容与目标.12 电力电子
9、装置谐波电流的理论分析.22.1 谐波概述.22.2 电力电子装置谐波电流分析.32.2.1 忽略换相过程的情形.32.2.2 计及换相过程的情形.92.2.3 计及直流侧电流脉动时的情形.123 电力电子装置谐波电流的仿真分析.153.1 单相桥式整流电路的仿真.153.1.1 单相桥式全控整流电路.153.1.2 单相桥式半控整流电路.163.2 三相桥式整流电路的仿真.183.2.1 三相桥式全控整流电路.183.2.2 三相桥式半控整流电路.193.3 GUI 界面 .21结 论.23致 谢.24参考文献.25兰 州 交 通 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ）1 绪论1.1 论文背
10、景与意义一个理想的电力系统是以单一恒定频率与规定幅值的稳定的电压供电 1。随着近几十年来科学技术的不断发展，在电力系统中很多电力设备的应用，出现了大量的非线性负荷以及供电系统本身存在非线性元件使得电力系统中的电压波形畸变越来越严重，对电力系统的稳定造成了很大的危害。其中电力电子装置是造成谐波问题最主要的设备之一，应用最为广泛的桥式整流装置在众多领域使用，由此带来的谐波问题日益严重，并引起广泛的关注。有关谐波问题的研究可以划分为以下四个方面：一、与谐波有关的功率定义和功率理论的研究；二、谐波分析以及谐波影响和危害的分析；三、谐波的补偿和抑制；四、与谐波有关的测量问题和限制谐波的标准的研究。本文将
11、对谐波分析进行研究。1.2 论文研究现状有关电力电子装置的谐波分析的研究，早期的分析大多忽略交流侧电抗引起的换相过程的影响，以及直流侧电感量不足而引起的直流电源脉动的影响，即假定交流侧电抗为零，而直流侧电感无穷大。这样交流侧电流即为方波或阶梯波，波形简单，分析所得的结论清晰易记，直到现在仍被广泛采用。随着工程实际对更精确分析结果的需求，考虑各种非理想情况的分析方法相继被提出。最初是考虑换相过程的影响，后来是计及直流侧电流脉动的情况，一直到将换相过程和电流脉动一起考虑，精确度越来越高。近年来，国内外有关谐波的研究十分活跃，每年都有大量的论文发表，这一方面说明了这一研究的重要性，另一方面也预示着这
12、一领域的研究将会取得重大突破。1.3 论文的研究内容与目标本文研究的重点就是谐波的实时分析，对桥式整流装置在不控、半控及全控的工作状态进行基波和各次谐波有效值的推导。在此基础上，以三相桥式全控整流电路为例，分析在考虑换相过程和直流侧电流脉动时的谐波电流含量情况。使用 MATLAB 软件中的 Simulink 工具模拟仿真，对比仿真结果与理论分析结果，验证理论分析的正确性。用 MATLAB 软件编写 GUI(Graphical User Interface,用户图形界面)，实现对谐波分析结果的可视化输出。兰 州 交 通 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ）- 2 -2 电力电子装置谐波电流的理
13、论分析电力电子装置已成为电力系统中的主要谐波源之一，而且消耗大量的无功功率。因此，对电力电子装置所产生的谐波的分析和计算是谐波研究的一个重要方面。这对于评估某电力电子装置对电网产生的危害和负担、判断是否需要设置补偿装置，以及补偿装置的具体设计都是非常重要的。从电网交流侧来看，电力电子装置的输入端可能是以下几种电路之一：整流电路，交流调压电路，或者周波变频电路（即交交变频电路）。本文主要研究桥式整流电路交流侧的谐波电流含量情况。2.1 谐波概述在供、用电系统中，通常总是希望交流电压和交流电流呈正弦波形。正弦波电压可表示为：(2.1)()2sin()utUt其中，U 为电压有效值； 为初相角； 为
14、角频率， ，f 为频率，T 为周2/f期。式 2.1 表示的正弦波电压施加在线性无源元件电阻、电感和电容上，其电流和电压分别为比例、积分和微分的关系，仍为同频率的正弦波。但当正弦波电压施加在非线性的电力电子装置上时，电流就变为非正弦波，非正弦电流在电网阻抗上产生压降，会使电压波形也变为非正弦波。当然，非正弦电压施加在线性电路上时，电流也是非正弦波。对于周期为 T=360 /的非正弦电压 ，一般满足狄里赫利条件，可分解()ut如下形式的傅立叶级数：(2.2)01()(cosin)nutatbt其中， 200()daut201cosntnt20()id()nbutt兰 州 交 通 大 学 毕 业
15、设 计 （ 论 文 ）n=1,2,3或(2.3)01()si()nnutact其中， 2nncbart(/)在式 2.2 或式 2.3 的表示的傅立叶级数中，频率与工频相同的分量称为基波，频率为基波频率大于 1 整数倍的分量称为谐波，谐波次数为谐波频率和基波频率的整数比。以上公式及定义均以非正弦电压为例，对于非正弦电流的情况也完全适用，把其中的电压量换成相应的电流量即可。2.2 电力电子装置谐波电流分析由于长期以来阻感负载的整流电路曾一直是应用最广、数量最多的电力电子装置之一，所以对阻感负载整流电路交流侧谐波的分析一度是电力电子装置谐波分析的主流工作，研究最充分，成果也最丰富。早期的分析大多忽
16、略交流侧电抗引起的换相过程的影响，以及直流侧电感量不足而引起的直流电源脉动的影响，即假定交流侧电抗为零，而直流侧电感为无穷大。这样交流侧电流即为方波或阶梯波，波形简单，分析所得的结果清晰易记，直到现在仍被广泛采用。随着工程实际对更精确分析结果的需求，考虑各种非理想情况的分析方法相继被提出。最初是考虑换相过程的影响，后来是计及直流侧电流脉动的情况，一直到将换相过程和电流脉动一起考虑，精确度越来越高，分析时所需的电路参数和已知条件也越来越多。本文将对上述各种条件下的桥式整流电路做详细的谐波分析。2.2.1 忽略换相过程的情形(1) 单相桥式整流电路 全控整流电路忽略换相过程和直流侧电流脉动，即假设
17、交流侧电抗为零，而直流电感为无穷大，则单相桥式全控整流电路在阻感负载时的电路如图 2.1 (a)所示。并设电源为正弦电压：(2.4)msin()2sin()eEtEt兰 州 交 通 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ）- 4 -其中，E m、E 分别为电源电压的幅值和有效值； 为触发延迟角。假设电路工作已经达到稳态，从 = 时刻加触发脉冲，晶闸管导通，由于直流t电感无穷大，负载电流不能突变，整流电压可为负值。得到整流电压 ud、电流 id 及交流侧电流 i 的波形如图 2.1 (b)所示。由图可知，电流 i 为理想方波，其有效值 I 等于直流侧电流平均值 。dIi+-id LdReOudia
18、 IdOOi t t tId(a) 电路 (b) 波形 图 2.1 单相全控整流电路及相应波形将电流 i 分解为傅立叶级数，可得：(2.5)d1,351,354(sinisin)=2inniItttIt 其中，基波和各次谐波有效值为：(2.6)d2nII(,)根据式 2.5 和式 2.6 可知，电流中除基波外仅含有奇数次谐波，各次谐波有效值与谐波次数成反比，且与基波有效值的比值为谐波次数的倒数。 半控整流电路仍然假设交流侧电抗为零，而直流电感为无穷大，单相桥式半控整流电路如图 2.2 (a)所示。电源电压仍然为式 2.4 表示的正弦电压。该电路是由晶闸管和二极管组成的，它实际上是将单相桥式全控
19、整流电路下面两个桥臂的晶闸管换成了二极管。假设电路已经工作在稳态， = 时刻晶闸管 VT1 加触发脉冲，电源电压经 VT1 和 VD4 向负t载供电，当电源电压过零变负时，因电感作用使电流连续，VT1 继续导通。但因 a 点电位低于 b 点，则电流流经 VD2，电流不再流经电源，而是由 VT1 和 VD2 续流。此兰 州 交 通 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ）阶段，u d =0，不像全控桥电路出现 ud 为负的情况。电源电压负半轴分析与正半周类似。得出整流电压 ud、电流 id 及交流侧电流 i 的波形如图 2.2 (b)所示。可以看出，其交流侧电流的波形只与触发延迟角 有关。因此，其
20、基波和各次谐波有效值也必然是由决定的 2。i+-id LdReV T 1V T 3V D 2 V D 4abOudOOiidIdId t t t(a) 电路 (b) 波形图 2.2 单相半控整流电路及相应波形将图 2.2 (b)所示的电流 i 分解为傅立叶级数，可得：(2.7)d1,35 1,352cosin()2sin()n nnIi tIt 其中，(2.8)d2cosnIsiarct()(1,35)1n n根据式 2.8 可得电流基波和各次谐波有效值分别为：(2.9)d12cos(1,35)nIn在式 2.9 中，令 =0 ，代入可得：(2.10)d2nII(1,35)n兰 州 交 通 大
21、 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ）- 6 -式 2.10 与式 2.6 完全相同，说明在 =0 时，单相桥式半控与全控整流电路工作原理相同，是互为等效电路的。由式 2.7 和式 2.9 可得到简单的结论：电流中除基波外也含有奇数次谐波，各次谐波的有效值不再与谐波次数成反比，而是与延迟触发角 有关。 不控整流电路单相桥式不控整流电路四个桥臂都为二极管，电路如图 2.3 所示。i+-id LdRe图 2.3 单相不控整流电路该电路实际上就是单相全控整流电路在 =0 时的工作状态，根据式 2.6 可知，交流侧电流谐波含量与延迟触发角 无关，则可以得出单相桥式不控整流电路的交流侧电流基波和各次谐波有效值与单相桥式全控整流电路的相同，表达式如下所示： 1d2(1,35)nIIn(2) 三相桥式整流电路 全控整流电路忽略换相过程和电流脉动时阻感负载的三相桥式整流电路如图 2.4 所示。同样，交流侧电抗为零，直流电感 Ld 为无穷大。设电源为三相正序平衡电源。得到整流电压和交流侧 a 相电流波形如图 2.5 所示。以一相电流为例，则交流侧相电流是正负半周各为 120 的方波，正负半波间隔为 60 3。
