【正文】 ......................................................................... 25 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 1 緒論 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)絹碓絿?yán)重，對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定造成了很大的危害。其中電力電子裝置是造成諧波問題最 主要的設(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，由此帶來的諧波問題日益嚴(yán)重，并引起廣泛的關(guān)注。 有關(guān)諧波問題的研究 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。 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 感無窮大。這樣交流側(cè)電流即為方波或階梯波，波形簡單，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。最初是考慮換相過程的影響，后來是計(jì)及直流側(cè)電流脈動(dòng)的情況，一直到將換相過程和電流脈動(dòng)一起考慮，精確度越來越高。 近年來，國內(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。 論文 的 研究內(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，分析在考慮換相過程和直流側(cè)電流脈動(dòng)時(shí) 的 諧波 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。 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 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(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 。 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巍Ｕ也妷嚎杀硎緸椋? ( ) 2 sin ( )u t U t???? () 其中， U 為 電壓有效值 ； ?為初相角 ； ?為角頻率 ， 2π 2π/fT? ?? ， f 為頻率， T 為周期。 式 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(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?，非正弦電流在電網(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=360? /?的非正弦電 壓 ()ut? ，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) ： 0 1( ) ( c o s s i n )nnnu t a a n t b n t? ? ???? ? ?? () 其中， 2π001 ( )d ( )2πa u t t??? ? 2 π01 ( ) c o s d ( )πna u t n t t? ? ?? ? 2 π01 ( ) s in d ( )πnb u t n t t? ? ?? ? n=1,2,3??? 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 或 0 1( ) s i n ( )nnnu t a c n t? ? ???? ? ?? () 其中， 22n n nc a b?? arcta n( / )n n nab? ? 在式 或式 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 。 電力電子裝置諧波電流分析 由于長期以來阻感負(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交流側(cè)電抗引起的換相過程的影響，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 為無窮大。這樣交流側(cè)電流即為方波或階梯波，波形簡單，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。最初是考慮換相過程的影響，后來是計(jì)及直流側(cè)電流脈動(dòng)的情況，一直到將換相過程和電流脈動(dòng)一起考慮，精確度越來越高，分析時(shí)所需的電路參數(shù)和已知條件也越來越多。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 。 忽略換相過程的情形 (1) 單相橋式整流電路 ① 全控整流電路 忽略換相過程 和直流側(cè)電流脈動(dòng)，即假設(shè)交流側(cè)電抗為零，而直流電感為無窮大，則 單相 橋式 全控整流電路在阻感負(fù)載時(shí)的電路如圖 (a)所示。并設(shè)電源為 正弦電壓 ： m s i n ( ) 2 s i n ( )e E t E t? ? ? ?? ? ? ? () 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。 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 假設(shè)電路工作 已經(jīng)達(dá)到 穩(wěn)態(tài)，從 t? =? 時(shí)刻加觸發(fā)脈沖，晶閘管導(dǎo)通，由于直流電感無窮大，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 (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 dI 。 i+id LdRe OuaIdOi?t?tId (a) 電路 (b) 波形 圖 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： dd1 , 3 , 5 , 1 , 3 , 5 ,4 1 1( sin sin 3 sin 5 )π 3541= sin 2 sinπ nnni I t t tI n t I n tn? ? ?????? ??? ? ???? ? ? ? ?????? () 其中，基波和各次諧波有效值為： d22πnIIn? ( 1,3,5, )n? ??? () 根據(jù)式 和式 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)。 ② 半控整流電路 仍然假設(shè)交流側(cè)電抗為零，而直流電感為無窮大，單相 橋式 半控整流電路如圖 (a)所示。 電源電壓仍然為式 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)， t? =? 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，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 整流電壓蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 ud、電流 id 及交流側(cè)電流 i 的波形如 圖 (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]。 i+id LdRe V T 1V T 3V D 2 V D 4ab Ou?OiIdId?t (a) 電路 (b) 波形 圖 單相半控整流電路及相應(yīng)波形 將圖 (b)所示的電流 i 分解為傅立 葉級(jí)數(shù)，可得： d1 , 3, 5 , 1 , 3, 5 ,22 1 c o s s i n ( ) 2 s i n ( )π n n nnnIi n n t I n tn ? ? ? ? ???? ??? ? ???? ? ? ? ??? () 其中， d2 1 co sπn IInn ??? () s ina r c ta n ( ) ( 1 , 3 , 5 , )1 c o sn n nn?? ??? ? ???? 根據(jù)式 可得電流基波和各次諧波有效值分別為： d1d2 1 c o sπ2 1 c o s ( 1 , 3 , 5 , )πnIIII n nn??? ?????? ? ? ? ????? () 在式 中，令 ? =0? ，代入可得： d22πnIIn? ( 1,3,5, )n? ??? () 式 與 式 完全相同，說明在 ? =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 和 式 可 得到簡單的結(jié)論：電流中除基波外也 含有奇 數(shù) 次諧波，各次諧蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 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)。 ③ 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 所示。 i+id LdRe 圖 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 可知，交流側(cè)電流諧波含量與延遲觸發(fā)角 ? 無關(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： 1dd22π22 ( 1 , 3 , 5 , )πnIII I nn? ????? ? ? ????? (2) 三相橋式整流電路 ① 全控整流電路 忽略換相過程和電流脈動(dòng)時(shí)阻感負(fù)載的三相橋式整流電路如圖 所示。同樣，交流側(cè)電抗為零，直流電感 Ld 為無窮大。設(shè)電源為三相正序平衡電源。得到 整流電壓和交流側(cè) a 相 電流波形如圖 所示