24脈波整流電路的設(shè)計(jì)和分析范文

./xxxx大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)<論文>任務(wù)書課題名稱24脈波整流電路的設(shè)計(jì)與分析學(xué)院電氣學(xué)院專業(yè)班級(jí)電氣工程及其自動(dòng)化0x2班姓名歐耶學(xué)號(hào)6444344444畢業(yè)設(shè)計(jì)〔論文的工作內(nèi)容:整流電路的基礎(chǔ)理論介紹;整流諧波的危害及治理;濾波電路的原理及作用介紹24脈波整流電路的原理、設(shè)計(jì)以及仿真分析;整流變壓器保護(hù)起止時(shí)間：20年2月14日至20年6月13日共16周指導(dǎo)教師簽字系主任簽字院長(zhǎng)簽字摘要AC/DC變換器是電力電子裝置中最為常用的一種變換器,為了減小其對(duì)電網(wǎng)的污染,提高功率因數(shù),在中、高功率場(chǎng)合下通常采用多脈波二極管整流技術(shù),可以降低設(shè)備成本,提高效率,并且不會(huì)產(chǎn)生額外的EMI。整流電路是高壓直流電源系統(tǒng)中的重要組成部分。整流電路的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和保護(hù)方式關(guān)系到整個(gè)高壓直流電源系統(tǒng)的正常運(yùn)行。本文介紹了整流電路中最新流行的24脈波整流電路的構(gòu)成原理、特點(diǎn)、諧波危害治理及保護(hù)配置。文中首先介紹了整流電路的基本理論知識(shí)并對(duì)幾個(gè)基本整流電路進(jìn)行分析,接著介紹了整流電路諧波的危害及治理和濾波電路,最后詳細(xì)介紹了24脈波整流電路的原理,并對(duì)整流電路通過MATLAB對(duì)該電路進(jìn)行了仿真。經(jīng)過理論分析、仿真研究,證實(shí)了該電路的合理性和可靠性,與傳統(tǒng)的12脈波整流相比24脈波整流具有有效減小輸入電流諧波含量、提高功率因數(shù)的優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞:整流、諧波、仿真、保護(hù)AbstractAC/DCpowerconverteristhemostcommonlyusedelectronicdevicesinaconverter.Inordertoreducethepollutionofitspowergridandimprovepowerfactor,inmiddle-andhigh-powersituationsmulti-pulsedioderectifiertechnologyisused,whichcanreducecostoftheequipmentandincreasesefficiency,besidesitwouldnotgenerateadditionalEMI.RectifiercircuitisanimportantcomponentofthehighvoltageDCpowersupplysystem.Rectifiercircuitdesign,structuralfeaturesandconservationrelatestothenormaloperationofhighvoltageDCpowersupplysystem.Thistextintroducestheconstituteprinciple,feature,governanceofharmonicshazardandprotectiondispositionoftherectifiercircuitofthepulsewaverectifiercircuit24,whichislatestwidespread.Firstly,itiswrittenaboutthebasictheoreticalknowledgeandsomebasicanalysisofrectifiercircuit.Secondpartrelatestotheharmonicrectifierhazards,governanceandfiltercircuit.Atlast,24pulserectifiercircuitprincipleisexpoundedindetail,withsimulationtorectifiercircuitthroughtheMATLAB.Goingthroughthetheoreticalanalysisandsimulationstudy,thereasonablenessofthecircuitandreliabilityisconfirmed.Comparingwiththetraditional12-pulserectifier,24pulserectifiercouldefficientlyreduceharmonicscontentininputcurrent,andenhancepowerfactors.Keywords:rectifier,harmonics,simulation,protection摘要2Abstract3第一章緒論61.1引言61.2整流的定義61.4各整流電路分析8單向半波整流電路8單向全半波整流電路9三相半波可控整流電路10第二章整流諧波的危害及治理142.1引言142.2整流諧波的產(chǎn)生分析142.3諧波危害182.4諧波的治理192.4.1諧波治理分析192.4.2治理方法19第三章濾波電路213.1引言213.2濾波電路簡(jiǎn)介213.3電阻濾波電路213.4電感濾波電路22空載時(shí)的情況24帶載時(shí)的情況253.6小結(jié)26第四章24脈波整流電路274.1引言274.2整流原理274.3數(shù)據(jù)分析294.424脈波整流電路變壓器連接方式304.5仿真314.6仿真結(jié)果與分析334.7結(jié)論35第五章整流變壓器保護(hù)365.1引言365.2變壓器的保護(hù)設(shè)置365.3整流器的保護(hù)設(shè)置36整流器二極管的保護(hù)36整流器自身保護(hù)375.4小結(jié)37第六章總結(jié)38致謝39參考文獻(xiàn)40第一章緒論1.1引言電能的變換電路有AC/DC、DC/DC、DC/AC和AC/AC四種。其中,AC/DC變換電路俗稱整流電路,它是將交流電能變換為直流電能的電路。整流電路主要用于充電、電鍍、電解及直流調(diào)速等領(lǐng)域目前,采用快速自關(guān)斷器件的高頻整流器能達(dá)到功率因數(shù)接近1,正在逐步取代傳統(tǒng)的相控整流器。整流電路可以直接為要求較低的電力電子裝置提供直流電能。在大多數(shù)情況下,整流電路作為電網(wǎng)與電力電子裝置的接口電路,構(gòu)成直流穩(wěn)壓電源,為電力電子裝置提供高質(zhì)量的直流電能。電力網(wǎng)供給用戶的是交流電,而各種電氣設(shè)備需要直流電.整流技術(shù)正好為這種轉(zhuǎn)換提供了方便.利用具有單向?qū)щ娞匦缘钠骷?可以把方向和大小交變的電流變換為直流電整流。電路的發(fā)展可以分為四個(gè)階段：〔1旋轉(zhuǎn)式變流機(jī)組,即電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組。〔2電子管和離子管整流器?！?半導(dǎo)體二極管整流器?！?可控整流器。其中包括晶閘管構(gòu)成的相位控制型整流器和VMOSFET、IGBT構(gòu)成的PWM控制型整流器。1.2整流的定義負(fù)載整流器交流電源整流電路是一種把交流電源電壓轉(zhuǎn)換成所需的直流電壓的一種電路。將交流電轉(zhuǎn)換為直流電的過程又叫AC/DC變換。這種變換的功率流向是雙向的,功率流向由交流電源流向負(fù)載的變換稱之為"整流",功率流向負(fù)載流向電源的變換稱之:有源逆變。負(fù)載整流器交流電源→→表1-1整流電路組成整流電路是電力電子技術(shù)中出現(xiàn)最早的一種變換電路,應(yīng)用十分廣泛,電路形式多種多樣,各具特色。傳統(tǒng)的方法是采用晶閘管作為主控元件,通過對(duì)晶閘管觸發(fā)相位的控制,從而達(dá)到控制輸出直流電壓的目的,這樣的電路稱之為相控整流電路。1.3整流電路的分類1、按組成的器件可分為半控不可控電路、半控電路、全控電路三種。1不可控整流電路完全由不可控二極管組成,電路結(jié)構(gòu)一定之后其直流整流電壓和交流電源電壓值的比是固定不變的。2半控整流電路由可控元件和二極管混合組成,在這種電路中,負(fù)載電源極性不能改變,但平均值可以調(diào)節(jié)。3在全控整流電路中,所有的整流元件都是可控的〔SCR、GTR、GTO等,其輸出直流電壓的平均值及極性可以通過控制元件的導(dǎo)通狀況而得到調(diào)節(jié),在這種電路中,功率既可以由電源向負(fù)載傳送,也可以由負(fù)載反饋給電源,即所謂的有源逆變。2、按電路結(jié)構(gòu)可分為零式電路和橋式電路1零式電路指帶零點(diǎn)或中性點(diǎn)的電路﹐又稱半波電路。它的特點(diǎn)所有整流元件的陰極<或陽(yáng)極>都接到一個(gè)公共接點(diǎn)﹐向直流負(fù)載供電﹐負(fù)載的另一根線接到交流電源的零點(diǎn)。2橋式電路實(shí)際上是由兩個(gè)半波電路串聯(lián)而成﹐故又稱全波電路。3、按電網(wǎng)交流輸入相數(shù)分為單相電路、三相電路和多相電路。1對(duì)于小功率整流器常采用單相供電。單相整流電路分為半波整流,全波整流,橋式整流及倍壓整流電路等。2三相整流電路是交流測(cè)由三相電源供電,負(fù)載容量較大,或要求直流電壓脈動(dòng)較小,容易濾波。三相可控整流電路有三相半波可控整流電路,三相半控橋式整流電路,三相全控橋式整流電路。因?yàn)槿嗾餮b置三相是平衡的,輸出的直流電壓和電流脈動(dòng)小,對(duì)電網(wǎng)影響小,且控制滯后時(shí)間短,采用三相全控橋式整流電路時(shí),輸出電壓交變分量的最低頻率是電網(wǎng)頻率的6倍,交流分量與直流分量之比也較小,因此濾波器的電感量比同容量的單相或三相半波電路小得多。另外,晶閘管的額定電壓值也較低。因此,這種電路適用于大功率變流裝置。3多相整流電路隨著整流電路的功率進(jìn)一步增大<如軋鋼電動(dòng)機(jī),功率達(dá)數(shù)兆瓦>,為了減輕對(duì)電網(wǎng)的干擾,特別是減輕整流電路高次諧波對(duì)電網(wǎng)的影響,可采用十二相、十八相、二十四相,乃至三十六相的多相整流電路。采用多相整流電路能改善功率因數(shù)﹐提高脈動(dòng)頻率﹐使變壓器初級(jí)電流的波形更接近正弦波﹐從而顯著減少諧波的影響。理論上,隨著相數(shù)的增加,可進(jìn)一步削弱諧波的影響。多相整流常用在大功率整流領(lǐng)域,最常用的有雙反星中性點(diǎn)帶平衡電抗器接法和三相橋式接法。4、按變壓器二次側(cè)電流的方向是單向或雙向,又分為單拍電路和雙拍電路。其中所有半波整流電路都是單拍電路,所有全波整流電路都是雙拍電路。5、按控制方式可分為相控式電路和斬波式電路〔斬波器；1通過控制觸發(fā)脈沖的相位來控制直流輸出電壓大小的方式稱為相位控制方式,簡(jiǎn)稱相控方式。2斬波器就是利用晶閘管和自關(guān)斷器件來實(shí)現(xiàn)通斷控制,將直流電源電壓斷續(xù)加到負(fù)載上,通過通、斷的時(shí)間變化來改變負(fù)載電壓平均值,亦稱直流-直流變換器。它具有效率高、體積小、重量輕、成本低等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于直流牽引的變速拖動(dòng)中,如城市電車、地鐵、蓄點(diǎn)池車等。斬波器一般分降壓斬波器,升壓斬波器和復(fù)合斬波器三種。6、按引出方式的不同分中點(diǎn)引出整流電路,橋式整流電路,帶平衡電抗器整流電路,環(huán)形整流電路,十二相整流電路。1中點(diǎn)引出整流電路分：?jiǎn)蚊}波〔單相半波,兩脈波〔單相全波,三脈波〔三相半波,六脈波〔六相半波2橋式整流電路分：兩脈波〔單相橋式,六脈波〔三相橋式3帶平衡電抗器整流電路分：一次星形聯(lián)結(jié)的六脈波帶平衡電抗器電路〔即雙反星帶平衡電抗器電路,一次角形聯(lián)結(jié)的六脈波帶平衡電抗器電路4十二相整流電路分：二次星、三角聯(lián)結(jié),橋式并聯(lián)〔帶6f平衡電抗器單機(jī)組十二脈波整流電路；二次星、三角聯(lián)結(jié),橋式串聯(lián)十二脈波整流電路；橋式并聯(lián)等值十二脈波整流電路；雙反星形帶平衡電抗器等值十二脈波整流電路。1.4各整流電路分析單向半波整流電路電路圖如圖1-1所示：此為純電阻負(fù)載的半相整流電路。二極管為理想二極管。圖1-1純電阻負(fù)載的半相整流電路工作原理：

<1>在變壓器次級(jí)繞組電壓u2為正半周時(shí),二極管導(dǎo)通,則負(fù)載上的電壓u0、二極管的管壓降uD、流過負(fù)載的電流iO和二極管的電流iD為：uD=0<1-1>

<2>在負(fù)半周時(shí),二極管截止。則：,,它的整流波形如圖1-2所示：因?yàn)殡娐分辉诮涣鞯陌雮€(gè)周期二極管導(dǎo)通,才有電流流過負(fù)載。因此它被稱為半相整流電路。圖1-2半相整流電路波形圖

2、直流電壓和直流電流的計(jì)算

輸出直流電壓為：,其中：U2為變壓器次級(jí)輸出電壓的有效值。

輸出直流電流為：

注：流過二極管的電流即為輸出電流。

3、選管原則

根據(jù)二極管的電流和二極管所承受的最大反向峰值電壓進(jìn)行選擇。

即：二極管的最大整流電流：；它的最大反向工作電壓4、RL負(fù)載的特點(diǎn)整流電壓出現(xiàn)負(fù)的部分,在電壓與電流同向時(shí),電源輸出電能,電能一部分在電阻上消耗,一部分在電感轉(zhuǎn)化成磁場(chǎng)能儲(chǔ)存起來;在電壓與電流方向不一致時(shí),電感輸出電能,一部分在電阻上消耗,一部分回饋給電源并經(jīng)變壓器送回電網(wǎng)。當(dāng)負(fù)載角ψ越趨近于,電感儲(chǔ)能越多,整流電壓負(fù)半周的面積就越接近相等,這樣平均電壓就越接近0。由于這一特點(diǎn),在大電感時(shí),無論整流輸入電壓,還是整流輸出平均電壓都很小,出現(xiàn)輸出電壓平均值都很小,但是整流電路仍有大電流輸出的矛盾。為解決這一矛盾,一般在單相半波整流RL負(fù)載的兩端并聯(lián)一個(gè)續(xù)流二極管。單向全半波整流電路將兩個(gè)半波整流電路組合起來即組成全波整流電路,在此不再詳述。單向橋式半波整流電路1、電路圖如1-3所示：我們采用橋式整流電路時(shí)只需要一個(gè)次級(jí)繞組,這就克服了全波整流電路的缺點(diǎn)。圖1-3橋式整流電路工作原理:

u2正半周時(shí),D1、D2導(dǎo)通,D3、D4截止；u2負(fù)半周時(shí),D1、D2截止,D3、D4導(dǎo)通。流過負(fù)載的電流方向一致的。注：除管子所承受的最大反向電壓不同于全波整流外,其它參數(shù)均與全波整流電路相同2、直流電壓和直流電流的計(jì)算

直流電壓為：；直流電流為：<1-2>由于輸入電網(wǎng)電壓的波動(dòng)和負(fù)載變化時(shí)輸出電壓也隨之變化,因此我們需要一種穩(wěn)壓電路。三相半波可控整流電路1.

電阻負(fù)載

<1>工作原理

三相半波可控整流電路如圖<1-4>所示。為得到零線,變壓器二次側(cè)必須接成星形,而一次側(cè)接成三角形,避免3次諧波電流流人電網(wǎng)。三個(gè)晶閘管分別接入a、b、c三相電源,它們的陰極連接在一起,稱為共陰極接法,這種接法觸發(fā)電路有公共端,連線方便。圖1-4三相可控整流電路圖將電路中的晶閘管換作二極管,并用VD表示,該電路就成為三相半波不可控整流電路,以下首先分析其工作情況。此時(shí),三個(gè)二極管對(duì)應(yīng)的相電壓中哪一個(gè)的值最大,則該相所對(duì)應(yīng)的二極管導(dǎo)通,并使另兩相的二極管承受反壓關(guān)斷,輸出整流電壓即為該相的相電壓,波形如圖<1-5d>所示。在一個(gè)周期中,器件工作情況如下：在ωt1～ωt2期間,α

相電壓最高,VD1導(dǎo)通,ud=ua；在ωt2～ωt3期間,b相電壓最高,VD2導(dǎo)通,ud=ub；在ωt3～ωt4期間,c相電壓最高,VD3導(dǎo)通,ud=uc。此后,在下一周期相當(dāng)于ωt1的位置即ωt4時(shí)刻,VD1又導(dǎo)通,重復(fù)前一周期的工作情況。如此,一周期中VD1、VD2、VD3輪流導(dǎo)通,每管各導(dǎo)通120o。ud波形為三個(gè)相電壓在正半周期的包絡(luò)線。圖1-5三相半波可控整流電路共陰極接法電阻負(fù)載時(shí)的電路在相電壓的交點(diǎn)ωt1、ωt2、ωt3處,均出現(xiàn)了二極管換相,即電流由一個(gè)二極管向另一個(gè)二極管轉(zhuǎn)移,稱這些交點(diǎn)為自然換相點(diǎn)。對(duì)三相半波可控整流電路而言,自然換相點(diǎn)是各相晶閘管能觸發(fā)導(dǎo)通的最早時(shí)刻,將其作為計(jì)算各晶閘管觸發(fā)角

α

的起點(diǎn),即α=0o,要改變觸發(fā)角只能是在此基礎(chǔ)上增大,即沿時(shí)間坐標(biāo)軸向右移。若在自然換相點(diǎn)處觸發(fā)相應(yīng)的晶閘管導(dǎo)通,則電路的工作情況與以上分析的二極管整流工作情況一樣。由單相可控整流電路可知,各種單相可控整流電路的自然換相點(diǎn)是變壓器二次電壓u2的過零點(diǎn)。

當(dāng)α

=0o時(shí),變壓器二次側(cè)a相繞組和晶閘管VT1的電流波形如圖<1-5e>所示,另兩相電流波形形狀相同,相位依次滯后120o,可見變壓器二次繞組電流有直流分量。

圖<1-5f>是VT1兩端的電壓波形,由3段組成：第1段,VT1導(dǎo)通期間,為一管壓降,可近似為uVT1=0；第2段,在VT1關(guān)斷后,,VT2導(dǎo)通期間,uVT1=ua－ub=uab,為一段線電壓；第3段,在VT3導(dǎo)通期間,uVT1=ua－uc=uac為另一段線電壓。即晶閘管電壓由一段管壓降和兩段線電壓組成。由圖可見,α

=0o時(shí),晶閘管承受的兩段線電壓均為負(fù)值,隨著

α

增大,晶閘管承受的電壓中正的部分逐漸增多。其他兩管上的電壓波形形狀相同,相位依次差120o。

增大

α

值,將脈沖后移,整流電路的工作情況相應(yīng)地發(fā)生變化。圖<1-6>是α=30o時(shí)的波形。從輸出電壓、電流的波形可看出,這時(shí)負(fù)載電流處于連續(xù)和斷續(xù)的臨界狀態(tài),各相仍導(dǎo)電120o。圖1-6三相半波可控整流電路,如果α>30o,例如α=60o時(shí),當(dāng)導(dǎo)通一相的相電壓過零變負(fù)時(shí),該相晶閘管關(guān)斷。此時(shí)下一相晶閘管雖承受正電壓,但它的觸發(fā)脈沖還未到,不會(huì)導(dǎo)通,因此輸出電壓電流均為零,直到觸發(fā)脈沖出現(xiàn)為止。這種情況下,負(fù)載電流斷續(xù),各晶閘管導(dǎo)通角為90o,小于120o若α角繼續(xù)增大,整流電壓將越來越小,α＝150o時(shí),整流輸出電壓為零。故電阻負(fù)載時(shí)

α

角的移相范圍為150o。

<2>負(fù)載電壓

整流電壓平均值的計(jì)算分兩種情況：

1>

α≤30o時(shí),負(fù)載電流連續(xù),有〔1-3當(dāng)

α

=

0

時(shí),Ud

最大,為

Ud=Ud0＝1.17U2.α>30o

時(shí),負(fù)載電流斷續(xù),晶閘管導(dǎo)通角減小,此時(shí)有〔1－4負(fù)載電流平均值為〔1－5晶閘管承受的最大反向電壓,由圖1e>不難看出為變壓器二次線電壓峰值,即〔1－6由于晶閘管陰極與零線間的電壓即為整流輸出電壓ud,其最小值為零,而晶閘管陽(yáng)極與陰極間的最大正向電壓等于變壓器二次相電壓的峰值,即〔1－7第二章整流諧波的危害及治理2.1引言整流裝置是電網(wǎng)的主要非正弦受電設(shè)備。即使電網(wǎng)供電電壓為理想正弦波,由于整流閥的單向?qū)щ娮饔?在正反向作用下其電阻值迥然不同,因而整流裝置從電力系統(tǒng)取用的電流也是非正弦的。這種非正弦電流波形,根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)、整流相數(shù)、接線和運(yùn)行條件的不同而發(fā)生很大畸變。將這些電流波形按富氏級(jí)數(shù)可以分解為基波及一系列不同頻率和振幅的諧波,因而整流裝置是從電力系統(tǒng)取用諧波電流的受電設(shè)備。整流裝置從電網(wǎng)中取用的非正弦電流,流經(jīng)系統(tǒng)中包括發(fā)電機(jī)、輸電線、變壓器在內(nèi)的各種阻抗元件,必然產(chǎn)生非正弦的電壓降,使系統(tǒng)內(nèi)各點(diǎn)的電壓波形也產(chǎn)生不同程度的畸變.畸變的電壓反過來對(duì)整流裝置從系統(tǒng)中取用的電流波形產(chǎn)生影響.因而諧波電流和諧波電壓是同時(shí)產(chǎn)生,相互影響的。電力系統(tǒng)中,各種電弧爐、電焊設(shè)備、電動(dòng)機(jī)、變壓器等鐵磁元件,都會(huì)產(chǎn)生不同頻率和振幅的高次諧波,但整流裝置產(chǎn)生的整流諧波,具有較大的振幅,是電力系統(tǒng)中的主要諧波源。2.2整流諧波的產(chǎn)生分析整流電路的輸出電壓中主要成分為直流,同時(shí)包含各種頻率的諧波,這些諧波對(duì)于負(fù)載的工作是不利的。圖2-1a=0時(shí),m=0時(shí),m脈波整流電路的整流電壓和整流電流的諧波分析將縱坐標(biāo)選在整流電壓的峰值處,則在-p/m~p/m區(qū)間,整流電壓的表達(dá)式為：<2-1>對(duì)該整流輸出電壓進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)分解,得出：〔2-2式中,k=1,2,3…；且:〔2-3為了描述整流電壓ud0中所含諧波的總體情況,定義電壓紋波因數(shù)為ud0中諧波分量有效值UR與整流電壓平均值Ud0之比：其中:而：〔2-4將上述式〔2-1、〔2-2和〔2-3代入〔2-4得<2-5>表2-1給出了不同脈波數(shù)m時(shí)的電壓紋波因數(shù)值m23612∞〔48.218.274.180.9940表2-1不同脈波數(shù)m時(shí)的電壓紋波因數(shù)值負(fù)載電流的傅里葉級(jí)數(shù)可由整流電壓的傅里葉級(jí)數(shù)求得：<2-6>當(dāng)負(fù)載為R、L和反電動(dòng)勢(shì)E串聯(lián)時(shí),上式中：<2-7>n次諧波電流的幅值dn為：<2-8>n次諧波電流的滯后角為：<2-9>=0時(shí)整流電壓、電流中的諧波有如下規(guī)律：〔1m脈波整流電壓ud0的諧波次數(shù)為mk〔k=1,2,3...次,即m的倍數(shù)次；整流電流的諧波由整流電壓的諧波決定,也為mk次；〔2當(dāng)m一定時(shí),隨諧波次數(shù)增大,諧波幅值迅速減小,表明最低次〔m次諧波是最主要的,其它次數(shù)的諧波相對(duì)較少；當(dāng)負(fù)載中有電感時(shí),負(fù)載電流諧波幅值dn的減小更為迅速；〔3m增加時(shí),最低次諧波次數(shù)增大,且幅值迅速減小,電壓紋波因數(shù)迅速下降。不為0時(shí)的情況：脈波整流電壓諧波的一般表達(dá)式十分復(fù)雜,給出三相橋式整流電路的結(jié)果,說明諧波電壓與角的關(guān)系。以n為參變量,n次諧波幅值.對(duì)的關(guān)系如圖1-5所示當(dāng)從0~90變化時(shí),ud的諧波幅值隨增大而增大,=90時(shí)諧波幅值最大.。從90~180之間電路工作于有源逆變工作狀態(tài),ud的諧波幅值隨增大而減小。圖2-2三相全控橋電流連續(xù)時(shí),以n為參變量的與的關(guān)系圖2-3單相全控橋帶阻感負(fù)載時(shí)的電路及波形圖2-4感容濾波的單相橋式不可控整流電路及其工作波形圖2-5三相橋式全控整流電路帶電阻負(fù)載a=60時(shí)的波形2.3諧波危害隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,整流器的應(yīng)用日益廣泛,整流電路產(chǎn)生的高次諧波對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的危害也不容忽視。其中包括：諧波使電網(wǎng)中的元件產(chǎn)生附加的諧波損耗,降低發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的效率,大量的3次諧波流過中性線會(huì)使線路過熱甚至發(fā)生火災(zāi)；諧波影響各種電器設(shè)備的正常工作,使電機(jī)發(fā)生機(jī)械振動(dòng)、噪聲和過熱,使變壓器局部嚴(yán)重過熱,使電容器、電纜等設(shè)備過熱、絕緣老化、壽命縮短以至損壞；諧波會(huì)引起電網(wǎng)中局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振,從而使諧波放大,引起嚴(yán)重事故；諧波會(huì)對(duì)鄰近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾,輕者產(chǎn)生噪聲,降低通信質(zhì)量,重者導(dǎo)致信息丟失,使通信系統(tǒng)無法正常工作；諧波會(huì)導(dǎo)致繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的誤動(dòng)作,并使電氣測(cè)量?jī)x表計(jì)量不準(zhǔn)確。由于公用電網(wǎng)中的諧波電壓和諧波電流對(duì)用電設(shè)備和電網(wǎng)本身都造成很大的危害,世界許多國(guó)家都發(fā)布了限制電網(wǎng)諧波的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),由權(quán)威機(jī)構(gòu)制定限制諧波的規(guī)定。世界各國(guó)制定的諧波標(biāo)準(zhǔn)大都比較接近。我國(guó)由技術(shù)監(jiān)督局于1993年發(fā)布了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)<GB／T14549—93>《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》,并從1994年3月1日起開始實(shí)施。2.4諧波的治理諧波治理分析傳統(tǒng)的不控整流電路,即橋式整流后跟一大的平波電容,這種電路只有在輸入電壓的絕對(duì)值大于電容電壓時(shí)才會(huì)有電流的輸入,因而使得輸入電流成為一種不連續(xù)的近似為脈沖式的波形,這種波形含有大量的諧波。采用這種電路的電力裝置如線性穩(wěn)壓源,當(dāng)今流行的大多數(shù)開關(guān)電源,其前置輸入整流部分基本采用這種電路。相控變流裝置。電力電子技術(shù)的發(fā)展,特別是品閘管的發(fā)明,使得各種變流技術(shù)和電力控制相應(yīng)產(chǎn)生,這種技術(shù)由于只是在每個(gè)電壓周期的某一段相角范圍內(nèi)導(dǎo)電,因而其輸入電流也有大量的諧波成分,而且在調(diào)壓過程中隨著相控角的加大,功率因數(shù)減小;交流回路中的較低次諧波電流相對(duì)較大。這種裝置如各種由直流電壓供電的逆變和斬波裝置,它們的直流電源由相控的整流電路得到。從上面可以看出,引起諧波的污染源絕大部分是電力設(shè)備的電源部分,尤其是AC-DC部分。因此,改進(jìn)現(xiàn)有的整流裝置,改善它們的輸入電流波形,是減少諧波污染的最根本的途徑。治理方法目前諧波的治理可采用以下方法：<1>變頻器的隔離、屏蔽、接地：變頻器系統(tǒng)的供電電源與其它設(shè)備的供電電源相互獨(dú)立?；蛟谧冾l器和其它用電設(shè)備的輸入側(cè)安裝隔離變壓器?；蛘邔⒆冾l器放人鐵箱內(nèi),鐵箱外殼接地。同時(shí)變頻器輸出電源應(yīng)盡量遠(yuǎn)離控制電纜敷設(shè)<不小于50mm間距>,必須靠近敷設(shè)時(shí)盡量以正交角度跨越,必須平行敷設(shè)時(shí)盡量縮短平行段長(zhǎng)度<不超過lmm>,輸出電纜應(yīng)穿鋼管并將鋼管作電氣連通并可靠接地。<2>加裝交流電抗器和直流電抗器：當(dāng)變頻器使用在配電變壓器容量大于500KVA,且變壓器容量大于變頻器容量的10倍以上,則在變頻器輸入側(cè)加裝交流電抗器。而當(dāng)配電變壓器輸出電壓三相不平衡,且不平衡率大于3％時(shí),變頻器輸人電流峰值很大,會(huì)造成導(dǎo)線過熱,則此時(shí)需加裝交流電抗器。嚴(yán)重時(shí)則需加裝直流電抗器。<3>加裝無源濾波器：將無源濾波器安裝在變頻器的交流側(cè),無源濾波器由L、C、R元件構(gòu)成諧波共振回路,當(dāng)LC回路的諧波頻率和某一次高次諧波電流頻率相同時(shí),即可阻止高次諧波流人電網(wǎng)。無源濾波器特點(diǎn)是投資少、頻率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠及。維護(hù)方便。無源濾波器缺點(diǎn)是濾波易受系統(tǒng)參數(shù)的影響,對(duì)某些次諧波有放大的可能、耗費(fèi)多、體積大。<4>加裝有源濾波器：早在70年代初,日本學(xué)者就提出有源濾波器的概念,有源濾波器通過對(duì)電流中高次。諧波進(jìn)行檢測(cè),根據(jù)檢測(cè)結(jié)果輸入與高次諧波成分具有相反相位電流,達(dá)到實(shí)時(shí)補(bǔ)償諧波電流的目的。與無源濾波器相比具有高度可控性和快速響應(yīng)性,有一機(jī)多能特點(diǎn)。且可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振危險(xiǎn)。也可自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償變化的諧波。但存在容量大,價(jià)格高等特點(diǎn)。<5>加裝無功功率靜止型無功補(bǔ)償裝置：對(duì)于大型沖擊性負(fù)荷,可裝設(shè)無功功率的靜止型無功補(bǔ)償裝置,以或得補(bǔ)償負(fù)荷快速變動(dòng)的無功需求,改善功率因數(shù),濾除系統(tǒng)諧波,減少向系統(tǒng)注入諧波電流,穩(wěn)定母線電壓,降低三相電壓不平衡度,提高供電系統(tǒng)承受諧波能力。而其中以自飽和電抗型<SR型>的效果最好,其電子元件少,可靠性高,反應(yīng)速度快,維護(hù)方便經(jīng)濟(jì),且我國(guó)一般變壓器廠均能制造。<6>線路分開：因電源系統(tǒng)內(nèi)有阻抗,所以諧波負(fù)荷電流將造成電壓波形的諧波電壓畸形。把產(chǎn)生諧波的負(fù)荷的供電線路和對(duì)諧波敏感的負(fù)荷供電線路分開,線性負(fù)荷和非線性負(fù)荷從同一電源接口點(diǎn)PCC開始由不同的電路饋電,使非線性負(fù)荷產(chǎn)生的畸變電壓不會(huì)傳導(dǎo)到線性負(fù)荷上去。<7>電路的多重化、多元化：逆變單元的并聯(lián)多元化是采用2個(gè)或多個(gè)逆變單元并聯(lián),通過波形移位疊加,抵消諧波分量；整流電路的多重化是采用12脈波、18脈波、24脈波整流,可降低諧波成分；功率單元的串聯(lián)多重化是采用多脈波<如30脈波的串聯(lián)>,功率單元多重化線路也可降低諧波成分。此外還有新的變頻調(diào)制方法,如電壓矢量的變形調(diào)制。<8>變頻器的控制方式的完善：隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等高新技術(shù)發(fā)展,變頻器控制方式有了以下發(fā)展：數(shù)字控制變頻器,變頻器數(shù)字化采用單片機(jī)MCS5l或80C196MC等,輔助以SLE4520或EPLD液晶顯示器等來實(shí)現(xiàn)更加完善的控制性能；多種控制方式結(jié)合,單一的控制方式有著各自的缺點(diǎn),如果將這些單一控制方式結(jié)合起來,可以取長(zhǎng)補(bǔ)短,從而達(dá)到降低諧波提高效率的功效。<9>使用理想化的無諧波污染的綠色變頻器：綠色變頻器的品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)是：輸入和輸出電流都是正弦波,輸入功率因數(shù)可控,帶任何負(fù)載使都能使功率因數(shù)為l,可獲得工頻上下任意可控的輸出功率。第三章濾波電路3.1引言電路的輸出電壓不是純粹的直流,從示波器觀察整流電路的輸出,與直流相差很大,波形中含有較大的脈動(dòng)成分,稱為紋波。為獲得比較理想的直流電壓,需要利用具有儲(chǔ)能作用的電抗性元件〔如電容、電感組成的濾波電路來濾除整流電路輸出電壓中的脈動(dòng)成分以獲得直流電壓。3.2濾波電路簡(jiǎn)介常用的濾波電路有無源濾波和有源濾波兩大類。無源濾波的主要形式有電容濾波、電感濾波和復(fù)式濾波<包括倒L型、LC濾波、LCπ型濾波和RCπ型濾波等>。有源濾波的主要形式是有源RC濾波,也被稱作電子濾波器。直流電中的脈動(dòng)成分的大小用脈動(dòng)系數(shù)來表示,此值越大,則濾波器的濾波效果越差。脈動(dòng)系數(shù)<S>=輸出電壓交流分量的基波最大值／輸出電壓的直流分量.半波整流輸出電壓的脈動(dòng)系數(shù)為S=1．57,全波整流和橋式整流的輸出電壓的脈動(dòng)系數(shù)S≈O．67。對(duì)于全波和橋式整流電路采用C型濾波電路后,其脈動(dòng)系數(shù)S=1／<4<RLC／T-1>。<T為整流輸出的直流脈動(dòng)電壓的周期。>3.3電阻濾波電路RC-π型濾波電路,實(shí)質(zhì)上是在電容濾波的基礎(chǔ)上再加一級(jí)RC濾波電路組成的。如圖3-2RC濾波電路。若用S表示C1兩端電壓的脈動(dòng)系數(shù),則輸出電壓兩端的脈動(dòng)系數(shù)S=<1/ωC2R>S。

3-1電容濾波

C-R-C或RC-π型電阻濾波脈動(dòng)系數(shù)S=<1/ωC2R'>S'3-3L-C電感濾波3-4

π型濾波或叫C-L-C濾波由分析可知,電阻R的作用是將殘余的紋波電壓降落在電阻兩端,最后由C2再旁路掉。在ω值一定的情況下,R愈大,C2愈大,則脈動(dòng)系數(shù)愈小,也就是濾波效果就越好。而R值增大時(shí),電阻上的直流壓降會(huì)增大,這樣就增大了直流電源的內(nèi)部損耗；若增大C2的電容量,又會(huì)增大電容器的體積和重量,實(shí)現(xiàn)起來也不現(xiàn)實(shí)。這種電路一般用于負(fù)載電流比較小的場(chǎng)合。3.4電感濾波電路

根據(jù)電抗性元件對(duì)交、直流阻抗的不同,由電容C及電感L所組成的濾波電路的基本形式如圖3-1、3-2、3-3、3-4所示。因?yàn)殡娙萜鰿對(duì)直流開路,對(duì)交流阻抗小,所以C并聯(lián)在負(fù)載兩端。電感器L對(duì)直流阻抗小,對(duì)交流阻抗大,因此L應(yīng)與負(fù)載串聯(lián)。并聯(lián)的電容器C在輸入電壓升高時(shí),給電容器充電,可把部分能量存儲(chǔ)在電容器中。而當(dāng)輸入電壓降低時(shí),電容兩端電壓以指數(shù)規(guī)律放電,就可以把存儲(chǔ)的能量釋放出來。經(jīng)過濾波電路向負(fù)載放電,負(fù)載上得到的輸出電壓就比較平滑,起到了平波作用。若采用電感濾波,當(dāng)輸入電壓增高時(shí),與負(fù)載串聯(lián)的電感L中的電流增加,因此電感L將存儲(chǔ)部分磁場(chǎng)能量,當(dāng)電流減小時(shí),又將能量釋放出來,使負(fù)載電流變得平滑,因此,電感L也有平波作用。利用儲(chǔ)能元件電感器L的電流不能突變的特點(diǎn),在整流電路的負(fù)載回路中串聯(lián)一個(gè)電感,使輸出電流波形較為平滑。因?yàn)殡姼袑?duì)直流的阻抗小,交流的阻抗大,因此能夠得到較好的濾波效果而直流損失小。電感濾波缺點(diǎn)是體積大,成本高。橋式整流電感濾波電路如圖3-5所示。電感濾波的波形圖如圖3-6所示。根據(jù)電感的特點(diǎn),當(dāng)輸出電流發(fā)生變化時(shí),L中將感應(yīng)出一個(gè)反電勢(shì),使整流管的導(dǎo)電角增大,其方向?qū)⒆柚闺娏靼l(fā)生變化。3-5電感濾波電路在橋式整流電路中,當(dāng)u2正半周時(shí),D1、D3導(dǎo)電,電感中的電流將滯后u2不到90°。當(dāng)u2超過90°后開始下降,電感上的反電勢(shì)有助于D1、D3繼續(xù)導(dǎo)電。當(dāng)u2處于負(fù)半周時(shí),D2、D4導(dǎo)電,變壓器副邊電壓全部加到D1、D3兩端,致使D1、D3反偏而截止,此時(shí),電感中的電流將經(jīng)由D2、D4提供。由于橋式電路的對(duì)稱性和電感中電流的連續(xù)性,四個(gè)二極管D1、D3；D2、D4的導(dǎo)電角θ都是180°,這一點(diǎn)與電容濾波電路不同。3-5電感濾波電路波形圖已知橋式整流電路二極管的導(dǎo)通角是180°,整流輸出電壓是半個(gè)半個(gè)正弦波,其平均值約為。電感濾波電路,二極管的導(dǎo)通角也是180°,當(dāng)忽略電感器L的電阻時(shí),負(fù)載上輸出的電壓平均值也是。如果考慮濾波電感的直流電阻R,則電感濾波電路輸出的電壓平均值為〔3－1要注意電感濾波電路的電流必須要足夠大,即RL不能太大,應(yīng)滿足wL>>RL,此時(shí)IO〔AV可用下式計(jì)算<3-2>由于電感的直流電阻小,交流阻抗很大,因此直流分量經(jīng)過電感后的損失很小,但是對(duì)于交流分量,在wL和上分壓后,很大一部分交流分量降落在電感上,因而降低了輸出電壓中的脈動(dòng)成分。電感L愈大,RL愈小,則濾波效果愈好,所以電感濾波適用于負(fù)載電流比較大且變化比較大的場(chǎng)合。采用電感濾波以后,延長(zhǎng)了整流管的導(dǎo)電角,從而避免了過大的沖擊電流。

3.5電容濾波原理詳解空載時(shí)的情況當(dāng)電路采用電容濾波,輸出端空載,如圖3-6<a>所示,設(shè)初始時(shí)電容電壓uc為零。接入電源后,當(dāng)u2在正半周時(shí),通過D1、D3向電容器C充電；當(dāng)在u2的負(fù)半周時(shí),通過D2、D4向電容器C充電,充電時(shí)間常數(shù)為

〔a電路圖

〔b波形圖3-6空載時(shí)橋式整流電容濾波電路式中包括變壓器副邊繞組的直流電阻和二極管的正向?qū)娮琛Ｓ捎谝话愫苄?電容器很快就充到交流電壓u2的最大值,如波形圖3-6〔b的t1時(shí)刻。此后,u2開始下降,由于電路輸出端沒接負(fù)載,電容器沒有放電回路,所以電容電壓值uC不變,此時(shí),uC＞u2,二極管兩端承受反向電壓,處于截止?fàn)顟B(tài),電路的輸出電壓,電路輸出維持一個(gè)恒定值。帶載時(shí)的情況圖3-7給出了電容濾波電路在帶電阻負(fù)載后的工作情況。接通交流電源后,二極管導(dǎo)通,整流電源同時(shí)向電容充電和向負(fù)載提供電流,輸出電壓的波形是正弦形。在t1時(shí)刻,即達(dá)到u290°峰值時(shí),u2開始以正弦規(guī)律下降,此時(shí)二極管是否關(guān)斷,取決于二極管承受的是正向電壓還是反向電壓。先設(shè)達(dá)到90°后,二極管關(guān)斷,那么只有濾波電容以指數(shù)規(guī)律向負(fù)載放電,從而維持一定的負(fù)載電流。但是90°后指數(shù)規(guī)律下降的速率快,而正弦波下降的速率小,所以超過90°以后有一段時(shí)間二極管仍然承受正向電壓,二極管導(dǎo)通。隨著u2的下降,正弦波的下降速率越來越快,uC的下降速率越來越慢。所以在超過90°后的某一點(diǎn),例如圖3-7<b>中的t2時(shí)刻,二極管開始承受反向電壓,二極管關(guān)斷。此后只有電容器C向負(fù)載以指數(shù)規(guī)律放電的形式提供電流,直至下一個(gè)半周的正弦波來到,u2再次超過uC,如圖3-7<b>中的t3時(shí)刻,二極管重又導(dǎo)電。以上過程電容器的放電時(shí)間常數(shù)為〔3－3

電容濾波一般負(fù)載電流較小,可以滿足td較大的條件,所以輸出電壓波形的放電段比較平緩,紋波較小,輸出脈動(dòng)系數(shù)S小,輸出平均電壓UO<AV>大,具有較好的濾波特性。

〔a電路圖

〔b波形圖3-7帶載時(shí)橋式整流濾波電路以上濾波電路都有一個(gè)共性,那就是需要很大的電容容量才能滿足要求,這樣一來大容量電容在加電瞬間很有很大的短路電流,這個(gè)電流對(duì)整流二極管,變壓器沖擊很大,所以現(xiàn)在一般的做法是在整流前加一的功率型NTC熱敏電阻來維持平衡,因NTC熱敏電阻在常溫下電阻很大,加電后隨著溫度升高,電阻阻值迅速減小,這個(gè)電路叫軟起動(dòng)電路。這種電路缺點(diǎn)是：斷電后,在熱時(shí)間常數(shù)內(nèi),NTC熱敏電阻沒有恢復(fù)到零功率電阻值,所以不宜頻繁的開啟。3.6小結(jié)為什么整流后加上濾波電容在不帶負(fù)載時(shí)電壓為何升高？這是因?yàn)榧由蠟V波測(cè)得的電壓是含有脈動(dòng)成分的峰值電壓,加上負(fù)載后就是平均值,計(jì)算：峰值電壓=1.414×理論輸出電壓電阻濾波本身有很多矛盾,電感濾波成本又高,故一般線路常采用有源濾波電路,電路如圖3-8。它是由C1、R、C2組成的π型RC濾波電路與有源器件晶體管T組成的射極輸出器連接而成的電路。由圖3-8可知,流過R的電流IR=IE／<1+β>=IRL／<1+β>。流過電阻R的電流僅為負(fù)載電流的1/<1+β>．所以可以采用較大的R,與C2配合以獲得較好的濾波效果,以使C2兩端的電壓的脈動(dòng)成分減小,輸出電壓和C2兩端的電壓基本相等,因此輸出電壓的脈動(dòng)成分也得到了削減。3－8有源濾波電路從RL負(fù)載電阻兩端看,基極回路的濾波元件R、C2折合到射極回路,相當(dāng)于R減小了<1+β>倍,而C2增大了<1+β>倍。這樣所需的電容C2只是一般RCπ型濾波器所需電容的1／β,比如晶體管的直流放大系數(shù)β=50,如果用一般RCπ型濾波器所需電容容量為1000μF,如采用電子濾波器,那么電容只需要20μF就滿足要求了。采用此電路可以選擇較大的電阻和較小的電容而達(dá)到同樣的濾波效果,因此被廣泛地用于一些小型電子設(shè)備的電源之中。24脈波整流電路4.1引言諧波是電力系統(tǒng)的大敵。當(dāng)今流行的大多數(shù)開關(guān)電源,其前置輸入整流部分基本采用不控整流電路。直接接入電網(wǎng)的開關(guān)電源非常多,若不采取有效措施,這種采用二極管整流的不控整流環(huán)節(jié)由于其本身的非線性特性,會(huì)使網(wǎng)側(cè)輸入電流嚴(yán)重畸變,諧波含量多,降低了設(shè)備的電磁兼容性能,給電網(wǎng)及其它用電設(shè)備帶來許多危害,對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生嚴(yán)重的諧波污染。隨著開關(guān)電源設(shè)備功率的增大,這種不控整流裝置所產(chǎn)生的諧波更加嚴(yán)重,對(duì)電網(wǎng)的干擾也隨之加大。在幾十千瓦甚至上百千瓦的大功率場(chǎng)合下,往往采用多相整流技術(shù),即采用增加整流器的輸入相數(shù)的方法,抑制甚至完全消除輸入電流中某些特定次數(shù)的諧波,如12相、18相、甚至24相以上的多相整流電路。最常用的是12脈波整流的方法,雖然傳統(tǒng)的12脈波整流方式可以在輸入電流中消除5、7次諧波,但其輸入電流的THD為11.3％,諧波污染仍較大。24脈波整流機(jī)組產(chǎn)生的諧波電流較12脈波整流諧波含量少,尤其是12脈波整流諧波含量最大的11、13次諧波可減少80%以上是目前比較理想的供電方式.并且24脈波整流機(jī)組具有諧波分量低、電壓波形好、濾波設(shè)備投資少等優(yōu)點(diǎn)。[10]4.2整流原理整流電路的多重聯(lián)結(jié)有并聯(lián)多重聯(lián)接和串聯(lián)多重聯(lián)結(jié)。對(duì)于交流輸入電流來說,采用并聯(lián)多重聯(lián)結(jié)和串聯(lián)多重聯(lián)結(jié)的效果是相同的。采用多重聯(lián)結(jié)不僅可以減少交流輸入電流的諧波,同時(shí)也可以減少直流輸出電壓中的諧波幅值并提高波紋頻率。本文采用四個(gè)三相不可控整流橋移相150構(gòu)成串聯(lián)四重聯(lián)結(jié)的整流電路,利用變壓器二次繞組接法的不同,使四組三相交流電源之間相位錯(cuò)開150,從而使輸出整流電壓ud在每個(gè)交流電源周期中波動(dòng)24次,因此,被成為24脈波整流電路。依上所述,24脈波整流電路即為四個(gè)三相不可控橋電路串聯(lián)而成,那么分析清三相不可控整流電路的基本原理24脈波整流電路的運(yùn)行原理也就清晰了。三相不可控整流電路原理圖如圖4-1所示圖4-1三相不可控整流電路及其波形該電路中,當(dāng)某一對(duì)二極管導(dǎo)通時(shí),輸出直流電壓等于交流側(cè)線電壓中最大的一個(gè),該線電壓既向電容供電,也向負(fù)載供電。當(dāng)沒有二極管導(dǎo)通時(shí),由電容向負(fù)載放電,ud按指數(shù)規(guī)律下降。設(shè)二極管在距線電壓過零點(diǎn)δ角處開始導(dǎo)通,并以二極管VD6和VD1開始導(dǎo)通的時(shí)刻為時(shí)間零點(diǎn),則線電壓為:uab=U2sin<ωt＋δ><4-1>而相電壓為:ua=U2sin<ωt＋δ－π/6><4-2>在ωt=0時(shí),二極管VD6和VD1開始同時(shí)導(dǎo)通,直流側(cè)電壓等于uab；下一次同時(shí)導(dǎo)通的一對(duì)管子是VD1和VD2,直流側(cè)電壓等于uac。這兩段導(dǎo)通過程之間的交替有兩種情況,一種是在VD1和VD2同時(shí)導(dǎo)通之前VD6和VD1是關(guān)斷的,交流側(cè)向直流側(cè)的充電電流id是斷續(xù)的,如圖4-1所示,另一種是VD1一直導(dǎo)通,交替時(shí)由VD6導(dǎo)通換相至VD2導(dǎo)通,id是連續(xù)的。介于二者之間的臨界情況是,VD6和VD1同時(shí)導(dǎo)通的階段與VD1和VD2在ωt＋δ＝2π/3處恰好銜接了起來,id恰好連續(xù)。由"電壓下降速度相等"的原則,可以確定臨界條件。假設(shè)在ωt＋δ＝2π/3的時(shí)刻"速度相等"恰好發(fā)生,則有<4-3>可得

<4-4>

這就是臨界條件。ωRC>和ωRC≤分別是電流id斷續(xù)和連續(xù)的條件。圖4-2給出了ωRC等于和小于時(shí)的電流波形。對(duì)一個(gè)確定的裝置來講,通常只有R是可變的,它的大小反映了負(fù)載的輕重。因此可以說,在輕載時(shí)直流側(cè)獲得的充電電流是斷續(xù)的,重載時(shí)是連續(xù)的,分界點(diǎn)就是R=／〔ωC。一般24脈波整流電路多用于大、中功率場(chǎng)合,所以實(shí)際應(yīng)用中RC>。圖4-2ωRC≤3時(shí)的電流波形ωRC>時(shí),交流側(cè)電流和電壓波形如圖4-2所示,其中δ和θ的求取可仿照單相電路的方法。δ和θ確定之后,即可推導(dǎo)出交流側(cè)線電流ia的表達(dá)式,在此基礎(chǔ)上可對(duì)交流側(cè)電流進(jìn)行諧波分析。以上分析的是理想的情況,未考慮實(shí)際電路中存在的交流側(cè)電感以及為抑制沖擊電流而串聯(lián)的電感。當(dāng)考慮上述電感時(shí),電路的工作情況發(fā)生變化,其電路圖和交流側(cè)電流波形如圖4-3所示,其中圖4-3a為電路原理圖,圖4-3b、c分別為輕載和重載時(shí)的交流側(cè)電流波形。將電流波形與不考慮電感時(shí)的波形比較可知,有電感時(shí)電流波形的前沿平緩了許多,有利于電路的正常工作。隨著負(fù)載的加重,電流波形與電阻負(fù)載時(shí)的交流側(cè)電流波形逐漸接近。圖4－34.3數(shù)據(jù)分析輸出電壓平均值空載時(shí),輸出電壓平均值最大,為:<4-5>隨著負(fù)載加重,輸出電壓平均值減小,至進(jìn)入id連續(xù)情況后,輸出電壓波形成為線電壓的包絡(luò)線,其平均值為Ud=2.34U2?？梢?Ud在2.34U2~2.45U2之間變化。與電容濾波的單相橋式不可控整流電路相比,Ud的變化范圍小得多,當(dāng)負(fù)載加重到一定程度后,Ud就穩(wěn)定在2.34U2不變了。由于24脈波整流為4個(gè)三相不可控制整流電路的串聯(lián),則可得24脈波整流電路的空載時(shí)的輸出電壓平均值為:U=4U2<4-6>電流平均值輸出電流平均值IR為：IR=Ud/R<4-7>

與單相電路情況一樣,電容電流iC平均值為零,因此：Id=IR<4-8>

在一個(gè)電源周期中,id有6個(gè)波頭,流過每一個(gè)二極管的是其中的兩個(gè)波頭,因此二極管電流平均值為Id的1/3,即：IVD=Id/3=IR/3

<3>二極管承受的電壓二極管承受的最大反向電壓為線電壓的峰值,為。4.424脈波整流電路變壓器連接方式等效24脈波整流電路由兩個(gè)12脈波整流電路構(gòu)成,12脈波整流由兩個(gè)6脈波3相不可控整流橋并聯(lián)組成。其中一個(gè)3相整流橋接向整流變壓器二次側(cè)星形繞組,另一個(gè)3相整流橋接向整流變壓器的二次側(cè)三角形繞組。因?yàn)槊颗_(tái)整流變壓器二次側(cè)星形繞組和三角形繞組相對(duì)應(yīng)的線電壓相位錯(cuò)開π/6,于是可以得到兩個(gè)三相橋并聯(lián)組成的12脈波整流電路。當(dāng)供給兩個(gè)12脈波整流器的整流變壓器高壓網(wǎng)側(cè)并聯(lián)的繞組分別采用±7.5°外延三角形聯(lián)接時(shí),兩套整流器并聯(lián)運(yùn)行即可構(gòu)成等效24脈波整流器。圖4-4為移相變壓器的移相原理圖與向量圖,圖中上面組變壓器高壓側(cè)采用左延接法,如向量圖左圖所示,加入延邊繞組之后,A相電壓較加入延邊繞組之前移相；下面組變壓器采用右延接法,如向量圖右圖所示,同樣可以看出加入延邊繞組之后移相。兩組變壓器閥側(cè)繞組均采用星-三角接法,這樣閥側(cè)繞組線電壓幅值相等,只是相差一定的相位。閥側(cè)繞組分別接到3相整流橋,采用串聯(lián)聯(lián)連接,就形成了24脈波電路,每個(gè)脈波相差的相角。整流電路的原理如圖4-5,圖中整流變壓器副邊輸出電壓T1超前T2相位角。圖4-4移相變壓器原理圖與向量圖圖4-5整流原理圖4.5仿真MATLAB是當(dāng)今國(guó)際上公認(rèn)的在科技領(lǐng)域方面最為優(yōu)秀的應(yīng)用軟件和開發(fā)環(huán)境。從1984年正式版本的推出到現(xiàn)在,MATLAB經(jīng)受住了用戶的多年考驗(yàn)。在歐美各高等院校,MATLAB已經(jīng)成為應(yīng)用線性代數(shù)、自動(dòng)控制理論、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、數(shù)字信號(hào)處理、時(shí)間序列分析、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真、圖像處理等高級(jí)課程的基本教學(xué)工具,是攻讀學(xué)位的大學(xué)生、碩士生、博士生必須掌握的基本技能。仿真步驟1、建立仿真模型、提取元器件模塊。首先需要從模型庫(kù)中提取元器件模塊放到Simulink的仿真平臺(tái)上。提取模塊的方法是在打開的Simulink界面上,點(diǎn)擊工具欄上快捷鍵圖表,打開模型庫(kù)瀏覽器<SimulinkLibrayBrowser>。在模型庫(kù)瀏覽器中的樹狀目錄中逐級(jí)打開子目錄,電擊選中的模塊,將需要的模塊用鼠標(biāo)拖拉到Simulink的仿真平臺(tái)上。連接仿真電路。模塊放到仿真平臺(tái)上后需要將模塊排列到合適位置上方法是:點(diǎn)擊模塊,模塊四角出現(xiàn)四個(gè)小黑色四方塊,表示模塊已經(jīng)被選中。連接模塊的方法是:將光標(biāo)箭頭指向模塊的輸出端,對(duì)準(zhǔn)后光標(biāo)變成"+"字形,按下鼠標(biāo)左鍵拖曳"+"到另一個(gè)模塊的輸入端后松開鼠標(biāo)左鍵,這樣在兩個(gè)模塊輸出和輸入端之間就出現(xiàn)了帶箭頭的連線,箭頭表示信號(hào)的流向。2、設(shè)置模塊參數(shù)雙擊需要設(shè)置參數(shù)的模塊,就會(huì)彈出參數(shù)對(duì)話框,按對(duì)話框提示輸入各項(xiàng),完畢后點(diǎn)擊OK,該模塊參數(shù)設(shè)置完畢。3、設(shè)置仿真參數(shù)仿真參數(shù)是指仿真的步長(zhǎng)、時(shí)間和選取仿真的算法等,這是仿真開始前必須設(shè)定的。點(diǎn)擊Simulink窗口菜單上的SimulationParameters命令或用鍵盤Ctrl+E鍵。啟動(dòng)仿真在菜單Simulink的子菜單中點(diǎn)擊"Start"或用鍵盤Ctrl+T即可進(jìn)入仿真。觀測(cè)仿真結(jié)果雙擊示波器<Scope>就可以打開示波器觀察以波形表示的仿真結(jié)果。為了驗(yàn)證理論推導(dǎo)的正確性,使方案電路得到更可信的驗(yàn)證,將電路在MATLAB上進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。使用軟件對(duì)MATLAB圖4-2中的電路進(jìn)行建模仿真,仿真電路圖如圖4-3所示。電路仿真參數(shù)如表4-1所示。表4-1電路仿真參數(shù)參數(shù)名稱參數(shù)取值輸入電壓電頻率50HZ輸入電壓幅值100V負(fù)載電容10e-6F電阻5歐姆圖4－624脈波整流電路仿真電路4.6仿真結(jié)果與分析如圖4－7所示為24脈波整流電路空載時(shí)的電壓波形,通過下圖可以很清楚的看出在一個(gè)周期內(nèi)有24個(gè)波頭,電壓在658.7～663.5之間波動(dòng)。圖4－724脈波整流電路電壓空載波形如圖4－8所示為24脈波整流電路加入電阻與電容時(shí)的仿真波形,電壓在657～662.5范圍內(nèi)波動(dòng)。圖4－824脈波整流電路電壓波形〔帶電阻電容如圖4－9所示為24脈波整流電路加入電容無電阻負(fù)載時(shí)電壓脈動(dòng)很小,在663.35～663.48范圍內(nèi)波動(dòng),已經(jīng)接近直流。圖4－924脈波整流電路電壓波形〔有電容無電阻負(fù)載圖4－10為12脈波整流電路的電壓波形,相比24脈波整流電路的電壓波形而言波動(dòng)范圍明顯較大,其直流特性不如24脈波整流電路好。圖4－1012脈波整流電路電壓波形4.7結(jié)論本文介紹了24脈波整流電路的基本原理、組成方式。以該電路的基本組成三相不可控整流電路進(jìn)行分析,從而得出24脈波整流電路的輸出電壓.接著介紹了24脈波整流電路變壓器的連接方式.通過MATLAB對(duì)24脈搏波整流電路進(jìn)行了建模,分空載、帶電阻電容、有電容無電阻三種情況進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明24脈波整流電路具有較好的直流特性,整流后的輸出電壓脈動(dòng)很小,加入電容進(jìn)行濾波后直流效果更好。文中又與12脈波整流電路的波形進(jìn)行比較,顯然,24脈波整流電路的輸出波形要比12脈波整流電路的輸出波形脈動(dòng)小的多。第五章整流變壓器保護(hù)5.1引言整流變壓器在不管在電網(wǎng)系統(tǒng)中還是設(shè)備的運(yùn)行中都處于非常重要的位置,對(duì)其的保護(hù)設(shè)置應(yīng)當(dāng)盡量全面,以防止事故的發(fā)生減少對(duì)電網(wǎng)的損害和造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。根據(jù)地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范,整流機(jī)組由一次側(cè)交流高壓斷路器實(shí)現(xiàn)保護(hù)。整流變壓器應(yīng)設(shè)置繞組相間短路保護(hù)、外部短路的過流保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)和溫度保護(hù)。整流器需設(shè)置內(nèi)部短路保護(hù)、元件故障保護(hù)和溫度保護(hù)。5.2變壓器的保護(hù)設(shè)置電流速斷保護(hù)是整流變壓器的主要保護(hù)。它是保證在整流變壓器繞組范圍內(nèi)發(fā)生嚴(yán)重短路故障時(shí),以最短的動(dòng)作時(shí)限,迅速切除故障點(diǎn)的電流保護(hù),并且是按照系統(tǒng)最大運(yùn)行方式的條件下,躲開變壓器二次側(cè)出線端發(fā)生三相金屬性短路時(shí)的短路電流而整定的。當(dāng)速斷保護(hù)動(dòng)作時(shí),瞬時(shí)使斷路器跳閘,并切除故障。過流保護(hù)是變壓器的后備保護(hù),是按照躲開可能發(fā)生的最大負(fù)荷電流而整定的,應(yīng)能躲過機(jī)車的自啟動(dòng)電流。當(dāng)繼電保護(hù)中流過的電流達(dá)到保護(hù)整值的整定電流時(shí),經(jīng)過整定延時(shí)后使斷路器跳閘。為了使整流變壓器安全運(yùn)行,使其運(yùn)行壽命不低于設(shè)計(jì)使用年限。整流變壓器設(shè)置了過負(fù)荷保護(hù)。過負(fù)荷保護(hù)是按照變壓器的額定電流或限定的最大負(fù)荷電流而整定的。當(dāng)電力變壓器的負(fù)荷電流超過額定值而達(dá)到繼電保護(hù)的整定電流時(shí),經(jīng)過整定延時(shí),發(fā)出過負(fù)荷信號(hào),值班人員可根據(jù)該信號(hào)對(duì)變壓器的運(yùn)行負(fù)荷加以調(diào)整和控制,防止長(zhǎng)期過負(fù)荷而加速繞組老化。為了監(jiān)視整流變壓器運(yùn)行溫度,設(shè)置了溫度保護(hù),它分為警報(bào)和跳閘2種整定狀態(tài)。5.3整流器的保護(hù)設(shè)置整流器二極管的保護(hù)<1>為了在整流器內(nèi)部短路時(shí)能及時(shí)采取措施,我們將每個(gè)整流二極管串聯(lián)1個(gè)快速熔斷器。當(dāng)二極管失去單向性能時(shí),產(chǎn)生變壓器二相短路,回路中將產(chǎn)生短路電流,此時(shí)由二極管熔絲熔斷來保護(hù)?？焖偃蹟嗥鲙в薪狱c(diǎn),熔斷后能給出信號(hào)用于報(bào)警或跳閘。整流器每臂并聯(lián)有數(shù)個(gè)二極管,當(dāng)同一個(gè)臂內(nèi)有1個(gè)熔絲熔斷時(shí),發(fā)出報(bào)警信號(hào),超出1個(gè)時(shí)發(fā)跳閘信號(hào)。<2>為了防止過壓損壞二極管,可分別設(shè)置相應(yīng)的過壓保護(hù)。在二極管兩端并聯(lián)RC電路,防止換相過壓損壞二極管,構(gòu)成換相過壓保護(hù)；在交流側(cè)加RC過壓抑制回路和氧化鋅壓敏電阻,防止交流側(cè)開關(guān)操作或變壓器感應(yīng)產(chǎn)生過壓損壞二極管,構(gòu)成交流側(cè)過壓保護(hù)；<3>在直流側(cè)加裝Rc過壓抑制回路和放電回路,防止直流快速開關(guān)或斷路器開合時(shí)產(chǎn)生操作過壓損壞二極管,并在整流器輸出端并聯(lián)一個(gè)壓敏電阻,抑制殘余的過壓,構(gòu)成直流側(cè)過壓保護(hù)。整流器自身保護(hù)<1>為了防止整流器溫度過高,在整流器預(yù)測(cè)溫度最高的元件散熱器或銅母排上設(shè)置溫度傳感器元件,用于監(jiān)視元件散熱器或銅母排的溫度,能分級(jí)設(shè)定報(bào)警和跳閘溫度值,并發(fā)出報(bào)警和跳閘信號(hào)。整流機(jī)組正常運(yùn)行時(shí),把電壓為35kV<33kV>的交流電轉(zhuǎn)換成1500V的直流電,然后