基于Simulink三相桥式整流电路及其滤波器的设计(精)

2013届本科毕业设计三相桥式整流电路及其滤波器的设计院（系）名称物理与电子信息学院专业名称电气工程及其自动化学生姓名学号指导教师完成时间2013年5月8日三相桥式整流电路及其滤波器的设计物理与电子信息学院电气工程及其自动化专业学号：指导教师：摘要：本文在对三相桥式全控整流电路的理论分析的基础上，采用Matlab的可视化仿真工具Simulink建立了三相桥式全控整流电路的仿真模型，对输出电压、电流、控制角、以及负载特性进行了动态仿真与研究。仿真结果和理论计算结果一样，从而证明了仿真结果的有效性和精确性，加深了对三相桥式整流电路的认识和理解，同时对系统的的无功和谐波进行了仿真分析；然后根据无功补偿和滤波的需要提出了无源滤波器的参数确定方法；接着设计出了各次无源滤波器，并将其接入系统，通过仿真分析验证其无功补偿和滤波的可行性，达到了对三相交流电整流和对谐波电流滤除的效果。关键词：整流电路；Simulink；谐波；无源滤波DesignofThree-phaseBridgeRectifierCircuitandFilterCollegeofPhysicsandElectronicInformationElectricalEngineeringandAutomationNo:Tutor:Abstract:Thepaperbasedontheanalysisofthethree-phasebridgecontrolledrectifiercircuittheory,UsingthevisualizationsimulationtoolSimulinkofMatlabestanlishthree-phasebridgecontrolrectifiercircuit.Thedynamicsimulationandanalysisofontputvoltage，current,andloadcharacteristicwereperformed.thesamearesimulationresultsandtheoreticalcalculationresults,demonstratingtheaccuracyandeffectivenessofthesimulationresults,atthesametimedeepingtheunderstandingofthethree-phasebridgerectifiercircuit,andthensimulintandanalyzethereactivepowerandharmonicsofsystembeforefiltering;Secondlydeterminetheparametersofpassiveharmonicfilters;Thirdlyconnectthefilterstothesystemtosimulateandanalyzetheeffectofreactivepowercompensationandharmonicsuppression,reachedtotheeffectofthethree-phasealternatingcurrentrectifierandtheharmoniccurrentfilter.Keywords:Rectifiercircuit;Simulink;Harmonic;Passivefilter目录摘要11引言32基于Simulink的三相桥式整流电路建模及仿真分析32.1三相桥式整流电路原理32.2三相桥式整流电路建模及参数设置42.2.1Matlab/Simulink简介42.2.2基于Simulink的建模52.3三相桥式整流电路的Simulink的仿真分析52.3.1在纯电阻负载时不同触发角的仿真分析52.3.2在电阻电感负载时不同触发角的仿真分析83三相桥式整流电路的谐波电流的分析及滤除113.1谐波概念及产生原因和危害113.2三相桥式整流电路的谐波电流的仿真分析133.3滤除谐波的方法简介与应用143.3.1常用无源滤波器的设计153.3.2单调谐滤波器的原理及特性153.3.3双调谐滤波器的原理及特性163.3.4高通滤波器的原理及特性164三相桥式整流电路滤波电路的设计仿真174.1三相桥式整流电流在电阻负载及特定触发角下装置的谐波和功率分析184.2确定补偿容量及各个滤波器的按比例分配的补偿的无功功率184.3单调谐滤波器及高通滤波器的相关计算195结束语21参考文献21致谢221引言整流电路[1]是电力电子电路中出现最早的一种，它将交流电变为直流电，应用十分广泛，电路形式多种多样，各具特色。可以从各种角度对整流电路进行分类，主要分类方法有：按组成的器件可分为不可控、半控、全控三种；按电路结构可分为桥式电路和零式电路；按交流输入相数分为单相电路和多相电路；按变压器二次侧电流的方向是单相或双向，又分为单拍电路和双拍电路。本文就对三相桥式整流电路进行设计，因为三相桥式整流电路，是电力电子技术中最为重要，也是应用最为广泛的电路。不仅应用与一般工业，也广泛应用于交通运输、电力系统、通信系统、能源系统、及其他领域。常用的三相整流电路有三相桥式不可控整流电路、三相桥式半控整流电路和三相桥式全控整流电路，由于整流电路涉及到交流信号、直流信号以及触发信号，同时包含晶闸管、电容、电感、电阻、等多种原件，采用常规电路分析相当繁琐，高压情况下试验也很难进行。因此本文采用Matlab提供的可视化仿真工具Simulink可直接建立电路的仿真模型，随意改变仿真参数，并且可以立即得到仿真结果，直观性强。本文利用Simlink对三相桥式全控整流电路进行建模，对不同控制角，不同负载情况下进行了仿真分析，同时对交流侧电流进行FFT分析，得出三相桥式全控整流电路产生6K±1次谐波，主要是5次及7次谐波，由于谐波的危害十分严重。谐波使电能的生产，传输和利用的效率降低，使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁，同时谐波还可引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁。谐波还会引起继电保护和自动装置误动作，使电能计量出现混乱对于电力系统外部，谐波对通信设备和电子设备会产生严重干扰，所以对整流产生的谐波必须滤除，以减少电力电子装置对电网的谐波污染。2基于Simulink的三相桥式整流电路建模及仿真分析2.1三相桥式整流电路原理三相桥式全控整流电路原理图如图1所示。三相桥式全控整流电路是由三相半波整流电路演变而来的，它由三相半波共阴极接法（VT1、VT3、VT5）和三相半波共阳极接法（VT4、VT6、VT2）的串联组合。TrVT4VT6VT2id负载VT1VT3VT5图1三相桥式整流电路原理图其工作特点是任何时刻必须有不同组别的两支晶闸管同时导通，构成电流通路，因为保证电路启动和电流断续后能正常导通，必须对不同组别应到的导通的一对晶闸管同时加触发脉冲，所以触发脉冲按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，相位依次差60°，共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次相差120°，共阳极组VT4、VT6、VT2依次相差120°。同一相的上下两个桥臂，即VT1和VT4、VT3和VT6、VT5和VT2，脉冲差180°。要使电路正常工作，需保证应同时导通的2个晶闸管均有脉冲，常用的方法有两种：一种是宽脉冲触发，它要求触发脉冲宽度大于60°，另一种是双窄脉冲触发，即触发一个晶闸管时，向一个小序号的晶闸管补发脉冲。宽脉冲触发要求功率大，易使脉冲变压器饱和，所以多采用双窄脉冲。2.2三相桥式整流电路建模及参数设置2.2.1Matlab/Simulink简介Matlab是美国MathWorks公司80年代推出的一种数值型计算软件，它集科学计算、自动控制、信号处理、神经网络和图像处理等功能于一体，具有编程效率高、图形功能强等优点。近年来，它已经发展成为适合多学科、多种工作平台的功能强大的大型仿真软件。Matlab提供的可视化仿真工具Simulink用来对动态系统进行建模、仿真和分析，支持连续时间、离散时间及两者混合的线性、非线性系统，也支持多变量、多速率的系统，具有模块化、可重载、可封装和图形化编程等特点。大大提高了系统仿真的效率和可靠性。Simulink提供了丰富的模型库供仿真使用，其中包含本文重点应用的PowerSystemBlock。PowerSystemBlock[2]的功能非常强大，可以用于电路、电力电子系统、电机系统、电力传输等过程的仿真提供了一种类似电路建模的方式进行模型绘制，在仿真前自动将其变化成状态方程描述的系统形式，然后在Simulink下进行仿真分析。2.2.2基于Simulink的建模三相桥式全控整流电路的原理可以利用Simulink的模块建立仿真模型如下图所示。图2三相桥式整流电路建模图系统参数的设置：(电源参数设置：三相交流电源的电压峰值为，频率为，相位分别为、°、°。三相晶闸管整流器参数设置：使用默认值。六脉冲发生器设置：频率为，脉冲宽度取°，取双脉冲触发方式。触发角设置：可以根据需要将设置为°、°、°等。采用变步长算法。仿真时间：单位：。2.3三相桥式整流电路的Simulink的仿真分析设置仿真时间0.06s，数值算法采用ode15s(stiff/NDF。启动仿真，根据三相桥式全控整流电路的原理图，对不同负载（在电阻性负载时R=10Ω，在电阻电感负载时R=10Ω、L=0.09H）及不同的触发角α会影响输出电压及输出电流进行仿真。2.3.1在纯电阻负载时不同触发角的仿真分析图3在时电阻负载的波形图4在时电阻负载的波形图5在时电阻负载的波形图6在时电阻负载的波形图7在时电阻负载的波形三相全控桥式整流电路电阻性负载小结：(1任何时候共阴、共阳极组各有一个元件同时导通构成通路。(2输出电压由六段线电压组成每周期脉动六次，每周期脉动频率300HZ。(3共阴极组晶闸管VT1、VT3、VT5，按相序依次触发导通，相位相差120°，共阳极组晶闸管VT4、VT6、VT2，相位相差120°。同一相的晶闸管相位相差180°每个晶闸管导通角为120°。(4输出电压及电流的波形一样。(5在时输出电压及电流连续，在时输出电压及电流断续。(6在时输出电压及电流为零，说明三相桥式全控整流电路带电阻负载晶闸管触发角移相最大值为120°。2.3.2在电阻电感负载时不同触发角的仿真分析图在°时电阻电感负载的波形图在°时电阻电感负载的波形图在°时电阻电感负载的波形图在°时电阻电感负载的波形三相全控桥式整流电路电阻电感负载小结：(1在°时，工作情况与带电阻负载时十分相似，区别在于电阻电感负载中的电感的作用，使得负载电流波形变得平直，当电感设置的足够大时，负载电流波形可近似为一条直线。(2在°时,电阻电感负载和电阻负载不同之处是，电感性负载由于电感的存在，输出电压波形会出现负的部分。(3在电阻电感负载是，三相桥式全控整流电路的触发角移相范围为90°，有图中波形可知，在°中输出电压波形上下对称，平均值为零。3三相桥式整流电路的谐波电流的分析及滤除3.1谐波概念及产生原因和危害在供用电系统中，通常总是希望交流电压和电流呈正弦波形。正弦波电压可表示为u(t=Usin(ωt+φu(1式(1中，U为电压有效值；φu初相角；ω角为频率，ω=2πf；f为频率；T为周期。当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、积分和微分关系，仍为同频率的正弦波。但当正弦波电压施加在非线性电路上时，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，非正弦波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=2π/