24脉波整流电路的设计和分析.docx
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24脉波整流电路的设计和分析
xxxx大学
毕业设计（论文）任务书
课题名称
24脉波整流电路的设计与分析
学院
电气学院
专业班级
电气工程及其自动化0x2班
姓名
欧耶
学号
6444344444
毕业设计（论文）的工作内容:
1、整流电路的基础理论介绍;
2、整流谐波的危害及治理;
3、滤波电路的原理及作用介绍
4、24脉波整流电路的原理、设计以及仿真分析;
5、整流变压器保护
起止时间：
20
年
2
月
14
日至
20
年
6
月
13
日共
16
周
指导教师
签字
系主任
签字
院长
签字
摘要
AC/DC变换器是电力电子装置中最为常用的一种变换器，为了减小其对电网的污染,提高功率因数，在中、高功率场合下通常采用多脉波二极管整流技术,可以降低设备成本，提高效率，并且不会产生额外的EMI。
整流电路是高压直流电源系统中的重要组成部分。
整流电路的设计、结构特点和保护方式关系到整个高压直流电源系统的正常运行。
本文介绍了整流电路中最新流行的24脉波整流电路的构成原理、特点、谐波危害治理及保护配置。
文中首先介绍了整流电路的基本理论知识并对几个基本整流电路进行分析，接着介绍了整流电路谐波的危害及治理和滤波电路，最后详细介绍了24脉波整流电路的原理，并对整流电路通过MATLAB对该电路进行了仿真。
经过理论分析、仿真研究,证实了该电路的合理性和可靠性,与传统的12脉波整流相比24脉波整流具有有效减小输入电流谐波含量、提高功率因数的优点。
关键词:
整流、谐波、仿真、保护
Abstract
AC/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
第一章绪论
1.1引言
电能的变换电路有AC/DC、DC/DC、DC/AC和AC/AC四种。
其中，AC/DC变换电路俗称整流电路，它是将交流电能变换为直流电能的电路。
整流电路主要用于充电、电镀、电解及直流调速等领域目前，采用快速自关断器件的高频整流器能达到功率因数接近1，正在逐步取代传统的相控整流器。
整流电路可以直接为要求较低的电力电子装置提供直流电能。
在大多数情况下，整流电路作为电网与电力电子装置的接口电路，构成直流稳压电源，为电力电子装置提供高质量的直流电能。
电力网供给用户的是交流电,而各种电气设备需要直流电.整流技术正好为这种转换提供了方便.利用具有单向导电特性的器件,可以把方向和大小交变的电流变换为直流电整流。
电路的发展可以分为四个阶段：
（1）旋转式变流机组，即电动机-发电机组。
（2）电子管和离子管整流器。
（3）半导体二极管整流器。
（4）可控整流器。
其中包括晶闸管构成的相位控制型整流器和VMOSFET、IGBT构成的PWM控制型整流器。
1.2整流的定义
整流电路是一种把交流电源电压转换成所需的直流电压的一种电路。
将交流电转换为直流电的过程又叫AC/DC变换。
这种变换的功率流向是双向的,功率流向由交流电源流向负载的变换称之为”整流”,功率流向负载流向电源的变换称之:
有源逆变。
→→
表1-1整流电路组成
整流电路是电力电子技术中出现最早的一种变换电路,应用十分广泛,电路形式多种多样,各具特色。
传统的方法是采用晶闸管作为主控元件,通过对晶闸管触发相位的控制,从而达到控制输出直流电压的目的,这样的电路称之为相控整流电路。
1.3整流电路的分类
1、按组成的器件可分为半控不可控电路、半控电路、全控电路三种。
1）不可控整流电路完全由不可控二极管组成，电路结构一定之后其直流整流电压和交流电源电压值的比是固定不变的。
2）半控整流电路由可控元件和二极管混合组成，在这种电路中，负载电源极性不能改变，但平均值可以调节。
3）在全控整流电路中，所有的整流元件都是可控的（SCR、GTR、GTO等），其输出直流电压的平均值及极性可以通过控制元件的导通状况而得到调节，在这种电路中，功率既可以由电源向负载传送，也可以由负载反馈给电源，即所谓的有源逆变。
2、按电路结构可分为零式电路和桥式电路
1）零式电路指带零点或中性点的电路﹐又称半波电路。
它的特点所有整流元件的阴极（或阳极）都接到一个公共接点﹐向直流負载供电﹐負载的另一根线接到交流电源的零点。
2）桥式电路实际上是由两个半波电路串联而成﹐故又称全波电路。
3、按电网交流输入相数分为单相电路、三相电路和多相电路。
1）对于小功率整流器常采用单相供电。
单相整流电路分为半波整流,全波整流,桥式整流及倍压整流电路等。
2）三相整流电路是交流测由三相电源供电，负载容量较大,或要求直流电压脉动较小,容易滤波。
三相可控整流电路有三相半波可控整流电路，三相半控桥式整流电路，三相全控桥式整流电路。
因为三相整流裝置三相是平衡的，输出的直流电压和电流脉动小，对电网影响小，且控制滞后時间短，采用三相全控桥式整流电路时，输出电压交变分量的最低频率是电网频率的6倍，交流分量与直流分量之比也较小，因此滤波器的电感量比同容量的单相或三相半波电路小得多。
另外，晶闸管的额定电压值也较低。
因此，这种电路适用于大功率变流装置。
3）多相整流电路随著整流电路的功率进一步增大（如轧钢电动机，功率达数兆瓦），为了减轻对电网的干扰，特別是减轻整流电路高次谐波对电网的影响，可采用十二相、十八相、二十四相,乃至三十六相的多相整流电路。
采用多相整流电路能改善功率因数﹐提高脉动频率﹐使变压器初级电流的波形更接近正弦波﹐从而显著减少谐波的影响。
理论上，随着相数的增加，可进一步削弱谐波的影响。
多相整流常用在大功率整流领域，最常用的有双反星中性点带平衡电抗器接法和三相桥式接法。
4、按变压器二次侧电流的方向是单向或双向，又分为单拍电路和双拍电路。
其中所有半波整流电路都是单拍电路，所有全波整流电路都是双拍电路。
5、按控制方式可分为相控式电路和斩波式电路（斩波器）；
1）通过控制触发脉冲的相位来控制直流输出电压大小的方式称为相位控制方式，简称相控方式。
2）斩波器就是利用晶闸管和自关断器件来实现通断控制，将直流电源电压断续加到负载上，通过通、断的时间变化来改变负载电压平均值，亦称直流-直流变换器。
它具有效率高、体积小、重量轻、成本低等优点，广泛应用于直流牵引的变速拖动中，如城市电车、地铁、蓄点池车等。
斩波器一般分降压斩波器，升压斩波器和复合斩波器三种。
6、按引出方式的不同分中点引出整流电路，桥式整流电路，带平衡电抗器整流电路，环形整流电路，十二相整流电路。
1）中点引出整流电路分：
单脉波（单相半波），两脉波（单相全波），三脉波（三相半波），六脉波（六相半波）
2）桥式整流电路分：
两脉波（单相）桥式，六脉波（三相）桥式
3）带平衡电抗器整流电路分：
一次星形联结的六脉波带平衡电抗器电路（即双反星带平衡电抗器电路），一次角形联结的六脉波带平衡电抗器电路
4）十二相整流电路分：
二次星、三角联结，桥式并联（带6f平衡电抗器）单机组十二脉波整流电路；二次星、三角联结，桥式串联十二脉波整流电路；桥式并联等值十二脉波整流电路；双反星形带平衡电抗器等值十二脉波整流电路。
1.4各整流电路分析
1.4.1单向半波整流电路
电路图如图1-1所示：
此为纯电阻负载的半相整流电路。
二极管为理想二极管。
图1-1纯电阻负载的半相整流电路
1、工作原理：
（1）在变压器次级绕组电压u2为正半周时，二极管导通，则负载上的电压u0、二极管的管压降uD、流过负载的电流iO和二极管的电流iD为：
uD=0
（1-1）
（2）在负半周时，二极管截止。
则：
，
，
它的整流波形如图1-2所示：
因为电路只在交流的半个周期二极管导通，才有电流流过负载。
因此它被称为半相整流电路。
图1-2半相整流电路波形图
2、直流电压和直流电流的计算
输出直流电压为：
其中：
U2为变压器次级输出电压的有效值。
输出直流电流为：
注：
流过二极管的电流即为输出电流。
3、选管原则
根据二极管的电流和二极管所承受的最大反向峰值电压进行选择。
即：
二极管的最大整流电流：
；它的最大反向工作电压
4、RL负载的特点
整流电压出现负的部分,在电压与电流同向时，电源输出电能,电能一部分在电阻上消耗，一部分在电感转化成磁场能储存起来;在电压与电流方向不一致时,电感输出电能，一部分在电阻上消耗，一部分回馈给电源并经变压器送回电网。
当负载角ψ越趋近于,电感储能越多,整流电压负半周的面积就越接近相等,这样平均电压就越接近0。
由于这一特点,在大电感时,无论整流输入电压,还是整流输出平均电压都很小,出现输出电压平均值都很小,但是整流电路仍有大电流输出的矛盾。
为解决这一矛盾，一般在单相半波整流RL负载的两端并联一个续流二极管。
1.4.2单向全半波整流电路
将两个半波整流电路组合起来即组成全波整流电路，在此不再详述。
1.4.3单向桥式半波整流电路
1、电路图如1-3所示：
我们采用桥式整流电路时只需要一个次级绕组，这就克服了全波整流电路的缺点。
图1-3桥式整流电路
工作原理:
u2正半周时，D1、D2导通，D3、D4截止；u2负半周时，D1、D2截止，D3、D4导通。
流过负载的电流方向一致的。
注：
除管子所承受的最大反向电压不同于全波整流外，其它参数均与全波整流电路相同
2、直流电压和直流电流的计算
直流电压为：
；直流电流为：
（1-2）
由于输入电网电压的波动和负载变化时输出电压也随之变化，因此我们需要一种稳压电路。
1.4.4三相半波可控整流电路
1. 电阻负载
（1）工作原理
三相半波可控整流电路如图（1-4）所示。
为得到零线，变压器二次侧必须接成星形，而一次侧接成三角形，避免3次谐波电流流人电网。
三个晶闸管分别接入a、b、c三相电源，它们的阴极连接在一起，称为共阴极接法，这种接法触发电路有公共端，连线方便。
图1-4三相可控整流电路图
将电路中的晶闸管换作二极管，并用VD表示，该电路就成为三相半波不可控整流电路，以下首先分析其工作情况。
此时，三个二极管对应的相电压中哪一个的值最大，则该相所对应的二极管导通，并使另两相的二极管承受反压关断，输出整流电压即为该相的相电压，波形如图（1-5d）所示。
在一个周期中，器件工作情况如下：
在ωt1～ωt2期间，α 相电压最高，VD1导通，ud=ua；在ωt2～ωt3期间，b 相电压最高，VD2导通，ud=ub；在ωt3～ωt4期间，c 相电压最高，VD3导通，ud=uc。
此后，在下一周期相当于ωt1的位置即ωt4时刻，VD1又导通，重复前一周期的工作情况。
如此，一周期中VD1、VD2、VD3轮流导通，每管各导通120o。
ud波形为三个相电压在正半周期的包络线。
图1-5三相半波可控整流电路共阴极接法电阻负载时的电路
在相电压的交点ωt1、ωt2、ωt3处，均出现了二极管换相，即电流由一个二极管向另一个二极管转移，称这些交点为自然换相点。
对三相半波可控整流电路而言，自然换相点是各相晶闸管能触发导通的最早时刻，将其作为计算各晶闸管触发角 α 的起点，即α=0o，要改变触发角只能是在此基础上增大，即沿时间坐标轴向右移。
若在自然换相点处触发相应的晶闸管导通，则电路的工作情况与以上分析的二极管整流工作情况一样。
由单相可控整流电路可知，各种单相可控整流电路的自然换相点是变压器二次电压u2的过零点。
当α = 0o时，变压器二次侧 a 相绕组和晶闸管VT1的电流波形如图（1-5e）所示，另两相电流波形形状相同，相位依次滞后120o，可见变压器二次绕组电流有直流分量。
图（1-5f）是VT1两端的电压波形，由3段组成：
第1段,VT1导通期间，为一管压降，可近似为uVT1=0；第2段，在VT1关断后,，VT2导通期间，uVT1=ua－ub=uab,为一段线电压；第3段，在VT3导通期间，uVT1=ua－uc=uac为另一段线电压。
即晶闸管电压由一段管压降和两段线电压组成。
由图可见，α = 0o时，晶闸管承受的两段线电压均为负值，随着 α 增大，晶闸管承受的电压中正的部分逐渐增多。
其他两管上的电压波形形状相同，相位依次差120o。
增大 α 值，将脉冲后移，整流电路的工作情况相应地发生变化。
图（1-6）是α=30o时的波形。
从输出电压、电流的波形可看出，这时负载电流处于连续和断续的临界状态，各相仍导电120o。
图1-6三相半波可控整流电路,
如果α>30o，例如α=60o时，当导通一相的相电压过零变负时，该相晶闸管关断。
此时下一相晶闸管虽承受正电压，但它的触发脉冲还未到，不会导通，因此输出电压电流均为零，直到触发脉冲出现为止。
这种情况下，负载电流断续，各晶闸管导通角为90o，小于120o
若α角继续增大，整流电压将越来越小，α＝150o时，整流输出电压为零。
故电阻负载时 α 角的移相范围为150o。
（2）负载电压
整流电压平均值的计算分两种情况：
1） α≤30o时，负载电流连续，有
（1-3）
当 α = 0 时，Ud 最大，为 Ud=Ud0＝1.17U2.
2）α>30o 时,负载电流断续，晶闸管导通角减小，此时有
（1－4）
负载电流平均值为
（1－5）
晶闸管承受的最大反向电压，由图1e）不难看出为变压器二次线电压峰值，即
（1－6）
由于晶闸管阴极与零线间的电压即为整流输出电压 ud,其最小值为零,而晶闸管阳极与阴极间的最大正向电压等于变压器二次相电压的峰值,即
（1－7）
第二章整流谐波的危害及治理
2.1引言
整流装置是电网的主要非正弦受电设备。
即使电网供电电压为理想正弦波，由于整流阀的单向导电作用，在正反向作用下其电阻值迥然不同，因而整流装置从电力系统取用的电流也是非正弦的。
这种非正弦电流波形,根据系统参数、整流相数、接线和运行条件的不同而发生很大畸变。
将这些电流波形按富氏级数可以分解为基波及一系列不同频率和振幅的谐波，因而整流装置是从电力系统取用谐波电流的受电设备。
整流装置从电网中取用的非正弦电流，流经系统中包括发电机、输电线、变压器在内的各种阻抗元件，必然产生非正弦的电压降，使系统内各点的电压波形也产生不同程度的畸变.畸变的电压反过来对整流装置从系统中取用的电流波形产生影响.因而谐波电流和谐波电压是同时产生,相互影响的。
电力系统中，各种电弧炉、电焊设备、电动机、变压器等铁磁元件，都会产生不同频率和振幅的高次谐波，但整流装置产生的整流谐波，具有较大的振幅,是电力系统中的主要谐波源。
2.2整流谐波的产生分析
整流电路的输出电压中主要成分为直流，同时包含各种频率的谐波，这些谐波对于负载的工作是不利的。
图2-1a=0时，m脉波整流电路的整流电压波形
=0时，m脉波整流电路的整流电压和整流电流的谐波分析
将纵坐标选在整流电压的峰值处，则在-p/m~p/m区间，整流电压的表达式为：
（2-1）
对该整流输出电压进行傅里叶级数分解，得出：
（2-2）
式中，k=1，2，3…；且:
（2-3）
为了描述整流电压ud0中所含谐波的总体情况，定义电压纹波因数为ud0中谐波分量有效值UR与整流电压平均值Ud0之比：
其中:
而：
（2-4）
将上述式（2-1）、（2-2）和（2-3）代入（2-4）得
（2-5）
表2-1给出了不同脉波数m时的电压纹波因数值
m
2
3
6
12
∞
（）
48.2
18.27
4.18
0.994
0
表2-1不同脉波数m时的电压纹波因数值
负载电流的傅里叶级数可由整流电压的傅里叶级数求得：
（2-6）
当负载为R、L和反电动势E串联时，上式中：
（2-7）
n次谐波电流的幅值dn为：
（2-8）
n次谐波电流的滞后角为：
（2-9）
=0时整流电压、电流中的谐波有如下规律：
（1）m脉波整流电压ud0的谐波次数为mk（k=1，2，3...）次，即m的倍数次；整流电流的谐波由整流电压的谐波决定，也为mk次；
（2）当m一定时，随谐波次数增大，谐波幅值迅速减小，表明最低次（m次）谐波是最主要的，其它次数的谐波相对较少；当负载中有电感时，负载电流谐波幅值dn的减小更为迅速；
（3）m增加时，最低次谐波次数增大，且幅值迅速减小，电压纹波因数迅速下降。
不为0时的情况：
脉波整流电压谐波的一般表达式十分复杂，给出三相桥式整流电路的结果，说明谐波电压与角的关系。
以n为参变量，n次谐波幅值.对的关系如图1-5所示
当从0~90变化时，ud的谐波幅值随增大而增大，=90时谐波幅值最大.。
从90~180之间电路工作于有源逆变工作状态，ud的谐波幅值随增大而减小。
图2-2三相全控桥电流连续时，以n为参变量的与的关系
图2-3单相全控桥带阻感负载时的电路及波形
图2-4感容滤波的单相桥式不可控整流电路及其工作波形
图2-5三相桥式全控整流电路带电阻负载a=60时的波形
2.3谐波危害
随着电力电子技术的发展，整流器的应用日益广泛，整流电路产生的高次谐波对电网产生的危害也不容忽视。
其中包括：
1）谐波使电网中的元件产生附加的谐波损耗，降低发电、输电及用电设备的效率，大量的3次谐波流过中性线会使线路过热甚至发生火灾；
2）谐波影响各种电器设备的正常工作，使电机发生机械振动、噪声和过热，使变压器局部严重过热，使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短以至损坏；
3）谐波会引起电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，引起严重事故；
4）谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量，重者导致信息丢失，使通信系统无法正常工作；
5）谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并使电气测量仪表计量不准确。
由于公用电网中的谐波电压和谐波电流对用电设备和电网本身都造成很大的危害，世界许多国家都发布了限制电网谐波的国家标准，由权威机构制定限制谐波的规定。
世界各国制定的谐波标准大都比较接近。
我国由技术监督局于1993年发布了国家标准（GB／T14549—93）《电能质量公用电网谐波》，并从1994年3月1日起开始实施。
2.4谐波的治理
2.4.1谐波治理分析
传统的不控整流电路，即桥式整流后跟一大的平波电容，这种电路只有在输入电压的绝对值大于电容电压时才会有电流的输入，因而使得输入电流成为一种不连续的近似为脉冲式的波形，这种波形含有大量的谐波。
采用这种电路的电力装置如线性稳压源，当今流行的大多数开关电源，其前置输入整流部分基本采用这种电路。
相控变流装置。
电力电子技术的发展，特别是品闸管的发明，使得各种变流技术和电力控制相应产生，这种技术由于只是在每个电压周期的某一段相角范围内导电，因而其输入电流也有大量的谐波成分，而且在调压过程中随着相控角的加大，功率因数减小;交流回路中的较低次谐波电流相对较大。
这种装置如各种由直流电压供电的逆变和斩波装置，它们的直流电源由相控的整流电路得到。
从上面可以看出，引起谐波的污染源绝大部分是电力设备的电源部分，尤其是AC-DC部分。
因此，改进现有的整流装置，改善它们的输入电流波形，是减少谐波污染的最根本的途径。
2.4.2治理方法
目前谐波的治理可采用以下方法：
（1）变频器的隔离、屏蔽、接地：
变频器系统的供电电源与其它设备的供电电源相互独立。
或在变频器和其它用电设备的输入侧安装隔离变压器。
或者将变频器放人铁箱内，铁箱外壳接地。
同时变频器输出电源应尽量远离控制电缆敷设（不小于50mm间距），必须靠近敷设时尽量以正交角度跨越，必须平行敷设时尽量缩短平行段长度（不超过lmm），输出电缆应穿钢管并将钢管作电气连通并可靠接地。
（
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