1、安徽工业大学 毕业设计（论文）说明 书 共 41 页 第 1 页 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 安徽工业
2、大学 毕业设计（论文）说明 书 共 41 页 第 2 页 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
3、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 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明 书 共 41 页 第 3 页 Abstract AC / DC power converter is the most commonly used electronic devices in a converter .In order to reduce the pollution of its pow
4、er grid and improve power factor, in middle-and high-power situations multi-pulse diode rectifier technology is used, which can reduce cost of the equipment and increases efficiency, besides it would not generate additional EMI. Rectifier circuit is an important component of the high voltage DC powe
5、r supply system. Rectifier circuit design, structural features and conservation relates to the normal operation of high voltage DC power supply system. This text introduces the constitute principle，feature，governance of harmonics hazard and protection disposition of the rectifier circuit of the puls
6、e wave rectifier circuit 24, which is latest widespread. Firstly, it is written about the basic theoretical knowledge and some basic analysis of rectifier circuit. Second part relates to the harmonic rectifier hazards， governance and filter circuit. At last， 24 pulse rectifier circuit principle is e
7、xpounded in detail, with simulation to rectifier circuit through the MATLAB. Going through the theoretical analysis and simulation study, the reasonableness of the circuit and reliability is confirmed. Comparing with the traditional 12-pulse rectifier，24 pulse rectifier could efficiently reduce harm
8、onics content in input current, and enhance power factors. Keywords: rectifier, harmonics, simulation, protection 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明 书 共 41 页 第 4 页 摘 要 2 Abstract 3 第一章 绪 论 6 1.1 引言 6 1.2 整流的定 义 6 1.4 各整流电路分析 8 1.4.1 单向半波整流电路 .8 1.4.2 单向全半波整流电路 .9 1.4.4 三相半 波可控整流电路 .10 第二章 整流谐波的危害及治理 14 2.1 引言 14 2.2
9、 整流谐波的产生分析 14 2.3 谐波危害 18 2.4 谐波的治理 .19 2.4.1 谐波治理分析 19 2.4.2 治理方法 19 第三章 滤波电路 21 3.1 引言 21 3.2 滤波电路简介 21 3.3 电阻滤波电路 21 3.4 电感滤波电路 22 3.5.1 空载时的情况 .24 3.5.2 带载时的情况 .25 3.6 小结 26 第四章 24 脉波整 流电路 .27 4.1 引言 27 4.2 整流原理 27 4.3 数据 分析 29 4.4 24 脉波整流电路变压器连接方式 .30 4.5 仿真 .31 4.6 仿真结果与分析 33 4.7 结论 35 第五章 整流变
10、压器保护 36 5.1 引言 36 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明 书 共 41 页 第 5 页 5.2 变压器的保护设置 36 5.3 整流器的保护设置 36 5.3.1 整流器二极管的保护 .36 5.3.2 整流器自身保护 .37 5.4 小结 37 第六章 总 结 38 致 谢 39 参考文献 40 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明 书 共 41 页 第 6 页 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
11、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
12、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
13、 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。 交流电源 整流器 负载 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明 书 共 41 页 第 7 页 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
14、。 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
15、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
16、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 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明 书 共 41 页 第 8 页 断
17、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
18、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。 1u2DiouLRrT 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
19、过负载的电流 iO和二极管的电流 iD为：u D=0 (1-1) (2)在负半周时，二极管截止。则： ， ， 它的整流波 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明 书 共 41 页 第 9 页 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
20、 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 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
21、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。 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明 书 共 41 页 第 10 页 1u2rTOU1D43LR 图 1-3 桥式整流电路 工作原理: u2正半周时，D 1、D 2导通，D 3、D 4截止；u 2负半周时，D 1、D 2截止，D 3、D 4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-
22、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，
23、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， 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明 书 共 41 页 第 11 页 器件工作情况如下：在 t1t2 期间， 相电压最高，VD 1导通，u d= ua； 在 t 2t 3期间，b 相电压最高，VD 2导通，u d= ub；在 t 3t 4期间，c 相电压最高，VD 3导通，u d= uc。此后，在下一周期相当于 t1的位置即 t 4 时刻，VD 1又导通，重复前一周期的工作情况。如此，一周期中 VD1、VD 2、VD 3 轮流导通，每管各导通 120o。u d波形
24、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 t 1、t 2、t 3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 的起点，即 =0 o，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 = 0
25、o 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，u VT1= uaub = uab ,为一段线电压；第 3 段，在 VT3 导通期间，u VT1= uau c = 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， 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明 书 共 41 页 第
26、 12 页 = 0 o时，晶闸管承受的两段线电压均为负值，随着 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 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 =30 o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, 03 如果 30o，例如 =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
27、电 流断续，各晶闸管导通角为 90o，小于 120o 若 角继续增大，整流电压将越来越小，150 o时，整流输出电压为零。 故电阻负载时 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) 30 o时，负载电流连续，有 （ 1-3） 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明 书 共 41 页 第 13 页 当 = 0 时，Ud 最大，为 Ud= Ud01.17U 2. 2) 30 o 时,负载电流断续，晶闸管导通角减小，此时有 （14） 负载电流平均值为 （15） 晶闸管承受的最大反向电压，由图 1 e) 不难看出为变压器二次线电压峰值， 即 （16） 由于晶闸管阴
28、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 （17） 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明 书 共 41 页 第 14 页 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
29、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。 u d tOm
30、m2m U22 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明 书 共 41 页 第 15 页 图 2-1 a =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/mp/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
31、 ）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 tucos20dtnkUtnbumnmk 1cs2d0d0si2d0d0nkb1cos2 2d02mkn mt2sin1)(cos(2Uusin24121d0R 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明 书 共 41 页 第 16 页 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
32、) 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
33、 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。 )cos(dnmkntIi REUId022)(LnbznRarct 030 120150180600.10.20.3 90n=6n=128/()U2Lcn2 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明 书 共 41 页 第 17 页 Tab RLa)u1 u2i2 VT1 VT3VT 2 VT4ud id u2O tO t O tudidi2 b)O t
34、O tuVT1,4 tt IdId IdI dIdiVT2,3iVT1,4 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 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明 书 共 41 页 第 18 页 a) b) - + R C L + u1 u2 i2 ud uL id iC iR VD2 VD4 VD1 VD3 u2 u d i2 0 t i2,u2,ud 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 = 60ud1ud2 d uac uacu ab uabuac
35、ubcubaucaucbuabuacua ubucO tt1O t O tuVT1 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明 书 共 41 页 第 19 页 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
36、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(GBT1454993)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
37、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
38、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 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明 书 共 41 页 第 20 页 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
39、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。 (2)加装交流电抗器和直流电抗器：当变频器使用在配电变压器容量大于 500KVA，且变压器容量大于变频器容量的 10 倍以上，则在变频器输入侧加装交 流电抗器。而当配电变压器输出电压三相不平衡，且不平衡率大于 3时，变 频器输人电流峰值很大，会造成导线过热，则此时需加装交流电抗器。严重时 则需加装直流电抗器。 (3)加装无源滤波器：将无源滤波器安装在变频器的交流侧，无源滤波器 由 L、C、R 元件构成谐波共振回路，当 LC 回路的谐波频率和某一次高次谐波电 流频率相同时，
40、即可阻止高次谐波流人电网。无源滤波器特点是投资少、频率 高、结构简单、运行可靠及。维护方便。无源滤波器缺点是滤波易受系统参数 的影响，对某些次谐波有放大的可能、耗费多、体积大。 (4)加装有源滤波器：早在 70 年代初，日本学者就提出有源滤波器的概念， 有源滤波器通过对电流中高次。谐波进行检测，根据检测结果输入与高次谐波 成分具有相反相位电流，达到实时补偿谐波电流的目的。与无源滤波器相比具 有高度可控性和快速响应性，有一机多能特点。且可消除与系统阻抗发生谐振 危险。也可自动跟踪补偿变化的谐波。但存在容量大，价格高等特点。 (5)加装无功功率静止型无功补偿装置：对于大型冲击性负荷，可装设无 功功
41、率的静止型无功补偿装置，以或得补偿负荷快速变动的无功需求，改善功 率因数，滤除系统谐波，减少向系统注入谐波电流，稳定母线电压，降低三相 电压不平衡度，提高供电系统承受谐波能力。而其中以自饱和电抗型(SR 型)的 效果最好，其电子元件少，可靠性高，反应速度快，维护方便经济，且我国一 般变压器厂均能制造。 (6)线路分开：因电源系统内有阻抗，所以谐波负荷电流将造成电压波形 的谐波电压畸形。把产生谐波的负荷的供电线路和对谐波敏感的负荷供电线路 分开，线性负荷和非线性负荷从同一电源接口点 PCC 开始由不同的电路馈电， 使非线性负荷产生的畸变电压不会传导到线性负荷上去。 (7)电路的多重化、多元化：逆
42、变单元的并联多元化是采用 2 个或多个逆 变单元并联，通过波形移位叠加，抵消谐波分量；整流电路的多重化是采用 12 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明 书 共 41 页 第 21 页 脉波、18 脉波、24 脉波整流，可降低谐波成分；功率单元的串联多重化是采用 多脉波(如 30 脉波的串联)，功率单元多重化线路也可降低谐波成分。此外还有 新的变频调制方法，如电压矢量的变形调制。 (8)变频器的控制方式的完善：随着电力电子技术、微电子技术、计算机 网络等高新技术发展，变频器控制方式有了以下发展：数字控制变频器，变频 器数字化采用单片机 MCS5l 或 80C196MC 等，辅助以 SLE4520
43、 或 EPLD 液晶显示 器等来实现更加完善的控制性能；多种控制方式结合，单一的控制方式有着各 自的缺点，如果将这些单一控制方式结合起来，可以取长补短，从而达到降低 谐波提高效率的功效。 (9)使用理想化的无谐波污染的绿色变频器：绿色变频器的品质标准是： 输入和输出电流都是正弦波，输入功率因数可控，带任何负载使都能使功率因 数为 l，可获得工频上下任意可控的输出功率。 第三章 滤波电路 3.1 引言 电路的输出电压不是纯粹的直流，从示波器观察整流电路的输出，与直流 相差很大，波形中含有较大的脉动成分，称为纹波。为获得比较理想的直流电 压，需要利用具有储能作用的电抗性元件（如电容、电感）组成的滤
44、波电路来 滤除整流电路输出电压中的脉动成分以获得直流电压。 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明 书 共 41 页 第 22 页 3.2 滤波电路简介 常用的滤波电路有无源滤波和有源滤波两大类。无源滤波的主要形式有电 容滤波、电感滤波和复式滤波(包括倒 L 型、LC 滤波、LC 型滤波和 RC 型 滤波等) 。有源滤波的主要形式是有源 RC 滤波，也被称作电子滤波器。直流电 中的脉动成分的大小用脉动系数来表示，此值越大，则滤波器的滤波效果越差。 脉动系数(S)=输出电压交流分量的基波最大值输出电压的直流分量.半 波整流输出电压的脉动系数为 S=157 ，全波整流和桥式整流的输出电压的 脉动系数
45、SO67 。对于全波和桥式整流电路采用 C 型滤波电路后，其脉动 系数 S=1(4(RLCT -1)。(T 为整流输出的直流脉动电压的周期。) 3.3 电阻滤波电路 RC- 型滤波电路，实质上是在电容滤波的基础上再加一级 RC 滤波电路组 成的。如图 3-2RC 滤波电路。若用 S 表示 C1 两端电压的脉动系数，则输出 电压两端的脉动系数 S=(1/C2R)S。 1CLR 输入 3-1 电容滤波 LR 输入 2C1C R 3-2 C-R-C 或 RC- 型电阻滤波 脉动系数 S=(1/C2R)S 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明 书 共 41 页 第 23 页 LR输入 1C1L 3-3
46、L-C 电感滤波 LR 输入 1C L2C 3-4 型滤波或叫 C-L-C 滤波 由分析可知，电阻 R 的作用是将残余的纹波电压降落在电阻两端，最后由 C2 再旁路掉。在 值一定的情况下， R 愈大，C2 愈大，则脉动系数愈小，也 就是滤波效果就越好。而 R 值增大时，电阻上的直流压降会增大，这样就增大 了直流电源的内部损耗；若增大 C2 的电容量，又会增大电容器的体积和重量， 实现起来也不现实。这种电路一般用于负载电流比较小的场合。 3.4 电感滤波电路 根据电抗性元件对交、直流阻抗的不同，由电容 C 及电感 L 所组成的滤波 电路的基本形式如图 3-1、3-2、3-3、3-4 所示。因为电
47、容器 C 对直流开路， 对交流阻抗小，所以 C 并联在负载两端。电感器 L 对直流阻抗小，对交流阻抗 大，因此 L 应与负载串联。并联的电容器 C 在输入电压升高时，给电容器充电， 可把部分能量存储在电容器中。而当输入电压降低时，电容两端电压以指数规 律放电，就可以把存储的能量释放出来。经过滤波电路向负载放电，负载上得 到的输出电压就比较平滑，起到了平波作用。若采用电感滤波，当输入电压增 高时，与负载串联的电感 L 中的电流增加，因此电感 L 将存储部分磁场能量， 当电流减小时，又将能量释放出来，使负载电流变得平滑，因此，电感 L 也有 平波作用。利用储能元件电感器 L 的电流不能突变的特点，在整流电路的负载 回路中串联一个电感，使输出电流波形较为平滑。因为电感对直流的阻抗小， 交流的阻抗大，因此能够得到较好的滤波效果而直流损失小。电感滤波缺点是 体积大,成本高。 安徽工业大学
