整流电路分析
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题目：整流电路，输入电压220V，50HZ；输出电压310V DC，输出功率：1KW
问题1：仿真分析，单相整流电路，带大电容滤波。比较分析不控整流、相控整流和PWM整流电路的输入电流THD和输入功率因数。
(a)单相整流电路：
1)电路原理图：
2)理论分析：
当电源电压为正半周时，D1承受正向电压导通，D2承受反向电压截止；电源电压为负半周时正好相反。
3)仿真模型：
参数选择：输入电压为标准正弦波交流电310cos(ωt),f=50Hz;负载电阻为96.1Ω，滤波电容为1F。
利用MATLAB/SIMULINK对单相桥式不控整流电路进行仿真分析，仿真结果如下：
图1 输出电压波形与纹波分析
0.20.40.61
图2 输入电压与电流波形
图3输入电流波形频谱与THD
由图2知，输入电流的基波分量与输入电压相位差为0，因此
cos ψ=1。
由图3可知THD=439.21%
而1N i i μ=
=
因此，C =1F 时，μ=0.222
改变滤波电容大小，即可得到不同滤波电容下的功率因数大小如下表1：
4) 结论
单相桥式不控整流电路，在输出仅仅使用大电容滤波时，其输入功率因数与滤波电容取值有关。由表1可知，输入滤波电容越大，功率因数的降低，同时电容值得加大也会带来电容体积的加大。因此，在应用这类电路时，要充分考虑输出电压与输入功率因数之间的矛盾，综合考虑来设计滤波电容的值数。 (b) 相控整流电路： 1) 电路原理图：
2) 理论分析：
由于大电容的存在，负载端电压一直保持在310V 左右。因此，
只有在输入电压大于负载端电压时，控制晶闸管的开通关断才能工作在可控区域。
3)仿真模型：
参数选择：输入电压为标准正弦波交流电310cos(ωt),f=50Hz;负载电阻为96.1Ω，滤波电容为0.5F。
利用MATLAB/SIMULINK对单相桥式不控整流电路进行仿真分析，仿真结果如下：
图4 输出电压波形与纹波分析
10
图5 输入电压与电流波形
图6 输入电流波形频谱与THD
由图5知，输入电流的基波分量与输入电压相位差为0，因此cos ψ=1。
由图3可知THD=551.79%，而1N i i μ==
因此，C =0.5F 时，μ=0. 178
改变滤波电容大小，即可得到不同滤波电容下的功率因数大小如下表2：
4)结论
由表2和图5可以看出，相控整流电路和不控整流电路正好相反，输出滤波电容越大，功率因数反而越高。
(c)PWM波整流：
1)电路原理图：
2)理论分析：
利用电压滞环控制的方式使得输出电压稳定在参考值，控制方法如下图所示。下面通过仿真来考察其整流特性。
3)仿真模型：
参数选择：输入交流电压幅值为438V，f=50Hz。输入电压为标准正弦波交流电310cos(ωt),f=50Hz;负载电阻为96.1Ω，滤波电容为0.1F。
利用MATLAB/SIMULINK对PWM波整流电路进行仿真分析，仿真结果如下：
图4 输出电压波形与纹波分析
图5 输入电压与电流波形
图6 输入电流波形频谱与THD
由图5知，输入电流的基波分量与输入电压相位差为0，因此cos ψ=1。
由图3可知THD=675.48%，而1N i i μ==
因此，μ=0. 146
改变滤波电容大小，即可得到不同滤波电容下的功率因数大小如下表3：
4) 结论
由表3可以看出，与相控整流电路和不控整流电路相比，PWM 整流电路的功率因数与电容大小没有关系。改变电容大小时，功率因数不会发生改变。
问题2：仿真分析，单相不控整流电路，比较分析带大电容滤波和LC
滤波电路下的功率因数 1. 电路原理图：
2. 理论分析：
由于整流输出谐波电压的频率不高，，因此要有较好的滤波效果就需要LC
很大，滤波电感的体积相对电容来说要大的多，一次通常取较小的电感和较大的电容组成LC 滤波器，甚至完全不用电感只用电容滤波，现在，我们分析一下电感电容滤波与电容滤波其整流特性。 3. 仿真模型：
参数选择：输入交流电压幅值为220V ，f=50Hz 。输入电压为标准正弦波交流电310cos(ωt ),f=50Hz;负载电阻为96.1Ω。 利用MATLAB/SIMULINK 对PWM 波整流电路进行仿真分析，仿真结果如下：
5
10
150100
200
300
400
LC 滤波输出电压波形与纹波分析
C 滤波输出电压波形与纹波分析
LC滤波输入电压与电流波形
C滤波输入电压与电流波形
LC滤波输入电流波形频谱与THD
因为负载电阻阻值远远大于电感电抗，由图知，输入电流的基波分量与输入电压相位差为0，因此cos ψ=1。
由图可知LC 滤波：THD=149.51%
，而1N i i μ=
==0.56 C 滤波：THD=335.83%
，而1N i i μ===0.286 则LC 滤波和C 滤波的功率因数分别为0.56和0.286。
5) 结论
可以看出，LC 滤波显然比C 滤波的效果明显，功率因数较C 滤波也较大，但是LC 滤波由于电感较大，会使体积和成本的增加。因此，在选择电感电容滤波或电容滤波时，要结合电路设计要求综合考虑。
C 滤波输入电流波形频谱与THD