单相桥式不控整流电路的谐波分析 (2)..-共20页
电力电子试题及答案及电力电子器件及其驱动电路实验报告
一、填空题：（本题共7小题，每空1分，共20分）
1、请在正确的空格内标出下面元件的简称：
电力晶体管GTR；可关断晶闸管GTO；功率场效应晶体管MOSFET；绝缘栅双极型晶体管IGBT；IGBT是MOSFET和GTR的复合管。
2、晶闸管对触发脉冲的要求是要有足够的触发功率、触发脉冲前沿要陡幅值要高和触发脉冲要与晶闸管阳极电压同步。
ton=1.8us，ts=1.8us，tf=1.2us
（2）电阻、电感性负载时的开关特性测试
除了将主回器部分由电阻负载改为电阻、电感性负载以外（即将“1”与“22”断开而将“2”与“22”相连)，其余接线与测试方法同上。
ton=2.1us，ts=10.0us，tf=2.5us
2．不同基极电流时的开关特性测试
2．不同基极电流时的开关特性测试。
3．有与没有基极反压时的开关过程比较。
4．并联冲电路性能测试。
5．串联冲电路性能测试。
6．二极管的反向恢复特性测试。
三．实验线路
四．实验设备和仪器
1．MCL-07电力电子实验箱中的GTR与PWM波形发生器部分
2．双踪示波器
3．万用表
4．教学实验台主控制屏
五．实验方法
GTR ：1
PWM：1
GTR：6
PWM：2
GTR：3
GTR：5
GTR：9
GTR：7
GTR：8
GTR：11
GTR：18
主回路：4
GTR：15
GTR：16
GTR：19
GTR：29
GTR：21
GTR：22
主回路：1
用示波器观察，基极驱动信号ib（“19”与“18”之间）及集电极电流ic（“21”与“18”之间）波形，记录开通时间ton，存贮时间ts、下降时间tf。
西安交通大学《电力电子技术(第5版)》(试题及其解答)
2）如果采用全波整流电路，并采用通态压降为 0.64V 的肖特基二极管，整 流电路整体工作效率是多少？
注：本题计算中忽略器件开关损耗。
第3页
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西安交通大学本科生课程考试试题标准答案与评分标准
6 有源逆变电路
无源逆变电路
采用
方法，在高频输出时采用 方法。
9．（4 分）零电压开关是指：
；零电流开关又
是指
。
二、简答（40 分） 1．（6 分）电力电子器件是如何定义的？同处理信息的电子器件相比，它的特点 是什么？ 2．（6 分）什么叫做多相多重斩波电路？什么叫做相数？什么叫做重数？试绘制
由基本升压斩波电路构成的二相二重斩波电路。
2 答：（a）要有直流电动势，其极性需和晶闸管的导通方向一致，其值应
大于变流器直流侧的平均电压；（3 分）
（b）要求晶闸管的控制角 >90°,使 Ud 为负值。（3 分） 3 答：三相桥式电压型逆变电路为纵向换流（1 分），因为电流在同桥臂上
下半桥之间换流（1 分）；三相桥式电压型逆变电路为横向换流（1 分），因
西安交通大学考试题
成绩
课程
学院 专业班号 姓名
电力电子技术 电气工程学院
考试日期 学号
2015 年 1 月 7 日
期中
期末
一、填空（29 分） 1．（3 分）电力电子技术是一门由________、_______、________三个学科交叉 而形成的。
2．（3 分） 电力电子器件一般工作在________状态。在通常情况下，电力电子
三 综合（33 分）
1.
单相桥式不控整流电路的谐波分析
1.引言电力电子技术中, 把交流电能变成直流电源的过程称为整流，整流电路的作用是将交变电能变为直流电能供给直流用电设备。
本文研究的单相桥式不控整流电路也属于整流电路。
在本电路中，按照负载性质的不同，可以分为有电容滤波和无电容滤波两类。
如果把该电路的交流侧接到交流电源上，把交流电能经过交—直变换，转变成直流电能。
本文主要对单相桥式不控整流电路的原理与性能进行讨论,并分析其谐波。
侧重点在于借助Matlab 的可视化仿真工具 Simulink 对单相桥式不控整流电路进行建模,选取合适的元件参数，实现电路的功能,并观察不同元件参数改变时波形及谐波的变化情况，并得出相应的仿真结果。
2.Matlab 软件简介Matlab 提供了系统模型图形输入工具——Simulink 工具箱。
在 Matlab 中的电力系统模块库PSB以Simulink 为运算环境,涵盖了电路、电力电子、电气传动和电力系统等电工学科中常用的基本元件和系统仿真模型。
它由以下6个子模块组成:电源模块库、连接模块库、测量模块库、基本元件模块库、电力电子模块库、电机模块库。
在这6 个基本模块库的基础上,根据需要还可以组合出常用的、复杂的其它模块添加到所需的模块库中,为电力系统的研究和仿真带来更多的方便，本次仿真正是以Matlab中的Simulink 工具箱为基础进行的。
3.单相桥式不控整流电路的工作原理3.1单相桥式不控整流电路带电阻性负载的工作原理桥式整流电路如图1所示。
它是由电源变压器、四只整流二极管VD1-4和负载电阻R组成。
四只整流二极管接成电桥形式，故称桥式整流。
在u2正半周，VD1和VD4导通，其作用相当于导线，此时电流经VD1、R、VD4回到电源。
在u2负半周，VD2和VD3导通，其作用相当于导线，此时电流经VD2、R、VD3回到电源。
在R上各得到半个整流电压波形。
这样就在负载RL上得到一个与全波整流相同的电压波形，其电流的计算与全波整流相同，即UL = 0.9U2IL = 0.9 U2/R流过每个二极管的平均电流为Id = IL/2 = 0.45U2/R图1 单相桥式不控整流电路电阻负载原理图3.2电容滤波的单相不控整流电路的工作原理图2为电容滤波的单相桥式不控整流电路的工作原理图。
整流电路之不可控整流电路_图文
式中，ud(0)为VD1、VD4开始导通时刻直流侧电压值。 将u2代入并求解得： 而负载电流为：
于是
(3-38) (3-39) (3-40)
(3-41)
2-9
3.4.1 电容滤波的单相不可控整流电路
则当wt=q时，VD1和VD4关断。将id(q)=0代入式 （3-41），得：
(342)
二极管导通后u2开始向C充电时的ud与二极管关 断后C放电结束时的ud相等，故有下式成立：
1) 电容滤波的不控整流电路其输出电压平均值不是一个定数，它将随着RC 的变化而变化。 电阻R减小(负载电流增大)或电容容量C减小→输出电压降低、电压波动加大。 2) 输出电压平均值的最大值是输出电压瞬时值的峰值，输出电压平均值的 最小值是该电路在电阻负载情况下的输出电压平均值。
输出电压平均值的最大值与最小值在不同电路形式下的值
的时刻“速度相等”恰好发生，则有
（3-50）
由上式可得
电流id 断续和连续的临界条件wRC=
在轻载时直流侧获得的充电电流是断续的，重载时是连续的，
分界点就是R= /wC。
通常只有R是可变的，它的大小反映了负载的轻重，因此在轻载时直流侧获得
的充电电流是断续的，重载时是连续的。
a
a
O
wt O
wt
id
id
2) 主要的数量关系
输出电压平均值
空载时，
。
重载时，Ud逐渐趋近于0.9U2，即趋近于接近电阻负载时的特性。
在设计时根据负载的情况选择电容C值，使
,此
时输出电压为： Ud≈1.2 U2。
（3-46）
电流平均值
输出电流平均值IR为：
二极管电流iD平均值为：
电力电子单相桥式全控整流电路
目录第1章绪论 (1)1.1 什么是整流电路 (1)1.2 整流电路的发展与应用 (1)1.3 本设计的简介 (1)第二章总体设计方案介绍 (2)2.1总的设计方案 (2)2.2 单相桥式全控整流电路主电路设计 (3)2.3保护电路的设计 (5)2.4触发电路的设计 (9)第三章整流电路的参数计算与元件选取 (12)3.1 整流电路参数计算 (12)3.2 元件选取 (13)第四章设计总结 (15)4.1设计总结 (15)第五章心得体会 (16)参考文献 (17)第1章绪论1.1 什么是整流电路整流电路（rectifying circuit）把交流电能转换为直流电能的电路。
大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成。
它在直流电动机的调速、发电机的励磁调节、电解、电镀等领域得到广泛应用。
整流电路通常由主电路、滤波器和变压器组成。
20世纪70年代以后，主电路多用硅整流二极管和晶闸管组成。
滤波器接在主电路与负载之间，用于滤除脉动直流电压中的交流成分。
变压器设置与否视具体情况而定。
变压器的作用是实现交流输入电压与直流输出电压间的匹配以及交流电网与整流电路之间的电隔离。
可以从各种角度对整流电路进行分类，主要的分类方法有：按组成的期间可分为不可控，半控，全控三种；按电路的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向还是双向，又可分为单拍电路和双拍电路.1.2 整流电路的发展与应用电力电子器件的发展对电力电子的发展起着决定性的作用，因此不管是整流器还是电力电子技术的发展都是以电力电子器件的发展为纲的，1947年美国贝尔实验室发明了晶体管，引发了电子技术的一次革命；1957年美国通用公司研制了第一个晶闸管，标志着电力电子技术的诞生；70年代后期，以门极可关断晶闸管（GTO）、电力双极型晶体管（BJT）和电力场效应晶体管（power-MOSFET）为代表的全控型器件迅速发展，把电力电子技术推上一个全新的阶段；80年代后期，以绝缘极双极型晶体管（IGBT）为代表的复合型器件异军突起，成为了现代电力电子技术的主导器件。
单相桥式全控整流电路中的谐波分析
相控整流装置在交流侧和直流侧都产生高次谐波 :该装置对于交流侧相当于一个谐波电流源 ;对于直流侧相当于一个谐 波电压源[2] . 下面以单相全控整流桥为例 ,分别就纯电阻负载和大电感负载在不考虑换相重叠角的理想情况进行谐波分析.
1 纯电阻负载[1]
设整流变压器二次侧电压 、电流分别为 u2 、i2 负载电阻 R 上的电压为 udα ,控制角为 α.
∞
∞
uda = Uda + ∑an sinωt + ∑bn cosωt , n = 2 k , k = 1 ,2 ,3 …
n=2k
n=2k
因 uda 为偶函数 ,故 an = 0 ,式 (1 ,2) 中常数 uda 为
π
∫ Uda
=
1 π
2
π 2
+α
2 U2 cosωtdωt =
2 U2 π
(1
+ cosα)
=0,
∫ ∫ an
=
1 π
π
2π
α 2 I2 sinωtsin nωtdωt + π+α 2 I2 sinωtsin nωtdωt
2
(π
-
α) + 2π
sin2α (
n
=
1)
= 0 ( n = 2 k , k = 1 ,2 ,3 , …)
2 2 I2 π
( ncos nαsinαn2 -
sin nαcosα) 1
1. 1 直流侧电压谐波分析 输出电压 uda 可写成[1]
uda =
2 U2 cosωt ( k′π0 ( k′π-
π 2
+α≤ωt
≤k′π+
π 2)
整流电路的PFC
• 忽略电压谐波时
∑I
n=2
∞
2 n
这种情况下：
Q f为由基波电流所产生的无功功率，D是谐波电流 为由基波电流所产生的无功功率， 是谐波电流 产生的无功功率。 产生的无功功率。
三、R、L负载时交流侧谐波和功率因数分析 1. 单相桥式全控整流电路
1）忽略换相过程和电流脉动，带阻感负载，直流电感L为足 够大（电流i2的波形）
五、抑制谐波与改善功率因数 （一）谐波抑制措施 1.增加整流装置的相数 1.增加整流装置的相数 2.装设无源电力谐波滤波器
许多国家都发布了限制电网谐波的国家标 准，或由权威机构制定限制谐波的规定。 国家标准（GB/T14549-93）《电能质量公 用电网谐波》从1994年3月1日起开始实施。 A.电网电压正弦波相电压波形畸变率极限 A.电网电压正弦波相电压波形畸变率极限
用户供电电 压 (KV) 电压畸变极 限(％)
0.38
0.3 cn 2 U2L 0.2 0.1
n=6
n=12 n=18 0 30 60 90 120 150 180
值随α 增大而增大， α =90°时谐波 ° 幅值最大。
α/(°)
•
α 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 α
增大而减小。
三相全控桥 电流连续时，以n 为参变量的与α 的关系
四、整流输出电压和电流的谐波分析
4） α 不为 °时的情况 ） 不为0°时的情况： 三相半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 α 角的关系。 以n为参变量，n次谐波幅值（取 标幺值）对α 的关系如图所示：
• 当α 从0°~ 90°变化时，ud的谐波幅 ° °
整流电路之不可控整流电路
第21页/共33页
电压谐波系数或纹波系数RF（Ripple Factor）
纹波电压的定义：整流输出电压中除直流平均值电压VD外全部交流谐波分量有效 值VH
VH
V2 rms
VD2
电压谐波（纹波）系数的定义：输出电压中的交流谐波有效值平均值 VH与直流平 均值VD 之比值。表示为
v RF VH /VD
（3-46）
电流平均值
输出电流平均值IR为：
二极管电流iD平均值为：
二极管承受的电压 2U2
IR = Ud /R （3-47）
Id =IR
（3-48）
ID = Id / 2=IR/ 2（3-49）
2-10
第11页/共33页
3.4.1电容滤波的单相不可控整流电路
感容滤波的二极管整流电路
实际应用为此情况，但分析复杂。 u这d对波于形电更路平的直工，作电是流有i2利的的上。升 段 平 缓 了 许 多 ，
式将而中 u负2代，载入电ud并流(0)为求为V解：D得1、：VD4开始uud导d((0通0))时刻C1直20流tUiC侧2dts电in压du值2 。
于是
iC 2CU 2 cos(t d )
iR
u2 R
2U2 sin(t d )
R
(3-37) (3-38)
(3-39) (3-40)
id iC iR
2-17
第18页/共33页
3.5 整流电路的谐波和功率因数
3.5.1 谐波和无功功率分析基础 3.5.2 带阻感负载时可控整流电路交流侧 谐波和功
率因数分析 3.5.3 电容滤波的不可控整流电路交流侧 谐波和功
率因数分析 3.5.4 整流输出电压和电流的谐波分析
2.3-4电容滤波的不可控整流电路和大功率可控整流电路
整流电路的工作状态增多。 晶闸管的di/dt 减小，有利于晶闸管的安全开通。 有时人为串入进线电抗器以抑制晶闸管的di/dt。 换相时晶闸管电压出现缺口，产生正的du/dt，可 能使晶闸管误导通，为此必须加吸收电路。 换相使电网电压出现缺口，成为干扰源。
河南理工大学
好学力行 2.4 带电容滤波的二极管整流电路 明德任责
小结
重点：1）带电容滤波的二极管整流电路的输出 电压范围；
2）该电路的RC经验取值范围以及对应 的输出电压；
河南理工大学
好学力行
2.5 整流电路的谐波和功率因数 明德任责
2.5.1 谐波和无功功率分析基础 2.5.2 带阻感负载时可控整流电路交流侧 谐波
2.4.2电容滤波的三相不可控整流电路 明德任责
由 “电压下降速度相等”的原则，可以确定临界条件。
假设在wt+d =2/3的时刻“速度相等”恰好发生，则有
duab / d(t)
dud / d(t)
d[ 6U 2sin( t + q )]
d
6U 2sin
2
3
1 [t -( 2 -d )]
e RC
好学力行
明德任责
电力电子技术
Power Electronics Technology
河南理工大学电气学院 朱艺锋
Email:zyfny@
河南理工大学
好学力行
第2章 整流电路 内容提要
❖ 2.1 单相可控整流电路 ❖ 2.2 三相可控整流电路 ❖ 2.3 变压器漏感对整流电路的影响 ❖ 2.4 电容滤波的不可控整流电路 ❖ 2.6 整流电路的谐波和功率因数 ❖ 2.6 大功率可控整流电路 ❖ 2.7 整流电路的有源逆变工作状态 ❖ 2.8 整流电路相位控制的实现
整流电路的谐波和功率因数
12
10.2
带阻感负载时可控整流电路交流侧 谐波和功率因数分析
2) 三相桥式不可控整流电路
实际应用的电容滤波三相不可控整流电路中通常有滤波电感 。 交流侧谐波组成有如下规律： 谐波次数为 6k±1 次， k =1 ， 2 ， 3… 。 谐波次数越高，谐波幅值越小。 谐波与基波的关系是不固定的。 关于功率因数的结论如下： 位移因数通常是滞后的 , 但与单相时相比 , 位移因数更接近 1。 随负载加重（ wRC 的减小），总的功率因数提高；同时， 随滤波电感加大，总功率因数也提高。
t
10.2
带阻感负载时可控整流电路交流侧 谐波和功率因数分析
变压器二次侧电流谐波分析：
6 Id I1 6 I Id , n n
电流基波和各次谐波有效值分别为
n 6k 1,k 1,2,3, ⋯
（ 10-36 ）
电流中仅含 6k1 （ k 为正整数）次谐波。 各次谐波有效值与谐波次数成反比，且与基波有效值的比值为 谐波次数的倒数。
O t1 ud2 ud ⅠⅡ Ⅲ Ⅳ Ⅴ u Ⅵ u ab u ac ubc uba u ca cb uab uac
t
O id
t
I
2 I d （ 10-35 ） 3
I
O ia O
2 Id 3
t
（ 2-710 ） 10
图 10.7 三相桥式全控整流电路 带阻感负载 a=30 时的波形
2 I n sin n t
（ 10-30 ）
变压器二次侧电流谐波分析：
In 2 n 2Id
n=1,3,5,…
电力电子技术试题(卷)20套与答案解析
考试试卷( 1 )卷一、填空题（本题共8小题，每空1分，共20分）1、电子技术包括______________和电力电子技术两大分支，通常所说的模拟电子技术和数字电子技术就属于前者。
2、为减少自身损耗，提高效率，电力电子器件一般都工作在_________状态。
当器件的工作频率较高时，_________损耗会成为主要的损耗。
3、在PWM控制电路中，载波频率与调制信号频率之比称为_____________，当它为常数时的调制方式称为_________调制。
在逆变电路的输出频率范围划分成若干频段，每个频段内载波频率与调制信号频率之比为桓定的调制方式称为___分段同步_________调制。
4、面积等效原理指的是，___冲量______相等而__形状_____不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。
5、在GTR、GTO、IGBT与MOSFET中，开关速度最快的是__MOSFET_，单管输出功率最大的是__GTO_，应用最为广泛的是__IGBT___。
6、设三相电源的相电压为U2，三相半波可控整流电路接电阻负载时，晶闸管可能承受的最大反向电压为电源线电压的峰值，即，其承受的最大正向电压为。
7、逆变电路的负载如果接到电源，则称为逆变，如果接到负载，则称为逆变。
8、如下图，指出单相半桥电压型逆变电路工作过程中各时间段电流流经的通路(用V1,VD1,V2,VD2表示)。
(1)0~t1时间段内，电流的通路为___VD1_____；(2)t1~t2时间段内，电流的通路为___V1____；(3)t2~t3时间段内，电流的通路为__VD2_____；(4)t3~t4时间段内，电流的通路为__V2_____；(5)t4~t5时间段内，电流的通路为___VD1____；二、选择题（本题共10小题，前4题每题2分，其余每题1分，共14分）1、单相桥式PWM逆变电路如下图，单极性调制工作时，在电压的正半周是（B ）A、V1与V4导通，V2与V3关断B、V1常通，V2常断，V3与V4交替通断C、V1与V4关断，V2与V3导通D、V1常断，V2常通，V3与V4交替通断2、对于单相交流调压电路，下面说法错误的是（ C ）A、晶闸管的触发角大于电路的功率因素角时，晶闸管的导通角小于180度B、晶闸管的触发角小于电路的功率因素角时，必须加宽脉冲或脉冲列触发，电路才能正常工作C、晶闸管的触发角小于电路的功率因素角正常工作并达到稳态时，晶闸管的导通角为180度D、晶闸管的触发角等于电路的功率因素角时，晶闸管的导通角不为180度3、在三相三线交流调压电路中，输出电压的波形如下图所示，在t1~t2时间段内，有（）晶闸管导通。
电力电子技术(第5版)课件：逆变电路
a)
o
Um
O
t
-Um
io
O
t3 t1 t 2
t4
t5 t6
t
ON
V1 V 2
V1 V2
VD1 VD 2 VD 1 VD2 b)
图4-6 单相半桥电压型逆
变电路及其工作波形
■半桥逆变电路
◆在直流侧接有两个相互串联的足够大
的电容，两个电容的联结点便成为直流电 源的中点，负载联接在直流电源中点和两 个桥臂联结点之间。
e) u NNO' u UN
f)
O
2Ud 3
Ud 6
t
Ud 3
t
iU
g)
O
t
id
h)
O
t
图4-10 电压型三相桥式逆变电路的工作波形
4.2.2 三相电压型逆变电路
u UN'
a)
O
Ud
t
u VN'
2
b)
O
t
u WN'
c)
O
t
u UV
Ud
d)
O
t
e) u NNO' u UN
f)
O
2Ud 3
Ud 6
t
Ud 3
逆变电路
4.1 换流方式 4.2 电压型逆变电路 4.3 电流型逆变电路 4.4 多重逆变电路和多电平逆变电路
本章小结
引言
■逆变的概念 ◆与整流相对应，直流电变成交流电。 ◆交流侧接电网，为有源逆变。 ◆交流侧接负载，为无源逆变，本章主要讲述无源逆变。
■逆变与变频 ◆变频电路：分为交交变频和交直交变频两种。 ◆交直交变频由交直变换（整流）和直交变换两部分组 成，后一部分就是逆变。
电力电子技术期中期末试卷附答案
器件。以下不属于全控型器件的是______________
A.GTO
B. 晶闸管
C. IGBT D .门极可关断晶闸管
10、下面哪种功能不属于变流的功能___________
A、有源逆变
B、交流调压
C、变压器降压
D、直流斩波
三、简答题（共 20 分） 1、晶闸管正常导通的条件是什么？晶闸管关断的条件是什么，如何实现？（6 分）
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期中考试试卷答案
年
级
专业：
：
年级：
课程名：电力电子技术
考核方式：闭卷
题号
一
二
三
四
装
密
专
分数 评卷人
业
： 一、填空题（ 20 分 ，每空 2 分 ）
1. 在特定场合下，同一套整流电路既可工作在
总分
整流 状态，又可
班 级
：
订
工作在 逆变 状态，故简称变流电路。
2．晶闸管在其阳极与阴极之间加上 正向 加上 触发 电压，晶闸管就导通。
2、简述如下图所示升压斩波电路的基本工作原理。（8 分）
共 20 页 第 3 页
3、无源逆变电路和有源逆变电路有何不同？（6 分）
四、分析计算题（共 30 分，每题 10 分。） 1、在下图所示的降压斩波电路中，已知 E＝200V，R=10Ω，L 值极大，EM=30V。 采用脉宽调制方式，当 T=50us，ton=20us 时，计算输出电压平均值 Uo、输出电流 平均值 Io。
解：输出相电压基波幅值为
UUN1m
2Ud
0.637Ud
0.637 200V
127.4V
输出电压基波有效值为
电气类 第3章__相控整流电路(《电力电子技术》课件)
图3.5 并联续流二极管的单相桥式半控整流电路及其波形
3.1.2 单相桥式半控整流电路
并联续流二极管的输出电压平均值
1 π 2 1 cos U d 2U 2 sin td( t ) U 2 (1 cos ) 0.9U 2 π π 2
输出电压有效值
U
晶闸管电流平均值和有效值分别为
u2
o
ud
t
Tr
T1 i2
T3
id R L E ud
o
id
t
u1
u2
o
id
反电动势-电阻性负载
t
T2
T4
o
反电动势-电感性负载
t
图3.8 带反电动势负载的单相桥式全控整流电路及其波形
3.2 三相相控整流电路
3.2.1 三相半波相控整流电路
3.2.2 三相桥式全控整流电路 3.2.3 三相桥式半控整流电路
3.1.3 单相桥式全控整流电路
整流输出电压平均值为
1 cos Ud 0.9U2 2
输出电流的平均值和有效值分别为
晶闸管电流平均值为
IdT Ud U 2 1 cos U U2 Id 0.9 I R R 2 R R U 2 1 cos 1 Id 0.45 2 R 2
2. 电感性负载 在电源正半周，晶闸管T1和T4同时 承受正向电压。若在 t 时同时 触发T1和T4导通，则电源电压通过 T1和T4加至负载上。当电源电压过 零变负时，由于大电感的存在，T1 和T4仍继续导通。 在电源负半周，晶闸管T2和T3同时 承受正向电压。在 t π 时同 时触发T2和T3导通，T1和T4承受 反向电压而关断，负载电流由T1和 T4换流至T2和T3，电源电压通过 T2和T3施加到负载端。当电源电压 过零变正时，电感的储能使T2和T3 维持继续导通，直至下一个周期T1 和T4被触发导通为止。
第六章波形畸变与电力谐波
2、非正弦电路的功率和功率因数
有功功率：
P
1
T
T
vidt
0
Vh I h cos h
h1
说明：同频率的电压和电流才构成有功功率。
仿照上式定义无功功率：Q f Vh I h sin h h1
说明：非正弦条件下的无功功率没有明确物理意义，式中 各次谐波无功功率互相抵消现象与实际不符。
三、非正弦电路的功率和功率因数
6.4 谐波的影响和危害
一、对变压器的影响
1）产生导体附加损耗； P I2R (
I12
I
2 h
)2
R
P1
P
h2
2）变压器产生涡流损耗，引起变压器发热或过热；
3）变压器产生铁芯损耗，引起铁芯发热或过热；
4）使变压器产生振动和噪声。
二、对旋转电机的影响
影响情况与变压器类似，简单描述如下：
1）在绕组上产生附加损耗；
有效值：U
1 v2 (t)dt TT
M
U12
U
2 h
h2
M
i(t) 2Ih sin(h 1t h )
h1
I
1 i 2 (t)dt TT
I2 1
IM
2 h
h2
畸变波形峰值与有效值间的关系：
1）畸变波形峰值与 有效值不存在 2 倍的关 系，但各次谐波存在。
2） 畸变波形有效值 与各次谐波分量初相角无 关。初相角影响波形。
1、谐振现象分析
含谐波源的典型供电如图所示。对谐波源而言，电容器 容抗与系统感抗为并联关系。由 (c ) 图可知，对某次谐波系 统的等值阻抗很大，因此有电容器将引发电压放大。
2、谐波放大现象分析
谐波讲解
什么是谐波？谐波有什么伤害？一、谐波1.什么称为谐波：在电力系统中谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。
当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，即电路中有谐波产生。
谐波频率是基波频率的整倍数，根据法国数学家傅立叶(M．Fourier)分析原理证明，任何重复的波形都可以分解为含有基波频率和一系列为基波倍数的谐波的正弦波分量。
谐波是正弦波，每个谐波都具有不同的频率，幅度与相角。
谐波可以区分为偶次与奇次性，第3、5、7次编号的为奇次谐波，而2、4、6、8等为偶次谐波，如基波为50Hz时，2次谐波为l00Hz，3次谐波则是150Hz。
一般地讲，奇次谐波引起的危害比偶次谐波更多更大。
在平衡的三相系统中，由于对称关系，偶次谐波已经被消除了，只有奇次谐波存在。
对于三相整流负载，出现的谐波电流是6n±1次谐波，例如5、7、11、13、17、19等，变频器主要产生5、7次谐波。
“谐波”一词起源于声学。
有关谐波的数学分析在18世纪和19世纪已经奠定了良好的基础。
傅里叶等人提出的谐波分析方法至今仍被广泛应用。
电力系统的谐波问题早在20世纪20年代和30年代就引起了人们的注意。
当时在德国，由于使用静止汞弧变流器而造成了电压、电流波形的畸变。
1945年J.C.Read发表的有关变流器谐波的论文是早期有关谐波研究的经典论文。
到了50年代和60年代，由于高压直流输电技术的发展，发表了有关变流器引起电力系统谐波问题的大量论文。
70年代以来，由于电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通及家庭中的应用日益广泛，谐波所造成的危害也日趋严重。
世界各国都对谐波问题予以充分和关注。
国际上召开了多次有关谐波问题的学术会议，不少国家和国际学术组织都制定了限制电力系统谐波和用电设备谐波的标准和规定。
谐波研究的意义，道德是因为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。
整流电路的谐波和功率因数
1) 单相桥式全控整流电路
忽略换相过程和电流脉动，带阻感负载，直流
电感L为足够大（电流i2的波形见图2-6）
i
2
d
O
t
i2
4
Id (sin t
1 sin 3 t
3
1 sin 5t
5
L
)
4
Id
n 1,3,5,L
1 sin n t
n
n 1,3,5,L
2In sin n t
（2-72）
变压器二次侧电流谐波分析：
小控制角运行 采用两组变流器串联供电
增加整流相数
设置补偿电容
第五章 直流斩波电路
第五章 直流斩波器
（ DC-DC变换器 ）
电力电子电路的四种基本形式：
AC－DC、DC－AC、DC－DC、AC－AC
直流斩波器的作用：
直流电压的变换 （调压） 调阻 调磁
直流斩波器的应用：
直流电机调速 直流电压变换（开关电源） 直流电压隔离
• 电流基波和各次谐波有效值为：
In
2 2Id
n
• 电流中仅含奇次谐波。
n=1,3,5,…
（2-73）
• 各次谐波有效值与谐波次数成反比，且与基波有效值的 比值为谐波次数的倒数。
功率因数计算
基波电流有效值为
I1
22
Id
i2的有效值I= Id，结合式（2-74）可得基波因数为
（2-74）
I1 2 2 0.9 I
3.4整流电路的谐波和功率因数·
随着电力电子技术的发展，其应用日益广泛，由此带 来的谐波(harmonics)和无功(reactive power)问题日益 严重，引起了关注。
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目录1.引言 (2)2.Matlab 软件简介 (2)3.单相桥式不控整流电路的工作原理 (2)3.1单相桥式不控整流电路带电阻性负载的工作原理 (2)3.2电容滤波的单相不控整流电路的工作原理 (3)4.单相桥式不控整流电路的模型建立与仿真 (4)4.1单相桥式不控整流电路 (4)4.2电容滤波的单相桥式不控整流电路 (4)4.3感容滤波的单相桥式不控整流电路 (5)5.单相桥式不控整流电路的相关原理与计算 (5)5.1相关参数计算（以电容滤波为例） (5)5.2主要数量关系 (6)5.3单相桥式不可控整流电路谐波分析 (7)6.电容滤波和感容滤波的单相不控整流电路的波形仿真情况 (7)6.1电容滤波的单相桥式不控整流电路带电阻性负载 (7)6.2感容滤波的单相桥式不控整流电路 (8)7.几个参数的改变对输入电流波形的影响 (10)7.1电阻性负载 (10)7.2电阻性负载带电容滤波 (11)7.3阻感负载带电容滤波 (15)8.主要结论 (18)9.心得体会 (19)10.参考文献 (19)1.引言电力电子技术中, 把交流电能变成直流电能的过程称为整流，整流电路的作用是将交变电能变为直流电能供给直流用电设备。
本文研究的单相桥式不控整流电路也属于整流电路。
在本电路中，按照负载性质的不同，可以分为有电容滤波和无电容滤波两类。
如果把该电路的交流侧接到交流电源上，把交流电能经过交—直变换，就能转变成直流电能。
本文主要对单相桥式不控整流电路的原理与性能进行讨论,并主要分析其谐波。
侧重点在于借助Matlab 的可视化仿真工具 Simulink 对单相桥式不控整流电路进行建模,选取合适的元件参数，实现电路的功能,并观察不同元件参数改变时波形及谐波的变化情况，并得出相应的仿真结果。
2.Matlab 软件简介Matlab 提供了系统模型图形输入工具——Simulink 工具箱。
在 Matlab 中的电力系统模块库PSB以Simulink 为运算环境,涵盖了电路、电力电子、电气传动和电力系统等电工学科中常用的基本元件和系统仿真模型。
它由以下6个子模块组成:电源模块库、连接模块库、测量模块库、基本元件模块库、电力电子模块库、电机模块库。
在这6 个基本模块库的基础上,根据需要还可以组合出常用的、复杂的其它模块添加到所需的模块库中,为电力系统的研究和仿真带来更多的方便，本次仿真正是以Matlab中的Simulink 工具箱为基础进行的。
3. 单相桥式不控整流电路的工作原理3.1单相桥式不控整流电路带电阻性负载的工作原理桥式整流电路如图1所示。
它是由电源变压器、四只整流二极管VD1-4和负载电阻R组成。
四只整流二极管接成电桥形式，故称桥式整流。
电阻负载时，在u2正半周，VD1和VD4导通，其作用相当于导线，此时电流经VD1、R、VD4回到电源，由于二极管导通电压较小，此时输出电压波形为半个正弦波。
在u2负半周，VD2和VD3导通，其作用相当于导线，此时电流经VD2、R、VD3回到电源。
在R上各得到半个整流电压波形。
这样就在负载R上得到一个与全波整流相同的电压波形，其电流的计算与全波整流相同，即UL = 0.9U2IL = 0.9 U2/R流过每个二极管的平均电流为Id = IL/2 = 0.45U2/R图1 单相桥式不控整流电路电阻负载原理图3.2电容滤波的单相不控整流电路的工作原理图2为电容滤波的单相桥式不控整流电路的工作原理图。
假设该电路已工作于稳态，ud 表示电阻两端的电压。
其基本工作过程为：在u2正半周过零点，当u2<ud,二极管均不导通，此阶段电容C向R放电，提供负载所需电流，同时ud 下降。
至u2刚刚超过ud，使得VD1和VD4开通，ud = u2，交流电源向电容充电，同时向负载R供电。
在u2负半周工作情况刚好相反。
图2 电容滤波的单相桥式不控整流电路原理图4.单相桥式不控整流电路的模型建立与仿真4.1单相桥式不控整流电路Matlab实验电路如下：图3 单相桥式不控整流电路电路图4.2 电容滤波的单相桥式不控整流电路Matlab仿真电路图如下：图4 电容滤波的单相桥式不控整流电路以电容滤波的单相不控整流电路说明其仿真模型的建立。
单相交流电源AC1参数设置为（Um=220V，f=50HZ），整流桥选用普通二极管，参数不用修改。
输出端接电阻性负载，可以模拟仿真各类电阻性负载，由于要求输出电流为100A，故负载选择Series RLC Branch，参数设置为R=2Ω、L=0mH、C=inf，即将电感视为零，电容视为无穷大，变为电阻性负载。
同样，为了实现电容滤波，与电阻并联支路负载选择Series RLC Branch，参数设置为R=0Ω、L=0mH、C=3e-2F，此时的滤波效果比较理想。
由于交流电源频率为50HZ，即工作周期为0.02秒，故仿真时间设置为1秒，即50个周期。
用几个示波器分别观察交流电源、输入电流、输出电压以及输出电流波形。
特别注意为了测量波形谐波，接入powergui元件。
4.3感容滤波的单相桥式不控整流电路图5感容滤波的单相桥式不控整流电路5.单相桥式不控整流电路的相关原理与计算5.1 相关参数计算（以电容滤波为例）idVD1 VD3 i2udi c iRθVD2 VD4 δ该电路的基本工作过程是，在u2正半周过零至ωt=0期间，因u2<ud，故二极管均不导通，此阶段电容C向R放电，提供负载所需电流，同时ud 下降。
至ωt=0之后，u2将要超过ud 使得VD1和VD4导通，u2=ud，交流电源向电容充电，期间向负载R供电。
设VD1和VD4导通的时刻与u2过零点相距δ角，则u 2=2U2sin（ωt+δ）（1）在VD1和VD4导通期间，以下方程成立：ud （0）=2U2sinδ（2）ud （0）+C1⎰t c i0d t= u2（3）式中， ud（0）为VD1和VD4开始导通时刻的直流侧电压值。
将（1）代入并求解得:ic =2ωCU2cos（ωt+δ）（4）而负载电流为:iR =Ru2=RU22sin（ωt+δ）（5）由此可知:id = ic+ iR=2ωCU2cos（ωt+δ）+RU22sin（ωt+δ）（6）设VD1和VD4的导通角为θ，则当ωt=θ，VD1和VD4关断。
将id（θ）=0代入式（6），得:tanδθ+)=-ω(7)电容被充电到ωt=θ时，u2=ud=2U2sin（θ+δ），VD1和VD4关断。
电容开始以时间常数RC按指数函数放电。
当ωt=π，即放电经过π-θ角时，ud降至开始充电时的初值2U2sinδ，另一对二极管VD2和VD3导通，此后u2又向C充电，与u2正半周的情况一样。
由于二极管导通后u2开始向C充电时的ud与二极管关断后C放电结束时的ud相等。
δ和θ仅由乘积ωRC决定。
5.2主要数量关系输出电压平均值空载时，R=∞，放电时间常数为无穷大，输出电压最大，Ud =2U2。
整流电压平均值Ud 可根据前述波形及有关计算公式推导得出。
空载时，Ud=2U2；重载时，R很小，电容放电很快，几乎失去储能作用。
随负载加重，Ud 逐渐趋近于0.9U2，及趋近于电阻负载时的特性。
根据负载情况选择电容C值，使之RC≥（3-5）T/2，T为交流电源的周期，此时输出电压为:U d ≈1.2U2（8）输出电流平均值IR为I R =RUd（9）在稳态时，电容C在一个电源周期内吸收的能量和释放的能量相等，其电压平均值保持不变。
相应地，流经电容的电流在一周期内的平均值为零，又由id = ic+ iR得出I d = IR在一个电源周期中，id有两个波头，分别轮流流过VD1、VD4和VD2、VD3.反过来说，流过某个二极管的电流iVD只是两个波头中的一个，其平均值为id VD =2dI=2RI（10）在给定的实验数据中，代入以上公式计算知本次仿真主要参数为输入电压为220V、50HZ，在负载电阻参数R=2Ω时，电容参数设置为C=3e-2F。
5.3单相桥式不可控整流电路谐波分析实用的单相不控整流电路带电容滤波时，通常串联滤波电感抑制冲击电流。
电容滤波的单相不控整流电路电路交流侧谐波组成有以下规律：1）谐波次数为基数。
2）谐波次数越高，谐波幅值越小。
3）与带阻感负载的单相全控桥整流电路相比，谐波与基波的关系是不固定的，ωRC 越大，则谐波越大，而基波越小。
这是因为，ωRC越大，意味着负载越轻，二极管的导通角越小，则交流侧电流波形的底部就越窄，波形畸变也越严重。
4）ωLC越大，则谐波越小，因为串联电感L抑制冲击电流从而抑制了交流电流的畸变。
6电容滤波和感容滤波的单相不控整流电路的波形仿真情况6.1电容滤波的单相桥式不控整流电路带电阻性负载输入电压为220V、50HZ，参数R=2Ω，C=3e-2F，由图可见输出电压为220V左右，输出电流大致为100A。
输入电流的谐波分析采用powergui元件，在structure里面选择ScopeData，starttime设置为0.2S,得到的谐波分析图如下，其中可见THD=154.15%。
（THD谐波失真是指输出信号比输入信号多出的谐波成分。
所有附加谐波电平之和称为总谐波失真。
总谐波失真与频率有关。
）6.2感容滤波的单相桥式不控整流电路输入电压为220V、50HZ，参数R=2Ω，C=3e-2F，L=20mH，由图可见输出电压为220V 左右，输出电流大致为100A，但是相比电阻性负载，输出电流波形更加平直，输入电流上升段平缓了很多。
即电感的平波作用体现明显，更加有利于电路的工作。
输入电流的谐波分析同样采用powergui元件，在structure里面选择ScopeData，starttime设置为0.6S,得到的谐波分析图如下，其中可见THD=48.49%。
可见，电感的加入使得THD从154.15%降为48.49%，有明显的削弱谐波的作用。
以一小部分波形为例说明电感的作用，截图如下：在输入交流电压正半周，当达到二极管导通电压后，二极管VD1和VD4导通，由于电感的加入，相比没有电感时，在电压上升期，电感可以储存一部分能量，以阻碍电压的上升，使得上升电压变得平缓。
当电压下降时，储存在电感中的电能释放，使得下降电压变得平缓。
可见一个20mH的电阻已经使输入电流的上升变得相当平缓，即电感的接入对于波形的改善是很明显的。
7几个参数的改变对输入电流波形的影响7.1电阻性负载（输入电压为220V、50HZ，参数R=2Ω，C=inf，L=0mH）输入电流波形如上图，其中由于负载为电阻，故而输入电流波形接近于正弦波，此时THD=0.44%，说明此时电阻性负载产生的谐波很小。
7.2电阻性负载带电容滤波（输入电压为220V、50HZ，参数R=2Ω，L=0mH）7.2.1电阻不变，电容变化时波形及谐波情况如下：电容C=3e-2F时：由于电容的加入，使得电路的谐波增大，THD=157.90%，谐波总失真变大。