单相桥式不控整流电路的谐波分析报告
电力电子技术实验指导(2014下)
《电力电子技术》实验指导书自动化教研室二○一四年八月实验一单项桥式半控整流电路实验实验性质：验证性实验实验日期：一、实验目的1.加深对单相桥式半控整流电路带电阻性、电阻电感性负载时各工作情况的理解。
2.了解单相桥式半控整流电路的工作原理，学会对实验中出现的问题加以分析和解决。
二、实验设备三、实验线路及原理本实验电路图如图1-1 所示，实验线路图如图1-2 所示。
两组锯齿波同步移相触发电路均在TK-12挂件上，触发信号加到两个晶闸管（锯齿波触发脉冲G1，K1加到VT1的控制极和阴极，G3，K3加到VT3控制极和阴极），图中的R电阻900Ω，电感L d用100mH，直流电压表、电流表从电源控制屏获得。
四、实验内容1.锯齿波同步触发电路的调试。
2.单相桥式半控整流电路带电阻性负载。
3.单相桥式半控整流电路带电阻电感性负载。
图1-1 电路图图1-2 接线路图五、预习要求1.阅读电力电子技术教材中有关单相桥式半控整流电路的有关内容。
2.了解单相桥式半控整流电路的工作原理。
六、思考题1.单相桥式半控整流电路在什么情况下会发生失控现象?七、实验方法1.用两根导线将220V将TKDD-2电源控制屏的交流电压接到TK-12的“外接220V”端，按下“启动”按钮，打开TK-12电源开关，用双踪示波器观察“锯齿波同步触发电路”各观察孔的波形。
2.锯齿波同步移相触发电路调试。
令U ct=0时（RP2电位器顺时针转到底），α＝170o。
3.单相桥式半控整流电路带电阻性负载：按原理图1-2接线，主电路接可调电阻R，将电阻器调到最大阻值位置，按下“启动”按钮，用示波器观察负载电压U d、晶闸管两端电压U VT，调节锯齿波同步移相触发电路上的移相控制电位器RP2，观察并记录在不同α角时U d的波形，测量相应电源电压U2、负载电压U d、电流I d计算公式: U d = 0.9U2(1+cosα)/24.单相桥式半控整流电路带电阻电感性负载①断开主电路后，将负载换成将平波电抗器L d(10OmH)与电阻R串联。
单相桥式半控整流电路导通角变化对输出电压和电流的影响
单相桥式半控整流电路导通角变化对输出电压和电流的影响1. 引言1.1 概述单相桥式半控整流电路是一种常见的电力电子器件，广泛应用于电力系统和工业领域。
通过控制导通角可以实现对输出电压和电流的调节，从而实现精确的功率控制。
本文旨在研究导通角变化对单相桥式半控整流电路输出电压和电流的影响，进一步揭示其性能特点和优化方向。
1.2 文章结构本文共分为五个部分，各部分内容安排如下：第一部分为引言部分，主要概述了单相桥式半控整流电路的背景和重要性，并简要介绍了文章结构。
第二部分详细介绍了单相桥式半控整流电路的原理和操作方式。
其中包括对整流电路导通角度的定义及其影响因素进行了阐述。
第三部分主要关注导通角变化对输出电压的影响进行实验设计，并提供了相关实验结果的详细数据分析。
第四部分则侧重于导通角变化对输出电流的影响，并以实验结果为基础进行深入讨论，并进一步提出改进方向以及未来研究的展望。
最后，第五部分为结论部分，总结了全文的主要研究成果，并对未来进一步研究方向进行了展望。
1.3 目的通过本文对单相桥式半控整流电路导通角变化对输出电压和电流的影响进行探索，旨在深入理解该电路的性能特点及其优势与局限性。
同时，通过实验设计和结果分析提供了具体数据支持，以期为整流电路性能改进和工程应用提供参考依据。
2. 单相桥式半控整流电路导通角变化对输出电压和电流的影响2.1 单相桥式半控整流电路介绍单相桥式半控整流电路是一种常见的变流器拓扑结构，在工业和家庭应用中广泛使用。
它由四个二极管和一个受控开关组成，可以实现交流电到直流电的转换。
该电路具有简单、可靠、节能等优点，可以广泛应用于直流驱动技术等领域。
2.2 整流电路导通角的定义和影响因素在单相桥式半控整流电路中，导通角度指的是受控开关（例如晶闸管）开始导通至结束导通之间的时间间隔。
导通角度的改变会对整流电路的输出特性产生重要影响。
导通角度受多种因素影响，包括负载情况、输入交流电源频率、集成触发器的设置等。
海上风电场并网点谐波治理方法探讨
海上风电场并网点谐波治理方法探讨摘要：近年来，随着国家“3060”战略的逐步落地，各沿海省份大力发展海上风电项目，在海上风电项目并网过程中，电能质量问题逐渐引起属地电网的关注，海上风电项目并网电能质量问题中，谐波问题尤为突出。
本文主要分析了风电场产生谐波的原因，并对由于长距离海缆接入引起的地区电网背景谐波放大，从而导致的海上风电项目并网点谐波超标问题的一种治理方法进行了阐述，并以东南沿海某海上风电项目为例，分别对无源滤波和有源滤波两种治理方案进行了分析比较。
关键词：海上风电谐波长距离海缆有源滤波1.谐波产生的原因及危害1.1谐波产生的原因在电力系统中谐波产生的基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数倍。
谐波是正弦波，每个谐波都具有不同的频率，幅度和相角。
目前，常用的整流电路几乎都采用晶闸管相控整流电路或二极管整流电路，其中以三相桥式和单相桥式整流电路为最多。
带阻感负载的整流电路产生的谐波为人们所熟悉，另外直流侧采用电容滤波的二极管整流电路也是严重的谐波污染源，还有采用相控方式的交流电力调整电路及周边变流器等电力电子装置也会在输入侧产生大量的谐波电流。
对于风电机组来说，发电机本身产生的谐波是可以忽略的，谐波电流的真正来源是风电机组中采用的电力电子元件，变风速风电机组采用大容量的电力电子元件，直驱永磁同步风力发电机组的交直交变频器采用可控PWM整流或不控整流后接DC/DC变换，在电网侧采用PWM逆变器输出恒定频率和电压的三相交流电；双馈异步风力发电机组定子绕组直接接入交流电网，转自绕组端接线由三只滑环引出接至一台双向功率变换器，电网侧同样采用PWM逆变器，定子绕组端口并网后始终发出电功率，转子绕组端口电功率的流向取决于转差率。
此类原因的谐波治理方式不在本文的讨论范围内。
1.2谐波的危害理想的公用电网所提供的电压应该是单一而固定的频率以及规定的电压幅值。
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。
建筑电气谐波治理措施及设备选型简析
建筑电气谐波治理措施及设备选型简析发布时间：2023-03-29T07:43:07.090Z 来源：《中国电业与能源》2023年1期作者：安晓阳张一飞付洪辉[导读] 随着经济的发展，在交流电网中有较多非线性电气设备，这些设备在投入运行时，安晓阳张一飞付洪辉中国汽车工业工程有限公司天津市 300113摘要：随着经济的发展，在交流电网中有较多非线性电气设备，这些设备在投入运行时，其电压、电流的波形不是完整的正弦波，是畸变的非正弦波，从而产生大量的谐波，而谐波的产生会对电气设备的使用、性能及使用寿命造成直接的影响，进而影响了整个电气系统的运行。
因此，有必要对谐波的来源及其危害进行总结和分析，然后采取适当的措施对谐波进行治理，有效提升电气设备的使用效果。
关键词：建筑电气；谐波；治理措施；设备选型；简析引言在建筑中，谐波除了来自变压器、旋转电机外，还来自半导体等非线性电子设备。
例如，使用单相桥式或三相桥式整流电路的空调、计算机等设备，虽然单个设备的谐波含量不大，但由于数量众多，产生的谐波量较大，能够达到15%~70%的谐波失真度。
在建筑供配电系统中，变压器、导线、电容器等会受到谐波的影响造成电气保护设备误动，降低设备的使用寿命，造成电能计量装置计量误差，导致建筑供电系统的可靠性大幅下降。
当谐波在建筑电气中较多或者存在时间过长时会使电气中的电流增加，导致温度迅速上升而引发火灾，给人们的生命和财产安全带来损失。
1谐波对建筑电气设备的影响1.1谐波对变压器的影响当变压器中的谐波电流产生影响时，会形成相应的集肤效应，导致变压器相关参数发生改变。
常见的变压器是T型等效电路，如果将各种谐波分量视为不同的电流源或电压源，在变压器的一次侧和二次侧进行叠加，在谐波作用下形成等效电路。
无论承载的负荷是谐波源还是上级电网是谐波源都会导致谐波电压畸变率，导致线性负载电流扭曲，电气设备受损。
若出现谐波电流跳到高压侧时，也会对高压电网造成影响，严重影响供电质量。
谐波原理及治理方法
谐波原理及治理方法一、1. 何为谐波？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，道理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
用户供电电 压 (KV)
0.38
电压畸变极 限(％)
５
6或10 35或63 110
４
３
1.5
B.用户单台变流设备接入电网的允许容量
用户供电电 压
(kV)
0.38
6或10
35或63
110及以上
设备型式
不控 半控 全控
不控 半控 全控
不控 半控 全控
不控 半控 全控
=0时：m脉波整流电路的整流电压
和整流电流的谐波分析
1) 整流输出电压谐波分析：
将纵坐标选在整流电压的峰值处，则在-/m~/m区间，整
流电压的表达式为：
ud0 2 cost
对该整流输出电压进行傅里叶级数分解，得出：
ud0
Ud0
bn
nmk
cos nt
Ud0 1
2 cos k
nmk n2 1
五、抑制谐波与改善功率因数
相控变流技术的电力电子装置存在着网侧功率因 数低以及投网运行时向电网注入谐波的两大问题。 采取措施，抑制以至消除这些电力公害是电力电子 技术领域中一项重要的研究课题，也是国内外学者 研究的热门课题。
bn
R2 (nL)2
n次谐波电流的滞后角为：
jn
arctan
nL
R
四、整流输出电压和电流的谐波分析
3） =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；
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 ° °
单相桥式全控整流电路仿真建模分析实验报告
一.实验目的1）不同负载时，三相可控整流电路的结构、工作原理、波形分析。
2) 在仿真软件Matlab中进行单相可控整流电路的建模与仿真，并分析其波形。
二.实验内容单相桥式全控整流电路仿真建模分析一、单相桥式全控整流电路(电阻性负载)1.电路的结构与工作原理1.1电路结构R图 1 单相桥式全控整流电路(纯电阻负载)的电路原理图1.2 工作原理在电源电压正半波，在wt＜α时，晶闸管VT1，VT4承受正向电压，晶闸管VT2，VT3承受反向电压，此时4个晶闸管都不导通，且假设4个晶闸管的漏电阻相等，则ut1(4)=ut2(3)=1/2U2；在wt=α时，晶闸管VT1，VT4满足晶闸管导通的两条件，晶闸管VT1，VT4导通，负载上的电压等于变压器两端的电压U2；在wt=π时，因电源电压过零，通过晶闸管VT1，VT4的阳极电流小于维持晶闸管导通的条件下降为零，晶闸管关断；在电源负半波，在wt＜α+π时，触发晶闸管VT2，VT3使其元件导通，电源电压沿正半周期的方向施加到负载电阻上，负载上有输出电压（Ud=-U2）和电流，且波形相位相同。
此时电源电压反向施加到晶闸管VT1，VT4，使其承受反向电压而处于关断状态；在wt=2π时，因电源电压过零，通过晶闸管VT2，VT3的阳极电流小于维持晶闸管导通的条件下降为零，晶闸管关断。
1.3基本数量关系a.直流输出电压平均值2cos 19.02cos 122)(sin 21222απωωπαπα+=+==⎰U U t d t U U db.输出电流平均值2cos 1.9.02aR U R U I d d +==c.负载电压有效值πππaa U U -+=22sin .2 d.负载电流有效值πππaa R U I -+=22sin 22. 单相桥式全控整流电路建模在MA TLAB 新建一个Model ，命名为quankong1，同时模型建立如下图所示：图 2 单相桥式全控整流电路(电阻性负载)的MATLAB仿真模型2.1模型参数设置在此电路中，输入电压的电压设置为220V，频率设置为50Hz，电阻阻值设置为1欧姆，电感设置为1e-3H，脉冲输入的电压设置为3V，周期设置为0.02（与输入电压一致周期），占空比设置为10%，触发角分别设置为20°，60°，90°，150°因为两个晶闸管在对应时刻不断地周期性交替导通，关断，所以脉冲出发周琴应相差180°。
电力电子技术(随堂练习)
电力电子技术随堂练习第一章电力二极管和晶闸管一、单选题1．晶闸管内部有（）PN结A．一个B．二个C．三个D．四个【答案：C】2. 晶闸管两端并联一个RC电路的作用是（C ）A．分流B．降压C．过电压保护D．过电流保护【答案：C】3. 普通晶闸管的通态电流（额定电流）是用电流的（）来表示的A．有效值 B．最大值 C．平均值 D．瞬时值【答案：C】4. 晶闸管在电路中的门极正向偏压（）愈好A．愈大 B．愈小 C．不变 D．0 【答案：B】二、判断题1．晶闸管串联使用时，必须注意均流问题。
（）【答案：×】2．给晶闸管加上正向阳极电压它就会导通。
（）【答案：×】3. 两个以上晶闸管串联使用，是为了解决自身额定电压偏低，不能胜任电路电压要求，而采取的一种解决方法，但必须采取均压措施。
（）【答案：√】4. 触发普通晶闸管的触发脉冲，也能触发可关断晶闸管。
（）【答案：×】5. 普通晶闸管外部有三个电极，分别是基极、发射极和集电极。
（）【答案：×】6. 只要让加在晶闸管两端的电压减小为零，晶闸管就会关断。
（）【答案：×】7. 只要给门极加上触发电压，晶闸管就导通。
（）【答案：×】第二章单相可控整流电路一、单选题1．单相半控桥整流电路的两只晶闸管的触发脉冲依次应相差（）度A．180° B．60° C．360° D．120°【答案：A】2. 单相半波可控整流电阻性负载电路中，控制角α的最大移相范围是( ) A．90°B．120°C．150°D．180°【答案：D】3. 晶闸管可控整流电路中的控制角α减小，则输出的电压平均值会（）。
A．不变， B．增大， C．减小。
【答案：B】4. 单相半波可控整流电路输出直流电压的最大平均值等于整流前交流电压的（）倍。
A．1， B．0.5， C．0.45， D．0.9.【答案：C 】5. 单相桥式全控整流电路输出直流电压的最大平均值等于整流前交流电压的（）倍。
07-整流电路之不可控整流电路解析
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
IR = Ud /R （3-47） （3-48） Id =IR ID = Id / 2=IR/ 2 （3-49）
2U 2
2-12
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。 ud波形更平直，电流i2的上升段平缓了许多，这 对于电路的工作是有利的。
n 1
(3-55)
式中
a0
1 2
0
2
0
u( t )d( t )
an
bn
1
1
2
u(t ) cos ntd(t )
u( t ) sin n td( t )
2
0
n=1, 2, 3… 2-25
ia O b)
t
ia O
t
c)
图3-34 考虑电感时电容滤波的三相桥式整流电路及其波形 a）电路原理图 b）轻载时的交流侧电流波形 c）重载时的交流侧电流波形 2-16
3.4.2电容滤波的三相不可控整流电路
2) 主要数量关系
（1）输出电压平均值
Ud在（2.34U2 ~2.45U2）之间变化
（2）电流平均值
2U 2 sind
(3-43) (3-44)
q d arctg(RC)
由式（3-42）和（3-43）得
RC
(RC ) 2 1
e
arctg (RC) RC
e
d RC
sind
(3-45)
可由式（3-45）求出d，进而由式（3-44）求出q,显然d和q仅由乘积RC决定。 2-10
单相全波整流电路仿真
一、题目单相全波整流电路，带阻感负载，输入交流电源，电压有效值U2=220V，带阻感性负载，R＝5Ω，L=100mH。
1、基于Simulink或Psim建立仿真模型。
2、完成控制角α=0°、α=30°、α=60°、α=90°、α=120°时的仿真实验，给出电路进入电路进入周期稳定时整流输出电压u d、整流输出电流i d、交流侧电流i2以及晶闸管VT1电压的仿真波形，并对仿真数据和理论计算数据进行比较分析。
3、确定晶闸管的额定电压和额定电流。
4、分析α=0°时交流侧电流谐波、功率因数和直流侧输出电压的谐波。
二、电路原理图电压有效值U1=220V，带阻感性负载，R＝5Ω，L=100mH，变压器容量P n=10000。
如图所示,在电源电压正半周期间,晶闸管VT1承受正向电压,VT2承受反向电压。
若在t=时触发,VT1导通,电流经VT1,阻感负载和T二次侧中心抽头形成回路,但由于大电感的存在,电压过零变负时,电感上的感应电动势使VT1继续导通,直到VT2被触发时,VT1承受反相电压而截至。
在电源电压负半周期间,晶闸管VT2承受正向电压,在ωt=α+π时触发,VT2导通,VT1反向截至,负载电流从VT1中换流至VT2中在ωt=2π时,电压过零,VT2因电感L中的感应电动势一直导通,直到下一个周期VT1导通时。
只有当α≤π2时,负载电流才连续,当α>π2时,负载电流不连续,而且输出电压的平均值接近于零,因此该电路控制角的移相范围是0~π2三、电路参数计算（1）控制角变化范围U d=1π∫√2U2sinωt d(ωt)π+αα=2√2πU2cosα=0.9U2cosα当α=90°时，U d=0，所以控制角α的变化范围为0-90°，大于90°无意义。
图1电路原理图（2）整流输出电压U dU d =1π∫√2U 2sin ωt d (ωt )π+αα=2√2πU 2cos α=0.9U 2cos α2U 为变压器二次绕组两个部分各自交流电压有效值。
单相桥式全控整流电路实验报告
一、实验目的1. 理解单相桥式全控整流电路的工作原理。
2. 掌握单相桥式全控整流电路的搭建方法。
3. 分析单相桥式全控整流电路在不同负载条件下的性能。
4. 学习使用示波器等实验仪器进行电路测试。
二、实验原理单相桥式全控整流电路由四个晶闸管（VT1、VT2、VT3、VT4）和负载组成。
当交流电源电压为正半周时，晶闸管VT1和VT4导通，电流从电源正极流向负载；当交流电源电压为负半周时，晶闸管VT2和VT3导通，电流从电源负极流向负载。
通过调节晶闸管的触发角，可以控制输出电压的大小。
三、实验器材1. 单相桥式全控整流电路实验装置2. 晶闸管模块3. 负载电阻4. 负载电感5. 电源6. 示波器7. 万用表8. 交流电源9. 接线板四、实验步骤1. 搭建单相桥式全控整流电路，确保电路连接正确。
2. 使用示波器观察交流电源电压波形。
3. 调节晶闸管的触发角，观察输出电压波形。
4. 测试不同负载条件下的输出电压和电流。
5. 记录实验数据，进行分析。
五、实验结果与分析1. 观察到当晶闸管的触发角为0度时，输出电压为0；当触发角为180度时，输出电压为交流电源电压的峰值。
2. 当负载为电阻时，输出电压和电流的波形基本一致，且电压和电流的平均值随触发角的增大而减小。
3. 当负载为电感时，输出电压和电流的波形存在相位差，且电流的峰值滞后于电压的峰值。
4. 当负载为电阻-电感时，输出电压和电流的波形与电阻负载相似，但电流的峰值滞后于电压的峰值。
六、实验结论1. 单相桥式全控整流电路可以将交流电转换为直流电，且输出电压大小可调。
2. 不同负载条件下，输出电压和电流的波形存在差异。
3. 通过调节晶闸管的触发角，可以控制输出电压的大小。
七、心得体会1. 通过本次实验，加深了对单相桥式全控整流电路工作原理的理解。
2. 学会了使用示波器等实验仪器进行电路测试。
3. 了解了不同负载条件下电路性能的变化。
八、注意事项1. 在搭建电路时，注意晶闸管的正确连接。
PWM整流电路原理分析
一：PWM整流电路1.单相PWM整流电路单相桥式PWM整流电路如图1所示。
按照自然采样法对功率开关器件VT1～VT4进行SPWM控制，就可在全桥的交流输入端AB间产生出SPWM波电压。
中含有和正弦调制波同频、幅值成比例的基波，以及载波频率的高次谐波，但不含低次谐波。
由于交流侧输入电感Ls的作用，高次谐波造成的电流脉动被滤除，控制正弦调制波频率使之与电源同频，则输入电流也可为与电源同频正弦波。
单相桥式PWM整流电路按升压斩波原理工作。
当交流电源电压时，由VT2、VD4、VD1、Ls和VT3、VD1、VD4、Ls分别组成两个升压斩波电路。
以VT2、VD4、VD1、Ls构成的电路为例，当VT2导通时，通过VT2、VD4向Ls储能；当VT2关断时，Ls中的储能通过VD1、VD4向直流侧电容C充电，致使直流电压高于的峰值。
当时，则由VT1、VD3、VD2、Ls和VT4、VD2、VD3、Ls分别组成两个升压斩波电路，工作原理与时类似。
由于电压型PWM整流电路是升压型整流电路，其输出直流电压应从交流电压峰值向上调节，向低调节会恶化输入特性，甚至不能工作。
图1 单相PWM整流电路输入电流相对电源电压的相位是通过对整流电路交流输入电压的控制来实现调节。
图5-47给出交流输入回路基波等效电路及各种运行状态下的相量图。
图中分别为交流电源电压、电感上电压、电阻上电压及输入电流的基波相量，为的相量。
图2 PWM整流电路输入等效电路及运行状态相量图图（b）为PWM整流状态，此时控制滞后的一个角，以确保与同相位，功率因数为1，能量从交流侧送至直流侧。
图（c）为PWM逆变状态，此时控制超前的一个角，以确保与正好反相位，功率因数也为1，但能量从直流侧返回至交流侧。
从图（b）、（c）可以看出，PWM整流电路只要控制的相位，就可方便地实现能量的双向流动，这对需要有再生制动功能、欲实现四象限运行的交流调速系统是一种必须的变流电路方案。
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
单相桥式全控整流电路中的谐波分析
2. 1 直流侧电压谐波分析 uda 可表达为 uda = 2 U2 sinωt , k′π+α≤ωt ≤( k′+ 1)π+α, k′= 0 ,1 ,2 , …
uda是周期为π的周期函数 ,根据傅立叶级数分析 ,可将其分解为傅立叶级数叠架的形式为
∞
∞
Uαα = Uda + ∑an sin nωt + ∑bn cos nωt k = 1 ,2 ,3 , …
∞
∞
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)
…等高次谐波. n 次谐波电流的有效值
In =
1
( an 2
+
bn 2 )
1 2
2
=
2 I2 π
(1 + cos2α+
n2 sin2
nα-
2cos2 nαcosαn2 - 1
2 nsin nαsinα) 1Π2 与
n 及控制角α有关.
2 电感性负载
假设电感很大 :ωL >> R ,负载电流 Id 连续 ,且其波形为一水平线 : id = Id ; uda 、id 、i2 分别为负载电压 、负载电流 、整流变压 器二次侧电流.
( n = 2 k + 1 , k
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。
单相桥式全控整流电路畸变因数
单相桥式全控整流电路畸变因数【概述】单相桥式全控整流电路是一种常见的电力变换器，通过调整晶闸管的触发角来控制输出电压和电流。
然而，这种电路在实际应用中可能会产生畸变因数，影响电力质量。
本文将从深度和广度的角度探讨单相桥式全控整流电路畸变因数的形成、影响及改善方法，帮助读者更全面地理解这一主题。
---【畸变因数的形成】1. 畸变因数的概念畸变因数是指非正弦波电压或电流引起的电力系统负荷对正弦基波电压或电流的扭曲程度，通常表示为THD（Total Harmonic Distortion）。
在单相桥式全控整流电路中，由于晶闸管的导通和关断过程与电压和电流的波形存在一定的失真，因而会引起畸变因数的增加。
2. 晶闸管的触发控制在单相桥式全控整流电路中，晶闸管的触发控制是通过改变触发脉冲的相位来控制输出电压和电流。
然而，触发角的改变会引起输出波形的扭曲，进而增加畸变因数。
3. 电源和负载特性电源的波形不纯和负载的非线性特性也会对单相桥式全控整流电路的输出波形产生影响，导致畸变因数的增加。
4. 其他因素除了以上因素外，温度、电压波动、元器件参数的变化等也会对畸变因数产生影响。
【畸变因数的影响】1. 对电力系统的影响畸变因数的增加会导致电力系统中谐波电流的增加，影响电力设备的正常运行，甚至对电网带来负面影响。
2. 对电器设备的影响谐波电流会引起电器设备中感性元件的损耗增加、温升升高，甚至影响设备的安全稳定运行。
【改善畸变因数的方法】1. 优化触发脉冲通过优化触发脉冲的相位和宽度，可以减小晶闸管的导通和关断过程对电压和电流波形的影响，从而降低畸变因数。
2. 滤波电路的应用在单相桥式全控整流电路的输出端串联适当的滤波电路，可以削弱谐波成分，降低畸变因数。
3. 选择合适的电源和负载通过选择电源波形更纯和负载更线性的情况，可以降低畸变因数的产生。
【个人观点】畸变因数是当前电力系统面临的一个重要问题，特别是在高功率、高频率的电力变换器中更为突出。
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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。
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u2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仿真实验电路如下：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。
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0.06秒，即三个周期。
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 i2udic 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u2=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:tan(δθ+)=-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，参数R=2Ω，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。
谐波失真是系统不是完全线性造成的。
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整。
即电感的平波作用体现明显。
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，即阻碍电压的上升，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。
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。
电容增大时（C=4e-2F）时，波形及谐波分析如下：可见，电容的增大，使得THD变化为168.50%，谐波总失真进一步增大。
当电容减小时（C=4e-3F），时，波形及谐波分析如下：可见，当电容减小时，输入电流波形变得更加不规则，但是THD=78.37%，相对电容为C=3e-2时F有所减小。
当电容进一步减小为（C=2e-3F）时，波形及谐波分析如下：此时输入电流THD=58.47%，可见输入电流总谐波失真进一步减小。
输入电压为220V、50HZ，参数R=2Ω，L=0mH时，电容改变时各数据如下：组别Fundamental THDC=inf（阻性）108.8 0.44%C=4e-2F 214.2 168.50%C=3e-2F 213 157.90%C=4e-3F 126．2 78.37%C=2e-3F 93.6 58.47%由表格数据可知，随着电容C的减小，总谐波失真越来越小，即 RC越大，负载越轻，同时，从波形上看，电容的主要影响有：1）电容越大，滤波效果更加明显，输入电流波形更加规整，更加接近于锯齿波。
2）电容越大，其所能储存的电能越多，释放时的冲击电流也就越大。