单相桥式不控整流电路的谐波分析报告

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u

2

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u

2

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

U

L = 0.9U

2

I

L = 0.9 U

2

/R

流过每个二极管的平均电流为

I

d = I

L

/2 = 0.45U

2

/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，

u

d 表示电阻两端的电压。其基本工作过程为：在u

2

正半周过零点u

2

d

,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u

d 下降。至u

2

超过u

d

，使得

VD1和VD4开通，u

d = u

2

，交流电源向电容充电，同时向负载R供电。在u

2

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）

i

d

VD1 VD3 i

2u

d

i

c i

R

θ

VD2 VD4 δ

该电路的基本工作过程是，在u

2正半周过零至ωt=0期间，因u

2

d

，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u

d 下降。至ωt=0之后，u

2

将要超过u

d 使得VD1和VD4导通，u

2

=u

d

，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u

2

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：

u

d （0）=2U

2

sinδ（2）

u

d （0）+

C

1⎰t c i0d t= u2（3）

式中， u

d

（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:

i

c =2ωCU

2

cos（ωt+δ）（4）

而负载电流为:

i

R =

R

u

2=

R

U

2

2

sin（ωt+δ）（5）

由此可知:

i

d = i

c

+ i

R

=2ωCU

2

cos（ωt+δ）+

R

U

2

2

sin（ωt+δ）（6）

设VD1和VD4的导通角为θ，则当ωt=θ，VD1和VD4关断。将i

d

（θ）=0代入式（6），得:

tan(δ

θ+)=-ω(7)

电容被充电到ωt=θ时，u

2=u

d

=2U

2

sin（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，u

d

降至开始充电时的初

值2U

2sinδ，另一对二极管VD2和VD3导通，此后u

2

又向C充电，与u

2

正半周的情

况一样。由于二极管导通后u

2开始向C充电时的u

d

与二极管关断后C放电结束时的u

d

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，U

d =2U

2

。

整流电压平均值U

d 可根据前述波形及有关计算公式推导得出。空载时，U

d

=2U

2

；

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，U

d 逐渐趋近于0.9U

2

，

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 ≈1.2U

2

（8）

输出电流平均值I

R

为

I R =

R

U

d（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i

d = i

c

+ i

R

得出

I d = I

R