2013届本科毕业设计
三相桥式整流电路及其滤波器的设计
专 业 名 称 电气工程及其自动化 学 生 姓 名 学 号 指 导 教 师 完 成 时 间 2013年5月8日 院 （系） 名 称物理与电子信息学院
三相桥式整流电路及其滤波器的设计
物理与电子信息学院 电气工程及其自动化专业 学号：
指导教师：
摘要：本文在对三相桥式全控整流电路的理论分析的基础上，采用Matlab的可视化仿真工具Simulink建立了三相桥式全控整流电路的仿真模型，对输出电压、电流、控制角、以及负载特性进行了动态仿真与研究。仿真结果和理论计算结果一样，从而证明了仿真结果的有效性和精确性，加深了对三相桥式整流电路的认识和理解，同时对系统的的无功和谐波进行了仿真分析；然后根据无功补偿和滤波的需要提出了无源滤波器的参数确定方法；接着设计出了各次无源滤波器，并将其接入系统，通过仿真分析验证其无功补偿和滤波的可行性，达到了对三相交流电整流和对谐波电流滤除的效果。
关键词：整流电路；Simulink；谐波；无源滤波
Design of Three-phase Bridge Rectifier Circuit and Filter
College of Physics and Electronic Information Electrical Engineering and Automation No: Tutor:
Abstract: The paper based on the analysis of the three-phase bridge controlled rectifier circuit theory, Using the visualization simulation tool Simulink of Matlab estanlish three-phase bridge control rectifier circuit. The dynamic simulation and analysis of ontput voltage，current, and load characteristic were performed. the same are simulation results and theoretical calculation results, demonstrating the accuracy and effectiveness of the simulation results, at the same time deeping the understanding of the three-phase bridge rectifier circuit, and then simulint and analyze the reactive power and harmonics of system before filtering ; Secondly determine the parameters of passive harmonic filters; Thirdly connect the filters to the system to simulate and analyze the effect of reactive power compensation and harmonic suppression, reached to the effect of the three-phase alternating current rectifier and the harmonic current filter. Key words: Rectifier circuit; Simulink; Harmonic; Passive filter
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目 录
摘要 .......................................................................................................................................... 1 1 引言 ........................................................................................................................................ 3 2 基于Simulink的三相桥式整流电路建模及仿真分析 ....................................................... 3 2.1 三相桥式整流电路原理 ..................................................................................................... 3 2.2 三相桥式整流电路建模及参数设置 ................................................................................. 4 2.2.1 Matlab/Simulink简介 ....................................................................................................... 4 2.2.2 基于Simulink的建模 ..................................................................................................... 5 2.3 三相桥式整流电路的Simulink的仿真分析 .................................................................... 5 2.3.1 在纯电阻负载时不同触发角的仿真分析 ...................................................................... 5 2.3.2 在电阻电感负载时不同触发角的仿真分析 .................................................................. 8 3 三相桥式整流电路的谐波电流的分析及滤除 .................................................................. 11 3.1 谐波概念及产生原因和危害 ........................................................................................... 11 3.2 三相桥式整流电路的谐波电流的仿真分析 ................................................................... 13 3.3 滤除谐波的方法简介与应用 ........................................................................................... 14 3.3.1 常用无源滤波器的设计 ................................................................................................ 15 3.3.2单调谐滤波器的原理及特性 ......................................................................................... 15 3.3.3双调谐滤波器的原理及特性 ......................................................................................... 16 3.3.4高通滤波器的原理及特性 ............................................................................................. 16 4 三相桥式整流电路滤波电路的设计仿真 .......................................................................... 17 4.1 三相桥式整流电流在电阻负载及特定触发角下装置的谐波和功率分析 ................... 18 4.2 确定补偿容量及各个滤波器的按比例分配的补偿的无功功率 ................................... 18 4.3 单调谐滤波器及高通滤波器的相关计算 ....................................................................... 19 5 结束语 .................................................................................................................................. 21 参考文献 .................................................................................................................................. 21 致谢 .......................................................................................................................................... 22
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1 引言
整流电路[1]是电力电子电路中出现最早的一种，它将交流电变为直流电，应用十分广泛，电路形式多种多样，各具特色。可以从各种角度对整流电路进行分类，主要分类方法有：按组成的器件可分为不可控、半控、全控三种；按电路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相或双向，又分为单拍电路和双拍电路。本文就对三相桥式整流电路进行设计，因为三相桥式整流电路，是电力电子技术中最为重要，也是应用最为广泛的电路。不仅应用与一般工业，也广泛应用于交通运输、电力系统、通信系统、能源系统、及其他领域。常用的三相整流电路有三相桥式不可控整流电路、三相桥式半控整流电路和三相桥式全控整流电路，由于整流电路涉及到交流信号、直流信号以及触发信号，同时包含晶闸管、电容、电感、电阻、等多种原件，采用常规电路分析相当繁琐，高压情况下试验也很难进行。因此本文采用Matlab提供的可视化仿真工具Simulink可直接建立电路的仿真模型，随意改变仿真参数，并且可以立即得到仿真结果，直观性强。本文利用Simlink对三相桥式全控整流电路进行建模，对不同控制角，不同负载情况下进行了仿真分析，同时对交流侧电流进行FFT分析，得出三相桥式全控整流电路产生6K±1次谐波，主要是5次及7次谐波，由于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，同时谐波还可引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁。谐波还会引起继电保护和自动装置误动作，使电能计量出现混乱对于电力系统外部，谐波对通信设备和电子设备会产生严重干扰，所以对整流产生的谐波必须滤除，以减少电力电子装置对电网的谐波污染。
2 基于Simulink的三相桥式整流电路建模及仿真分析
2.1 三相桥式整流电路原理
三相桥式全控整流电路原理图如图1所示。三相桥式全控整流电路是由三相半波整流电路演变而来的，它由三相半波共阴极接法（VT1、VT3、VT5）和三相半波共阳极接法（VT4、VT6、VT2）的串联组合。
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VT1 VT3 VT5 T r id 负载
VT4 VT6 VT2 图1 三相桥式整流电路原理图
其工作特点是任何时刻必须有不同组别的两支晶闸管同时导通，构成电流通路，因为保证电路启动和电流断续后能正常导通，必须对不同组别应到的导通的一对晶闸管同时加触发脉冲，所以触发脉冲按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，相位依次差60°，共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次相差120°，共阳极组VT4、VT6、VT2依次相差120°。同一相的上下两个桥臂，即VT1和VT4、VT3和VT6、VT5和VT2，脉冲差180°。 要使电路正常工作，需保证应同时导通的2个晶闸管均有脉冲，常用的方法有两种：一种是宽脉冲触发，它要求触发脉冲宽度大于60°，另一种是双窄脉冲触发，即触发一个晶闸管时，向一个小序号的晶闸管补发脉冲。宽脉冲触发要求功率大，易使脉冲变压器饱和，所以多采用双窄脉冲。
2.2 三相桥式整流电路建模及参数设置 2.2.1 Matlab/Simulink简介
Matlab 是美国Math Works公司80年代推出的一种数值型计算软件，它集科学计算、自动控制、信号处理、神经网络和图像处理等功能于一体，具有编程效率高、图形功能强等优点。近年来，它已经发展成为适合多学科、多种工作平台的功能强大的大型仿真软件。
Matlab提供的可视化仿真工具Simulink 用来对动态系统进行建模、仿真和分析，支持连续时间、离散时间及两者混合的线性、非线性系统，也支持多变量、多速率的系统，具有模块化、可重载、可封装和图形化编程等特点。大大提高了系统仿真的效率和可靠性。Simulink提供了丰富的模型库供仿真使用，其中包含本文重点应用的 Power System Block。Power System Block[2]的功能非常强大，可以用于电路、电力电子系统、电机系统、电力传输等过程的仿真提供了一种类似电路建模的方式进行模型绘制，在仿真前自动将其变化成状态方程描述的系统形式，然后在Simulink下进行仿真分析。
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