三相桥式整流电路的谐波分析及对策研究石庆鑫,卢艺丹(浙江大学电气工程学院,杭州310027)摘要:简要论述了谐波对电气设备的危害以及电力电子装置中谐波的产生原因,并且以目前应用较广的三相整流电路为例,推导了其谐波电流的数学模型,分析了谐波与功率因数的关系。
然后分析了实际应用的三相整流电路中各个元件对谐波的抑制作用。
最后利用M atlab中的Si m uli nk仿真功能,记录了基于I GBT的三相桥式整流电路的电压、电流波形。
通过改进前和改进后的三相整流电路输出波形的对比,初步验证了谐波抑制的原理,提出了三相整流电路的改进建议。
关键词:三相整流电路;谐波;功率因数中图分类号:TM711文献标识码:B文章编号:1003-9171(2010)11-0007-04Anal ysis on Harmonic of Three-phase Ful-l bri dgeRectifier Circuit and Counterm eas ureShi Q ing-x in,Lu Y-i dan(College of Eletri ca l Eng i neering,Zhejiang U ni versity,H angzhou310027,Ch i na)Abstract:This paper gives a brief summ ar y on the detrm i ent of har mon i c to w ards electrical equ i p m ents asw ell as the reason of generation of har mon ic in electrical equi pm e nts.T aking t he exa mple of currently used dev i ce three-phase f ul-l bri dge rect ifier circuit,t he paper then gives a basic de m onstrat i on of its math m atical m odel and an analysis on the rel ationshi p be wteen har mon ic and po wer factor.The n,the paper g i ves an analysis on ho w the co m ponents o f the practical three-phase rect ifiers hel p reduce har mon ic i n the circuit.A t last,by usi ng the sm i uli nk ofM atlab as a for m of sm i ulation,the w avefor m s,both vo ltage and c urrent,of t hree-phase rect ifier based on I GBT is observed.By co m-pari ng the w avefor m of unm i proved three-phase rectifier and the m i proved one,t he pri nciple of har mon ic reduci ng is de m onstrated.Further more,the paper suggests the m i prov i ng strategy of three-phase rectifier.K ey words:three-phase ful-l bri dge rect ifier circuit;har m onic;po wer factor0引言环境保护与可持续发展是当今世界的热点问题,同样,与人类生产生活密不可分的电力系统也是一种/环境0,也面临着污染。
公用电网中的谐波(包括电流谐波和电压谐波)就是一种严重的污染源。
因此,随着电力系统的日益发展,如直流输电(换流器运行中产生谐波),谐波抑制与无功功率补偿(简称无功补偿)就变得越来越重要,它是涉及电力电子技术、电力系统、自动化等领域的重大问题。
近年来,电力电子技术的发展日新月异,由于电力电子装置本身可以产生谐波或将其放大,又可以作为滤波器抑制谐波。
因此,要使电力电子设备发挥对谐波的抑制作用,就要对传统的电力电子设备进行一些必要的改进。
本文简要总结了谐波对电气设备的危害以及电力电子装置中谐波的产生原因。
进而以现在应用较广的三相桥式整流电路为例,初步推导了其谐波电流的数学模型,分析了电路中各个元件对谐波抑制的作用,并通过M atlab仿真,验证了谐波抑制的原理。
1谐波的危害关于谐波的研究之所以如此重要,是因为它的危害非常严重。
谐波对电力系统和电气设备的危害主要有以下4点:(1)谐波使电力电子元件产生附加的谐波损耗,降低了发电、输电和用电设备的效率,尤其是大量的3次谐波还会使电气设备因过热而烧毁。
(2)谐波除了引起设备的附加损耗外,还会产生机械振动和噪声。
谐波使元件的绝缘老化,使用寿命缩短。
(3)谐波会引起用电设备局部的LC 串联或并联谐振,谐振又反过来使谐波放大。
(4)谐波会干扰通信线路,降低通信质量,甚至使信息丢失。
2 无功功率负荷与谐波的产生211 无功功率负荷与谐波的产生在工业和生活用的负载中,大多数是阻感负载。
例如电动机、日光灯、电力机车等。
向阻感性负载提供直流电的整流器就是电力电子装置谐波分析的主要对象。
此外,由于其具有非线性,电力电子装置本身也要消耗无功功率,产生无功电流,特别是一些相控装置。
下面以电力电子装置中应用最广,也较为简单的三相桥式全控整流电路为例,说明谐波产生的基本原理。
212 三相整流电路的谐波如图1所示三相整流电路,一般情况下,即使经过输入变压器原边的交流电压为正弦波,由于负载中存在电抗,以及变压器副边漏抗的影响,交流侧的输入电流也会发生畸变,成为非正弦波,从而产生谐波电流。
因此,三相整流电路带感性负载时,其输入电流中谐波分量普遍较大,功率因数较低。
二极管整流电路虽然相移因数接近于1,但由于电容的滤波作用,输入电流的谐波分量也很大,所以功率因数也很低。
如果输入端不加校正环节,输入功率因数一般都低于0.8。
因此整流电路的输入电流波形通常近似为平顶波,甚至接近方波。
图1 三相桥式整流电路拓扑图为了简化数学模型的分析,我们暂不考虑换向,并做如下假设:(1)电源为三相平衡电源;(2)直流电感L d 无穷大;(3)交流侧电抗为零;(4)忽略换相过程及电流脉动。
根据三相电源的对称性,不妨以u 相为例讨论。
首先,将电流波形进行傅立叶级数展开,将电流负、正两半波之间的中点作为时间零点,则有: i u =23I d (si n X t -15si n 5X t -17sin7X t+111si n 11X t +113si n 13X t -117sin17X t-119si n 19X t ,)(1)三相电流波形相同,且依次相差120b ,其有效值与直流电流的关系为:I =23I d(2)当控制角A X 0时,只需用X t -A 代替X t 代入上式即可。
由(2)式可得电流基波与各次谐波的有效值分别为:I 1=6I dI n =6n PI d(n =6k ?1,k =1,2,3,,)(3)由此可以得出结论:电流中仅含6k ?1(k 为正整数)次谐波,各次谐波有效值与谐波次数成反比,且与谐波有效值的比值为谐波次数的倒数。
由式(2)、(3)可得基波因数为:v =I 1I =3PU 0.955(4)功率因数为:K =v cos A U 0.955cos A (5)通常整流负载是通过整流变压器接到电源上的。
以上交流侧电流实际上是整流变压器二次侧的线电流。
至于整流变压器的一次测电流,其波形随变压器的连接方式有所不同。
3 谐波的抑制解决电力电子装置和其他谐波污染源方法,归结起来有两条:一是装设谐波补偿装置来补偿谐波,这对于各种谐波源都是适用的;二是对电力电子装置本身进行改造,减少其谐波的产生,使功率因数趋近于1,这种方法仅适用于作为主要谐波源的电力电子装置。
对于作为主要谐波源的电力电子装置来说,除了采用补偿装置对其谐波进行补偿外,还有一条抑制谐波的途径,就是开发新型变流器,使U 、V 、W 三相电流与电压同相位,功率因数近似为1。
为了补偿无功功率,提高功率因数,三相整流电路常在负载处并有电容器。
此外,为了滤除高图3 三相桥式整流电路的S i m u link 仿真分析原理图次谐波电流,也可以在交流侧装设电抗器。
图2 三相整流器主结构如图2,为了降低整流电路对电网的不利影响及限制短路电流,通常在整流电路的输入端接有三角形接法的电容C 或交流进线电抗器L ,从而使整流电路在换相时产生换相重叠角。
以下分别简要分析每个补偿元件的作用(1)三角形接法的电容C :既可以滤除开关器件高频通断所产生的高次谐波电压,又可以吸收交流侧瞬时尖峰电压,保护整流桥上的SCR 或I G BT 。
在大功率整流电路中,电容C 也通常替换为不同类型的高通滤波器。
(2)交流侧电感L :限制开关器件所产生的高次谐波电流,其取值应该适当。
若取值太小,则易与滤波电容C d 发生串联谐振而使电源电流中的高次谐波含量增;取值太大,则影响控制时电源电流跟踪指令信号的速度。
需要指出的是,电路图中所谓/适当0的L 值实际上是变压器副边漏电感L R 与交流侧串接电感L A 的和,即等效电感。
因此,要选择合适的L 值,首先要测出变压器的漏抗X R ,然后选择合适的L A 与之匹配。
(3)直流侧滤波电容C d :其主要功能有两个,一是减少开关器件高频开关动作在输出直流电压中造成的纹波,二是当负载发生变化时,通过电容器的充放电防止负载两端出现大的电压波动,保证负载安全、可靠运行。
(4)根据装置容量、工作频率和P WM 整流技术需要,主电路所用的开关器件VT i (i =1,2,,6)均采用开关频率高、开关损耗小的自关断器件I G BT 。
同时,它们分别带有反并联二极管。
综上所述,该装置采用了I G B T 全控开关器件,通过对SP WM 整流电路的适当控制,可以使输入电流实现正弦化,且和输入电压同相,减小了对公用电网的谐波污染,提高了输入功率因数。
4 仿真分析为了验证三相整流电路中交流侧电感L 与直流侧滤波电容C d 对谐波抑制的作用,利用M atlab 软件中的Sm i uli n k 工具进行仿真。
首先分析基本的三相整流电路电压电流波形,图3为仿真分析的电路图。