桥式电路（精选8篇）
桥式电路 篇1
在理想的情况下, 电力供应应该总是为每一个客户端提供完美的正弦电压信号。然而, 由于一些原因, 实际的电压和电流波形总是与标准的正弦波存在偏差, 即所谓的波形畸变。我们把这种畸变称为谐波畸变。伴随着电力电子技术的飞速发展, 各式各样的电力电子装置在电力系统、工业、交通及家庭中广泛地应用, 谐波危害也日益严重。本文采用MATLAB建立三相桥式电路模型进行仿真, 具有很好的实时性及理论意义。
1 谐波概念
电力系统谐波定义为电源所产生的频率 (或基波频率) 整数倍频率的正弦电压和电流。谐波构成电源电压和负荷电流波形的主要畸变成分[1]。
在供用电系统中, 正弦电压可表示为:
但当正弦电压施加在非线性电路上时, 电流就会变成非正弦波, 其在电网阻抗上产生压降, 会使电压波形也变为正弦波。对于周期T=2π/ω的非正弦电压u (ωt) , 若满足狄里赫利条件, 那么, u (ωt) 可分解为如下形式的傅立叶级数:
在上式的傅立叶级数中, 频率与工频相同的分量称为基波, 频率为基波频率整数倍 (大于1) 的分量称为谐波, 谐波次数为谐波频率和基波频率的整数比。以上公式及定义均以非正弦电压为例, 对于非正弦电流的情况也完全适用, 把u (ωt) 转成i (ωt) 即可。
设三相电流波形相同且相差120°, 其有效值与直流电流关系为[2]:
以a相电流为例, 将其电流正负两半波之间的中点作为时间零点, 将其展开傅里叶级数为:
故可得电流基波和各次谐波有效值分别为:
因此我们可以发现在三相桥式整流电路中只存在6k±1次谐波, 且谐波次数越高幅值越小。
2 基于MATLAB的电力谐波基于瞬时无功功率检测方法
三相瞬时电流ia、ib、ic经过abc_to_dq0 Transformation模块由abc坐标系变换为dq0坐标系下的id、iq、i0[3]。
同时id、iq、i0有可以分解为直流分量和交流分量相叠加的形式:
对于三相三线制系统, 该系统没有零线, 三相电流中不可能含有零序分量, 不需要对零序电流进行补偿。故将id、iq经低通滤波器滤波可得其直流分量
即可计算出被检测电流ia、ib、ic的基波分量iaf、ibf、icf。将ia、ib、ic与iaf、ibf、icf相减, 即可得出ia、ib、ic的谐波分量iah、ibh、ich。
3 基于ip、iq法的三相桥式电路谐波检测仿真
三相谐波检测采用三相桥式电路进行仿真。电源采用380 V、50 Hz、内阻0.01Ω。二极管采用默认参数。电容值为3 300μF、电阻值为10Ω、电感为1 m H。开始时间设置为0.3 s。
ode15s、ode23s和ode23tb适合于求解刚性ODE问题。ode15s是采用多步法的Gear’s反向数值微分算法, 其精度中等。ode23s是采用一步法的2阶Rosebrock算法, 专门用于刚性系统, 低精度, 它能解决某些ode15s不能解决的问题, 计算时间比ode15s短。ode23tb是采用梯形法的低精度刚性算法, 计算时间也比ode15s要短。本例采用ode23tb算法相对误差设置为1e-4。
电路仿真模型如图2所示。
首先做一个三相桥式电路的模型, 采用Universal Bridge模块模拟桥式电路模块, 从三相电压源采样电流信号, 使其经过三相静止坐标系转两相旋转坐标系abc_to_dq0模块配合Discrete-virtual PLL模块, 可得两相旋转坐标下的id、iq, 提取出id、iq, 经一阶低通滤波器, 得到直流分量再经dq0_to_abc Transformation模块和Discrete-Virtual PLL模块得到基波电流iaf、ibf、icf, 将总负载电流ia、ib、ic, 和电流iaf、ibf、icf通过Sum模块, 进行减法操作, 即可得到总谐波电流iah、ibh、ich。
如图3所示为电源侧电流波形。我们可以看到与理想正弦波相比存在严重的电流畸变。
运行powergui模块进行FFT分析可得交流侧电源频谱图。
我们看到电源侧电流畸变率为39.11%。其中5、7、11、13、17、19次谐波较为明显, 且次数越高幅值越小。
经过低通滤波器, 滤去高次谐波, 得出的基波电流波形为:
用图4对比图7我们发现电流畸变率从39.11%经过谐波分离后畸变率只有1.60%。说明谐波电流得到了有效的分离。
经过电流检测系统得出的谐波波形为:
4 结论
三相桥式不可控整流电路其交流侧有如下规律:
1) 谐波次数为6k±1次, k=1, 2, 3……。
2) 谐波次数越高, 谐波幅值越小。
3) 我们主要看到了电流中主要含有5次、7次、11次、13次、17次、19次谐波。与理论分析一致。
摘要：本文介绍了谐波基本理论概念, 在此基础上, 设计了基于瞬时无功功率方法的MATLAB三相桥式电路谐波检测模型, 同时利用MATLAB中POWERGUI模块中的FFT Analysis功能进行频谱分析得到谐波数据并成功分离出谐波。具有很好的理论意义及实时性。
关键词：谐波电流检测,瞬时无功功率,MATLAB
参考文献
[1]王兆安, 黄俊.电力电子技术[M].第4版.北京:机械工业出版社, 2000:66-73.
[2]王兆安, 杨君, 刘进军.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京:机械工业出版社, 1998:79-90.
[3]张文会, 许春雨.基于瞬时电流分解的谐波电流检测方法研究[J].电气技术, 2011 (4) :11-12.
桥式电路 篇2
嘉祥职业中专
张晓清
课程名称：《整流电路》
所用教材：《电工电子技术基础与技能》
班级： 12电子1班、2班
课程类别： 专业理论基础课
知识目标：
识记输出电压、电流计算关系及整流二极管的参数选择；
能复述桥式全波整流电路的工作原理；
掌握桥式整流电路的连接方法并会进行电路的故障分析。
能力目标：
体验科学探究过程，提高将理论知识应用的迁移能力；
能用电路分析知识来解决实际应用中的问题，培养学生解决和检修电路故障的能力
过程与方法：
启发 诱导 质疑 自主 探究 合作 交流 练习
情感态度价值观：
引导学生探究和交流，通过问题情景创设来学会解决实际问题，让学生体验学习过程的快乐，保持学习电子技术课程的热情；
培养学生严谨的科学思维逻辑能力和严肃认真的职业道德作风。
教学重点：
发展科学探究能力，桥式全波整流电路的组成及工作原理的理解
教学难点：
桥式全波整流电路的原理理解和故障分析
课前教具准备：
1N4007小功率整流二极管一只、硅堆一只、手机充电器及其配套锂电池
教学活动：
复习导入（约3分钟）
（1）：整流电路的任务是什么？是利用什么原理进行工作的？（2）：单相半波整流电路组成是什么？它的输出电压和电流如何计算？有什么优缺点。导入新课（约3分钟）
师生互动环节（教师展示LED节能灯的电源电路，并让学生拿出自己的电路来看）师：同学们，电路中的四只二极管有什么用呢，你们在组装过程中，遇到什么问题没有？ 生：起整流作用，组装时有四根导线不会接，分不清正负极
师：是的。这四只二极管组成的电路就是今天我们要学习的桥式整流电路，它可以将市电220V，50HZ的交流电能转换为脉动直流电，我们今天主要学习该电路的组成特点和原理分析，这样我们以后在组装过程中就不会再将导线接错了。学习新课（约20分钟）
一、学生自读课本，了解电路的组成和原理（3分钟）
二、掌握桥式整流电路的组成特点
1、电路组成特点：（5分钟）
（让学生读电路图进行自主探究，找出输入、输出端二极管接法的特点）电路由电源变压器、四只二极管和负载电阻组成；
四只二极管首尾相接，连接成电桥形式，所以叫桥式整流电路；
交流输入端为两只二极管的正负混联端，直流输出端的正极为两只二极管的负负端，而正极输出端为正正端；（总结如下：正负混联为输入，正正为负，负负为正）
2、工作原理分析：（5分钟）
根据电路图，让学生理解电流流经的途径，能够复述以下过程。
（1）在U2正半周，V1、V3导通，V２、V４反偏截止，电流由如图流经：a→ V1 →R L→V3→b（2）在U２负半周，V２、V４导通，V1、V3反偏截止，电流如图流经：b→ V2 →R L→V4→a 并根据波形图进行，让学生理解输出电压的波形变化。
3、输出的直流电压和直流电流：（3分钟）Uo=0.9U2 Io=Il=Uo／Rl=0.9U2／Rl ４、整流二极管的选择：（3分钟）
Ip=0.5Io UR=√2U2
5、桥堆：（2分钟）
为了使用方便，生产厂家常将四只整流二极管集成在一起构成整流桥堆，（展示桥堆外形），其中标有～或AC符号的表示与交流电源相连，标有+和-的，则表示是整流输出直流电压的正极和负极，使用时应注意区分。
问题探究：
一、自主探究：（5分钟）
想一想，连一连，根据桥式整流电路组成特点，将下图所示配电盘正确相接（图略）
二、合作探究（10分钟）
画一画，议一议，画出桥式整流电路，组内进行讨论，分析出现下列故障时的后果
1、任一只二极管开路或脱焊
2、某只二极管接反
3、某只二极管短路
4、四只二极管均接反
组内分析讨论，教师小结如下：
任一只二极管开路或脱焊后果：桥式整流变半波整流，输出电压减小一半 某只二极管接反后果：一只二极管短路，变压器被烧 某只二极管短路后果：二极管被烧，变压器被烧 四只二极管接反：输出电压极性相反 测评与小结：（4分钟）（师生互动问答）
1、桥式整流电路的组成特点是什么？
2、若某变压器次级电压为6V，则采用单相桥式整流电路在负载上可得到几伏的输出电压？
3、在选用整流二极管时，应如何选择参数？ 作业：
将问题探究中的两道题坐在作业上。
反思与小结：
板书设计：
单相桥式整流电路
一、电路特点
二、工作原理分析
三、参数计算
RC桥式正弦波振荡电路探析 篇3
在实际应用中, 常常需要一些不同类型的信号源, 即信号发生电路, 也叫振荡电路, RC桥式正弦波振荡电路因振荡频率稳定、输出波形失真小, 在测量、自动控制、通信等许多领域中得到广泛的应用。
1 RC桥式正弦波振荡电路的组成
RC桥式正弦波振荡电路由基本放大电路、正反馈网络、选频网络和稳幅电路组成, 如图1所示。基本放大电路和正反馈网络是RC桥式正弦波振荡电路的主要部分, 选频网络只对一个频率满足振荡条件, 从而输出单一频率的正弦波, 稳幅环节用于稳定振荡电路的输出幅度, 改善波形, 减小失真。[1]
2 RC桥式振荡电路的选频特性及振荡条件
2.1 选频特性
当信号频率很低时, 电容C的容抗远远大于电阻R的阻值, RC串并联选频网络可近似等效为图2所示电路。
极限情况下, 当频率等于零时, 电容C的容抗为无穷大, 电路中的电流为0, uf=0, 图2所示电路可进一步看成纯电容电路, 因纯电容电路的电流比电压超前90°, 纯电阻电路的电流和电压同相位, 所以uf比uo超前90°。
当频率由0逐渐升高时, 由图2可知, uf升高, uf与uo之间的相位差减小。
当信号的频率很高时, 电容C的容抗远远小于电阻R的阻值, RC串并联选频网络可近似等效为图3所示电路。
极限情况下, 当频率等于无穷大时, 电容C的容抗为0, uf=0, 图3所示电路可进一步看成纯电阻电路, 因纯电阻电路的电流和电压同相位, 纯电容电路的电压比电流滞后90°, 所以uf比uo滞后90°。
当频率由无穷大逐渐减小时, 由图3可知, uf升高, uf与uo之间的相位差减小。
由上述两种情况可知, 当电路频率由零升高到无穷大时, uf与uo之间的相位差由+90°连续变化到-90°, uo先增大再减小, 因此其中一定有一个频率f0存在, 当f=f0时, uf最大, 且uf与uo之间的相位差等于零。
3.2 振荡条件
理论分析可得f0=1/2πRC, 当f=f0时, F=Uf/Uo=1/3。因振荡的幅值条件AF=1, 所以A=3。
因振荡电路引入正反馈, 所以
所以当电路满足RF=2R1时, 电路可输出频率f0=1/2πRC的正弦波信号。
4 RC桥式正弦波振荡电路的稳幅
当RC振荡器接通电源后, 由于信号开始时非常微弱, 为了顺利起振, 应使AF>1, 即A>3, 但这样一来, 经放大和反馈后输出电压就会不断升高, 放大器就会进入非线性区, 最终无法得到正弦波信号, 为此电路中可接入一个具有负温度系数的热敏电阻RF, 如图1所示, 且RF>2R1。当振荡器的输出幅值增大时, 流过RF的电流增加, 其阻值自动减小, 放大器的放大倍数减小, 从而抑制输出幅值的增长, 直到AF=1, 振荡器的输出幅值趋于稳定。[2]
除用热敏电阻进行稳幅外, 还可以用二极管作稳幅元件, 如图4所示。将负反馈电阻Rf分为Rf1和Rf2, Rf2并联二极管, 起振时D1、D2不导通, (Rf1+Rf2) 略大于2R1。随着uo的增加, D1、D2逐渐导通, Rf2被短接, 放大器的放大倍数自动下降, 从而起到稳幅作用。
5 RC桥式正弦波振荡电路的调频
为了能在一定范围内调节振荡频率, 电阻R常采用可调电阻器, 电容C的电容量用转换开关进行调节。[3]如图5所示, RC桥式正弦波振荡电路振荡频率的调节可分为粗调和细调, 双联开关K切换R, 用于粗调振荡频率, 双联可调电容C, 用于细调振荡频率。
6 结束语
掌握了RC桥式正弦波振荡电路的选频、调频及稳幅原理, 在实际中不仅为维修电路提供理论依据, 还可以根据需要设计电路。
摘要：RC桥式正弦波振荡电路因振荡频率稳定、输出波形失真小, 在测量、自动控制、通信等许多领域中得到广泛的应用。文章主要对RC桥式正弦波振荡电路的选频特性、稳幅电路及调频方法进行了探析。
关键词：RC桥式,振荡电路,探析
参考文献
[1]苏士美.模拟电子技术[M].北京:人民邮电出版社, 2007:161.
[2]袁明文, 谢广坤.电子技术[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社, 2013:101.
桥式电路 篇4
随着科技的飞速发展,电力电子技术已经深入到电力、冶金、化工、通讯、铁路电气以及家电等各个领域。在电力电子装置中,整流器作为装置与电网的接口,占有相当大的比重。由于目前的电网均为交流电,故通常电路都需要利用整流器进行AC/DC变换。目前最常用的是带电容滤波的三相不可控桥式整流电路。本文通过相关的仿真,分析了三相不可控桥式整流电路的直流电压和直流电流与负载的关系,并对其功率因数和交流侧的谐波进行了分析。
1 基本原理
在电容滤波的三相不可控桥式整流电路(如图1)中,当某一对二极管导通时,输出直流电压等于交流侧线电压中最大的一个,该线电压既向电容供电,也向负载供电。当没有二极管导通时,由电容向负载放电,电容电压ud按指数规律下降。
设二极管在距线电压过零点角处开始导通,并以二极管VD6和VD1开始导通的时刻为时间零点,则线电压为:
而相电压为:
在ωt=0时,二极管VD6和VD1开始同时导通,直流侧电压等于uab;下一次同时导通的一对管子是VD1和VD2,直流侧电压等于uac。这两段导通过程之间的交替有两种情况,一种是在VD1和VD2同时导通之前VD6和VD1是关断的,交流侧向直流侧的充电电流id是断续的;另一种是VD1一直导通,交替时由VD6导通换相至VD2导通,id是连续的。介于二者之间的临界情况是:VD6和VD1同时导通的阶段与VD1和VD2在处恰好衔接了起来,id恰好连续。由前面所述"电压下降速度相等"的原则,可以确定临界条件。假设在的时刻"速度相等"恰好发生,则有
由计算可得,这就是临界条件。当和时分别是电流id断续和连续的条件。对一个确定的装置来讲,通常只有R是可变的,它的大小反映了负载的轻重。因此可以说,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
以上讨论过程中,忽略了电路中诸如变压器漏抗、线路电感等的作用。另外,实际应用中为了抑制电流冲击,常在直流侧串入较小的电感,成为感容滤波的电路,如图1所示。
3 电路仿真与分析
本文主要通过Matlab的Simulink对电路进行仿真,由仿真结果分析得到整流后的直流电压与负载电阻的关系;直流侧的电流与负载的关系;交流侧电流的谐波分析以及电路功率因数的分析。
3.1 直流电压与负载电阻关系
图2是电路空载以及电阻R分别取10kΩ、1kΩ、100Ω时的仿真情况,仿真的波形及由仿真得到的直流电压的平均值分别如图所示。
图2不同负载时整流器输出直流电压的波形(参见下页)
因为越小,意味着负载越大。由仿真的波形可以得到整流输出直流电压与负载电阻的关系为:空载时,整流输出直流电压的波形近似为直线;随着负载增大(即R分别为10kΩ,1kΩ,100Ω),输出直流电压的纹波越来越严重;并且随着负载增大,电压的平均值越来越小。
3.2 直流侧的电流与负载的关系
电阻R分别取100Ω,1.67Ω,R=0.1Ω时,仿真得到的直流侧的电流波形分别如图3所示。
由仿真波形可知:当R越小,即负载越大时,直流侧的电流是逐渐增大的,电流的起伏也逐渐变大(由仿真波形的幅值得出)。是电流断续和连续的临界条件,代入,C=3300μF,计算可得R=1.67Ω时是电流的临界状态,由仿真波形可知:R=0.1Ω时,直流侧的电流为连续,R=100Ω时,直流侧的电流为断续,从而验证了理论推算的正确性。
3.3 交流侧电流的谐波分析以及电路功率因数
当电阻R分别取10Ω、1Ω时,仿真得到的a相电流的波形及其相应的傅立叶分析的结果分别如图4所示。
由仿真波形可知:随着负载加大(R=10Ω、1Ω),a相电流逐渐增大,越来越接近正弦波。由仿真计算出R分别为10Ω、1Ω时,电路的功率因数分别为0.91和0.94,并根据其傅立叶分析结果,可以得到交流电流的谐波特性和功率因数有如下特点:
(1)交流侧电流仅含奇次谐波,谐波次数越高,其幅值越小。
(2)各次谐波幅值均随的增大而增大,而基波的幅值会随的增大而减小。其原因主要是越大,意味着负载越小,此时二极管的导通角越小,波形的畸变也会越严重。
(3)总的功率因数随增大而减小。如果改变电容的大小,同样可以通过仿真得出电容越大,基波因数会越小,总的功率因数越大。基波因数随增大而减小,随的增大而增大。
4 结束语
本文主要通过仿真实验对电容滤波的三相不可控桥式整流电路进行了分析,得出了直流电压与负载电阻,直流侧的电流与负载的关系,并对交流侧电流的谐波以及电路功率因数进行了分析,为参数的选择以及电路分析提供了指导性依据。
参考文献
[1]王一农,杜世俊,刘小宁.电容滤波型三相桥式整流电路的电压分析[J].合肥工业大学学报(自然科学版),2005,28(5):111-114.
[2]洪乃刚.电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真[M].北京:机械工业出版社,2006
桥式电路 篇5
一、同课异构之“同”
(1)“同样”教学内容。此次参评选手指定的是高教版电子技术与技能(第二版)第一章“二极管及其应用”中的第二节“桥式整流电路”第一课时的内容。
(2)“同等”教学对象。本次教学评比活动选定了三位教师均未任教过的三个班级,且这三个班级的学生们水平相当,教学进度一致。根据比赛规则,三位教师于上课之前抽签决定上课班级。
(3)“同一”教学场所。三位教师的上课地点都选在了校O2O智慧教室。智慧教室打破了传统的课堂教学环境及布局,可以使教学活动与多媒体教学紧密结合,更利于学生分组活动学习探究。
二、同课异构之“异”
(1)“异设”情境导入。俗话说:“良好的开始是成功的一半。”一个好的课堂导入能抓住学生的注意力,成为整个教学内容的基础,促使整个课堂一气呵成。要做到这些,需要教师花费一番心思,即导入环节的设计不仅要贴合授课内容,还要符合学生的心理。三位教师都不约而同地以学生感兴趣的手机作为切入点,引出手机没电需要充电器进而分析充电器电路,从课堂上学生的反应来看,手机充电器的切入点虽小,但从学生身边的实物入手更能激发学生的共鸣,快速融入到课堂教学中来。不同之处在于,张老师和林老师以手机图片配以自身阐述带领学生认识手机充电器中的桥式整流电路,而吴老师则以《窃听风云》里的一段视频创设了手机没电的情境,更好地抓住了学生的眼球。
(2)“异构”教学环节。三位教师对课题的教学重难点基本保持一致,但在教学环节的处理上存在一定差异,这与教师对教材的理解不无关系。林老师将实验器材(变压器、自制实验板、直流稳压电源等)带进课堂,引导学生边做实验边学知识,理中有实,实中有理,理实一体,激发了学生的学习热忱,学生成为了课堂的主体。张老师带领学生“探索”实验板的作用、线路连接方式和工作原理,小步子前进。吴老师以任务为驱动,结合电路仿真从“结构———原理———排故”,由表及里,循序渐进,学生学习兴趣足,分析理解能力得到了提高。
(3)“异取”教学方法。“教学有法,教无定法”,这恰当地揭示了“同课异构”的根本,也使教师能在先进教学思想的指导下,在钻研教材的基础上,充分运用教学智慧,开展教学。为了让学生更好地理解桥式整流电路的工作原理,林老师在分析桥式整流电路的工作过程时设计了两个学生实验:1)当输入电源为交流电U2的正半周时,观察实验板上LED的发光情况;2)当输入电源为交流电U2的负半周时,观察实验板上LED的发光情况。实验教学、师生共同由实验现象、数据总结工作原理,加深了学生的理解。张老师在上课伊始便将实验器材发给学生,根据学生的认知规律带领学生逐一认识实验袋中的各元器件。由实验板上的桥式整流电路让学生找出四个二极管的连接关系、二极管与电源、负载的连接关系,小步子探索,循序渐进,把学生的疑团逐一解答。在分析桥式整流电路的结构时,吴老师将电路结构提炼成“左正右负,上下接电源,左右接负载”之类的学习口诀。在课堂总结环节将桥式整流电路的结构、工作原理及电路特性以一首打油诗呈现给学生,并让全体学生大声朗读。口诀、打油诗均源自课堂,又高度凝练,且通俗易懂,朗朗上口,便于学生记忆。总体而言,每个教师的教学方法不相上下,但都能充分调动学生的积极性,活跃课堂氛围。从学生的课堂反馈来看,吴老师的教法棋高一着,更能抓住学生的求知心理。
(4)“异用”信息技术。基于智慧教室的教学环境,三位教师都采用多媒体设备辅助教学。值得一提的是,吴老师利用Multisim仿真软件模拟桥式整流电路,得出整流波形,既直观形象又极好地拓展了学生的视野,一举两得。微视频的运用是吴老师课堂的又一亮点。她将设置了故障的两个电路仿真事先录制成视频供学生在课上小组讨论,合作解决,提高了课堂效率。
三、结束语
总之,相同的教材内容,因不同的教学环境和不同教者的教学个性采取不同的教学手段,呈现出各具“个性”的课堂,这便是同课异构的魅力和内涵。同时,也反映了教师的教学水平,让观者在对比中学习到不同的教学方法,促进了课堂教学质量的有效提升。
摘要：相同的教材内容,因不同的教学环境和不同教者的教学个性呈现出各具“个性”的课堂,这便是同课异构的魅力和内涵所在。通过区“教坛新秀”的评比活动,从情境导入、教学环节的设计、教学方法的选取、信息技术的利用等方面对“桥式整流电路”的教学进行反思。
关键词：同课异构,桥式整流,教法学法,教学效果
参考文献
[1]王琴.《单相桥式整流电路》教学及反思[J].黑河教育,2013(04).
桥式电路 篇6
近年来,在低压配电系统中广泛使用的家用电器,例如紧凑型荧光灯(CFL)、台式计算机、笔记本电脑、液晶电视机等都是可用单相桥式整流电容滤波电路等效的非线性负荷,这些负荷的电流畸变率甚至超过100%[1]。越来越多的非线性负荷产生的谐波注入配电系统,造成供电电压严重畸变[2],而针对这些谐波,相关文献也提出了一定的治理措施[3]。另外,这些非线性电路的参数可能与系统中线性电感参数匹配,将发生串联或并联谐振,激发或升高系统中原本存在的谐波电压或电流[4,5]。
有关单相桥式整流电容滤波电路谐波模型研究已有大量成果。最初,这种电路产生的谐波电流被等效为一个恒流源[6,7],但这种等效不能反映谐波电流与系统背景电压之间的关系。近年来,有学者又提出基于时域仿真的方法对单相桥式整流电路进行谐波建模[8,9]。然而建立一个详细的模型并对多种情况进行仿真研究是非常困难的。针对谐波电压与谐波电流之间相互的影响,文献[10,11]提出了一种较精细、准确的频域谐波耦合导纳矩阵模型。该模型既可以用于研究电路的衰减效应还能进行潮流计算。
学者对于这类电路的谐波衰减效应也作了大量的研究[12,13]。这种特性表征了电压源与谐波电流之间的相互作用。文献[13]主要是针对分布式谐波源衰减效应的实验研究,研究结果表明:衰减效应在分布式谐波源中普遍存在。文献[14]用电压的波峰系数作为非线性负荷谐波电流的衰减效应的衡量指标,并指出在民用低压配电系统中,非线性负荷谐波电流几乎均使供电端电压呈平顶波的趋势,从而导致衰减效应的发生。
单相桥式整流电容滤波电路在各次谐波处会随着参数的不同而各异。当某次谐波出现,电路表现出容性特性时,该电路与系统电抗在参数匹配的情况下可能发生非线性容性谐振。造成系统电能质量的恶化。因此,需要研究该类电路的谐波容性和感性特性及其对应的电路参数范围,以规避有可能出现的谐波谐振现象。目前,尚未见对此问题的研究成果报道。本文在单相桥式整流电容滤波电路的频域谐波耦合导纳矩阵模型的基础上,对该电路进行等效变换。通过对等效电路的分析,分别说明该电路在理想电压和畸变电压下产生容性特性的机理。结合算例分析及实验验证,研究了不同负载参数下,电路所表现出的不同特性。最后通过计算分析得出在同一电压条件下,使得该电路呈容性特性的负载参数范围。
1 单相桥式整流滤波电路频域模型及其等值电路
低压配电系统,特别是民用系统中使用的大部分非线性负载电源为如图1所示的单相桥式整流滤波电路,如CFL、台式计算机、笔记本电脑、电视机等。其中C,R分别为负荷侧滤波电容和负载等值电阻。
文献[10]提出了该电路的频域谐波耦合导纳矩阵模型。即
式中:和分别为与谐波电压矩阵Y+、谐波电压共轭矩阵Y-相关的导纳矩阵元素;下标k和h分别为谐波电流次数和谐波电压次数;ω为基波角频率,ω=2πf,f=50 Hz;α和δ分别为电路的导通角和截止角;Ii,Vi,φi分别为i次谐波的电流幅值、电压幅值和相位。
式(1)可简写为:
式中:I为电路输入侧电流相量;V和V*分别为输入端电压相量和其共轭相量。
图2所示为该电路的交流侧电压、电流波形。
为分析该电路各次谐波电流与电压间的相位关系,根据该频域谐波耦合导纳矩阵模型导出电路的谐波等值电路如下。
1.1 理想电压下的等值电路
当输入端电压为vac=V1cos(ωt)时,由式(5)可得基波电流为:
各次谐波电流为:
由式(2)可得：
考虑到直流负荷侧滤波电容C和负载等值电阻R的并联等效导纳为:
于是
另外由式(3)可得:
式(11)中,若cos A为正,则R1是一个正电阻,C1表现为一个感性性质的元件;若cos A为负,则R1是一个负电阻,C1表现为一个等效电容。R2,C2的特性分别类似于R1,C1。
于是,理想电压下的基波等效电路可由图3所示电路等值。
1.2 畸变电压下的等值电路
k次谐波电流可表达为:
式(12)中,等号右侧第1个式子是一个流过k次谐波等效导纳的总电流,等号右侧第2个式子是一个与基波电压和除k次以外的各次谐波电压相关的分量,姑且将其看成是一个受供电点基波和谐波电压控制的受控电流源。一般来讲,配电系统中的谐波电压主要由负荷谐波电流流过系统等值阻抗形成,即供电点电压畸变特性由系统中所有负载共同决定,受某一单独负载的直接影响较小。
与理想电压情况下的推导类似,式(12)中的和可以表示为:
作为一个受控源(受基波和除k次以外的其他谐波电压控制),与各受控量间具有非线性关系,其表达式如下:
所以可将电压畸变情况下的k次谐波电路作如图4等效。图中,R1=R/cos B,R2=-1/(kωCsin B),C1=-Ccos B,C2=-sin B、(kωR)。
可见,理想电压下的只受基波电压控制;畸变电压下,不受k次谐波电压直接控制,但k次谐波电压的变化会影响导通角、截止角,从而间接地改变的值。
2 单相桥式整流滤波电路在理想电压下的容性特性机理分析
理想电压下基波等效电路的容、感性特性取决于交流侧的电压与电流的相位差,而基波电流的相位则由图3中的相位共同决定。
由式(6)可知,理想电压下的基波电流与电压的相位差即为的相位。而的相位φ1=arctan(ωRC)仅与滤波电容C和负载等值电阻R有关,必然是容性导纳。对于实际负载,其相位接近90°。例如一只14 W的CFL,其滤波电容C=15μF,负载等值电阻R=5 400Ω,相角φ1=87.7°;一台式计算机,其滤波电容C=400μF,负载等值电阻R=500Ω,相角φ1=89°。由此可见必定是容性电流。的相位则要受多种因素影响,在不同参数下相对于基波电压可能表现出容性或感性特性。但由式(7)和式(10)的比较可知,的幅值一定比大,且的相位接近90°。于是和叠加后的导纳特性仍然是容性。单相桥式整流滤波电路在理想电压下的基波电流都是容性电流。因此,基波电流的容性特性本质上是由于电路的滤波电容导致的。对一些使用该类电路的负载在理想电压下(标准余弦电压且初相位为0°)进行的实测结果,如表1所示,也表明了其基波的容性特征。
3 单相桥式整流滤波电路在畸变电压下的容性特性机理分析
3.1 机理分析
根据图4所示的k次谐波等值电路图,其中的分析同理想电压下的基波电流。其结果为和叠加后表现为容性导纳,则相对于Vk为容性电流,即k次谐波等值阻抗为容性,其原因也是由于滤波电容器的作用。但此时整个电路的交流侧k次谐波总电流中还有受其他次数谐波电压控制的等值电流源的电流成分,除了与基波电压和除k次以外的谐波电压有关外,还与滤波电容C、负载等值电阻R、电路导通角α及截止角δ相关。因此相对于k次谐波电压的特性是不确定的。若也是容性电流,则整个电路就呈容性;若是感性电流且其对电路的影响大于等值导纳所产生的影响,则电路呈感性。
因为不受k次谐波的直接控制,为了分析所表现的特性,通过2种方式(①改变不直接控制的k次谐波电压的幅值和相位;②改变可以直接控制的h (h≠k)次谐波电压的幅值和相位),来研究对电路特性的影响。现以和为例,设定滤波电容C=15μF,负载等值电阻R=2 000Ω,电源电压为基波、3次谐波和5次谐波的叠加。分别按照以下情况进行仿真分析。
1)v (t)=V1cos(ωt)+V3 cos (3ωt+φ3)+V5cos(5ωt+φ5)。基波相位为0°。并且,V5=2%V1,φ5=120°。改变3次谐波电压的幅值V3和相位φ3,观察和幅值和相位的变化情况。
2) v (t)=V1cos (ωt)+V3 cos (3ωt+φ3)+V5cos(5ωt+φ5)。其中V3=3%V1,φ3=60°。改变5次谐波电压的幅值V5和相位φ5,观察和幅值和相位的变化情况。
图5为改变2种谐波电压的幅值和相位时,和幅值的变化情况;图6则为其相位的变化情况,都以基波电压相位为基准。
图5和图6表明,k次谐波电路中,谐波电压相位的变化对其受控电流源幅值的影响很小,但对其相位的影响则非常明显。
图6(a)表明,当3次谐波电压变化时,相位的变化比的更大;图6(b)表明,当5次谐波电压变化时,的相位变化更大。这也因为k次谐波电压相位对的直接影响不显著,所以当k次谐波电压发生变化时,只在很小的范围内变化。例如:当3次谐波电压相位从一180°～180°变化,3次谐波受控电流的相位相对于基波相位为63°～79°。这样当3次谐波电压相位小于63°时,此时3次谐波受控电流超前于电压,呈容性;当3次谐波电压相位大于79°时,此时滞后于此电压,呈感性。5次谐波也类似于以上情况。在负荷参数确定的情况下的相位只在很小的范围内变化,所以其容、感性特性取决于k次谐波电压的相位。改变参数可得到类似的结论。由此可见,k次谐波等值电路中的等效电流源可以看成是一个基本恒定、不受交流侧k次谐波电压影响的电流源。
3.2 算例分析
按照图4的等效,对3次谐波电路特性进行分析。分别对图4中(k=3)对应的和的叠加以及3次谐波电流进行计算比较。各电流表达式中包含导通角α和截止角δ。根据单相桥式整流滤波电路的工作原理,文献[10]分析得出导通角α和截止角δ的计算表达式分别为:
式中:α'=α+π,为下个周期的导通角。
计算条件为:v(t)=V1cos(ωt)+V3 cos(3ωt+90°),V3=3%V1,滤波电容C=15μF,负载等值电阻R分别取400,600,800,1 000,1 600,1 800,2 200Ω。在这一参数下由式(16)和式(17)计算出相应的(α,δ)如表2所示,再分别计算出以上各电流,如表3所示。
此处3次谐波电压相位为90°,所以超前于该相位的电流都呈容性,如表3中加粗数字所示。另外,改变负载等值电阻R时,相对于3次谐波电压都为容性且相位集中于180°,与之前提及的的相位接近90°相符(此处3次谐波电压相位相对于基波为90°);相对于3次谐波电压相位呈现出容性或感性特性,相位分布较分散,且幅值较更小,使得更接近于,表现为容性;正如3.1节所述,的2种特性都存在,所以使得单相桥式整流滤波电路在3次谐波处表现为容性或感性特性。
3.3 实验验证
为进一步研究在畸变电压下不同负载谐波的容感性特性,现对CFL、笔记本电脑、显示器、台式机在实际环境中进行实验测量。实验中测得的所有电压均符合IEEE 519标准《IEEE推荐的电力系统中谐波控制的措施和要求》。实验结果只分析了具有代表性的3次、5次谐波,如表4所示。
4 种实验设备的负载参数都不一样,以表征不同的负载参数情况。从表4中可以看出,在畸变电压下谐波对外所表现的特性确实有如上分析所示的容、感性特性均存在的可能。
4 单相桥式整流滤波电路容性特性参数范围
4.1 谐波电压对电路特性的影响
因系统电压幅值和相位的变化都会引起导通角α和截止角δ的变化,从而影响电流的值。这里以电压中含3次谐波的电源为例,研究谐波电压对该电路特性的影响。其中v(t)=V1cos(ωt)+V3cos(3ωt+φ3),V3分别为V1的1%,2%,3%,3次谐波电压相位φ3相对于基波相位在[0°,330°]区间内以每步30°单步变化。此时单相桥式整流滤波电路的特性随着3次谐波电压幅值和相位的变化情况如图7所示。图中红色曲线表示电路呈容性,蓝色曲线表示电路呈感性。计算过程如4.2节中的步骤1至步骤5所示。
可见,3次谐波电路的特性与3次谐波电压幅值和相位都有关且相位对电路特性的影响较幅值更明显。当3次谐波电压相位与基波相位差Δφ3位于60°～270°之间时,使得3次谐波电路呈容性的截止角δ范围随着3次谐波电压幅值的增大而增大;当Δφ3取0°,30°,300°,330°时,3次谐波电路在所有满足条件的(α,δ)下都呈现出容性,而Δφ3等于其他相位时,感性和容性都会呈现出来。因此,当3次谐波电路感性与容性都存在时,在滤波电容C确定的情况下找出临界负载电阻R尤为重要。对于电源中含有其他次谐波时也可以类似地得出单相桥式整流滤波电路在某次谐波处呈容性的δ范围。
4.2 单相桥式整流滤波电路呈容性的R值范围
从4.1节得知,当电源电压处于某一条件下时,单相桥式整流滤波电路可能呈现出容性特性或感性特性,而此时决定电路特性的是滤波电容C和负载等值电阻R的值。对于一个负载,在特定电压下,其C和R是确定的,所以为了抑制谐波谐振的产生,可以按照以下方式找出在确定的电压条件和C下使得谐波电路呈容性的R的范围。其确定过程如下。
步骤1:确定负荷侧电压。
步骤2:设定截止角δ在区间[0,π/2]内取值。
步骤3:按照确定的电源电压和δ利用式(16)求出ωRC的值。
步骤4:将每一个δ所对应的ωRC值代入式(17),利用牛顿迭代求出α',进而得α。
步骤5:再将(α,δ)及对应的ωRC代入次谐波电流中,找出使得k次谐波电流相位超前于k次谐波电压的δ范围,利用式(16)得出ωRC的范围。
步骤6:设定负荷侧滤波电容C,求出使得k次谐波电路呈容性的负载等值电阻R的范围。
假设电源电压v(t)=V1COS(ωt)+V3COS(3ωt+φ3)。以V3=3%V1,φ3=90°,C=15μF为例,此时呈容性的负载等值电阻R的范围便可以获得。R电流电压相位差与δ的关系如图8所示。
从图8(a)中可以看出,R与δ成反比例变化,而随着δ的增大,3次谐波电流相位从滞后于3次谐波电压变为超前,此时单相桥式整流滤波电路也从感性变为容性。从图中1,2点可以看出R有一个临界值使得3次谐波电路的特性发生变化,即当3次谐波电流与3次谐波电压的相位差为0°时R的值。
从图8(b)可见,当R>1 480Ω时,3次谐波电流电压的相位差小于0°,即3次谐波电路呈感性,电路在3次谐波处没有发生谐波谐振的可能性。而当R<1 480Ω时,3次谐波电流电压的相位差大于0°,电路在3次谐波处呈容性。对于其他次数的谐波也能得到类似的分析结论。
5 结语
桥式电路 篇7
无源逆变在交流电机变频调速、感应加热、不间断电源等方面应用十分广泛,要求其输出基波功率大、谐波含量小、逆变效率高、性能稳定可靠。本文利用MATLAB/Simulink中的电力系统仿真工具箱Simpowersystems对逆变电路进行仿真,通过仿真将其与三相正弦工频电源进行性能比较,并得出结论。
2 三相桥式逆变电路的工作原理
电压型三相桥式逆变电路如图1所示。电路由三个半桥电路组成,开关管可以采用全控型电力电子器件(图中以I G B T为例),V D 1~V D 6为续流二极管。
电压型三相桥式逆变电路的基本工作方式为180°导电型,即每个桥臂的导电角为180°,同一相上下桥臂交替导电,各相开始导电的时间一次相差120°。在一个周期内,6个开关管触发导通的次序为V1→V2→V3→V4→V5→V6,依次相隔60°,任一时刻均有3个管子同时导通,导通的组合顺序为V1V2V3,V2V3V4,V3V4V5,V4V5V6,V5V6V1,V6V1V2,每种组合工作。
3 三相桥式逆变电路的仿真模型
为了验证电压型三相桥式逆变电路性能,采用M A T L A B下的仿真环境Simulink对图1进行仿真。在搭建仿真平台过程中,开关管采用Ideal Switch模块,该模块控制极为方便,由其门极的逻辑状态决定导通或截止,根据这个特点可采用Pulse Generator模块控制其门极。根据三相桥式逆变电路的特点,P u l s e Generator模块周期设为0.02s,脉冲宽度设为50%,根据触发时刻来确定其延时时间。仿真过程中采用变步长的ode15s算法。
仿真工作分两步完成,首先逆变电路接按星形联结的三相对称负载,分析输出波形;第二步逆变电路接三相异步电动机观察其启动过程中电流及转速变化并与在三相工频正弦波下的启动过程相比较(仿真模型图略,可向作者索取)并得出结论。
4 仿真分析
电压型三相桥式逆变电路的工作波形如图2及图3所示。
从以上波形图中可看出,星形负载上的相电压波形是180°正负对称的阶梯波。三相负载电压相位相差120°,而负载线电压为120°对称的矩形波。
图4是利用三相工频正弦波电源带三相异步电动机启动过程中定子电流的变化规律,而图5是采用电压型三相桥式逆变电源的情况。通过对两图的比较发现,电动机在启动过程中定子电流的变化规律相似,不同的是达到平稳运行后,三相桥式逆变电路由于其电压输出波形中含有谐波分量,因此其电流波动较大。
图6和图7分别是三相工频正弦波电源和逆变电源下电动机启动过程的转速变化图。从这两个图上分析,二者在转速变化规律上基本一致,电动机平稳运行后,转速都不再产生波动,而且转速上升也都比较平稳,这也说明逆变电源带电动机运行对转速影响不大。
5 结论
通过仿真研究,三相桥式逆变电源电压输出波形为按正弦波变化的矩形波,含有一定的谐波分量,这些谐波分量对电动机的定子电流产生较大影响,而对转速基本没有影响。
本文作者的创新点:对三相桥式逆变电路进行了仿真,分析了其电压输出波形,并与三相工频正弦波电源带电动机启动过程的性能上进行了比较,仿真结果非常直观,为三相桥式逆变电路的设计提供了验证方法。
摘要：根据电压型三相桥式逆变电路的工作原理以及特点,采用Simulink中的相关模块建立仿真模型,从而对三相桥式逆变电路进行仿真研究。本文为三相桥式逆变电路的设计提供了性能验证方法。
关键词：三相桥式逆变,MATLAB,仿真
参考文献
[1]顾绳谷主编.电机及拖动基础.机械工业出版社.1994,335页～343页
[2]薛定宇主编.基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用.2002,296页～311页
桥式电路 篇8
1 电路的方程的建立
图1是RLC桥式整流滤波电路, 建立电路的微分方程。设输入电压为Ui, 输出电压Uo=Ur, 流经二极管的电流为Id, 二极管电压为Ud, 电感为L, 电容为C, 电阻为R, 则根据基尔霍夫定律, 并且在充分考虑了二极管正向电流电压的影响下, 可以列出原始方程组如下:
其中"g () "函数是二极管的伏安特性函数。
根据以上方程组, 可以化为关于Uo的常微分方程:
由于这是一个二阶方程, Uo用x代替, 且有, 则得到方程组:
2 数值仿真和分析
本文采用改进的欧拉折线法进行数值仿真和分析。改进的欧拉折线法求解一阶微分方程组的方法如下:
设一阶方程组为:
改进的欧拉法:
预测:
校正:
本文采用Matlab编程的办法对电路的方程组进行计算:
设定的初始参数如下:
器件工作温度为300K, 那么可知Ut=26m V, 角频率=100 rad/s, 输出电压的初始值为0V
数值仿真结果如下:
Ui=3V, 电容C=0.00005F, Ui=3V, 电容C=0.00005F, 电感L=50H, 电阻R=1000:电感L=500H, 电阻R=1000:
Ui=3V, 电容C=0.001F, Ui=3V, 电容C=0.001F,
电感L=5H, 电阻R=1000:电感L=50H, 电阻R=1000:
下面将考虑二极管伏安特性函数的影响:
Ui=3V, 电容C=0.001F, Ui=3V, 电容C=0.001F,
电感L=500H, 电阻R=1000:电感L=50H, 电阻R=1000:
Ui=3V, 电容C=0.001F, Ui=3V时的单相桥整流电路
电感L=5H, 电阻R=1000:输出波形:
从数值分析的结果可以看出, 增大电感的感抗, 可以有效抑制电路开始工作之后产生的脉冲干扰, 使输出变得平滑, 如图 (a) 和 (b) 所示。而当电感感抗过小时, 输出电压的波形类似RC整流滤波电路的输出波形, 如图 (c) 所示, 差别在于由于输出电压初始值为零, 由波形可以看出前期有一个明显的充电的过程。当电容容抗值增大时, 可以发现在相同电感感抗的情况下, 脉冲干扰加剧, 输出波形波动性增强, 如图 (a) 与 (d) 对比所示。本文还考虑电桥中二极管的伏安特性函数, i=Is[exp (u/Ut) -1], 其中i是流经二极管的电流, Is是反向饱和电流值, u是二极管的俩端电压值, Ut在300K温度下约为26m V。当考虑二极管伏安特性之后, 与理想情况下的结果对比, 我们发现输出电压中少了二极管导通电压的部分, 并且由于二极管本身的伏安特性会分担一部分的输入电压的变化, 所以考虑二极管的伏安特性之后输出电压的波动会有所减少, 如图 (k) 与 (c) ; (j) 与 (d) 所示。最后, 本文对RLC整流滤波电路和单相桥整流电路进行了对比, 桥式整流电路完成了全波整流, 输出电压是单一方向的, 但是仍有较大的交流成分, 而RLC桥式整流滤波电路是输出电压是平滑的直流电压, 如图 (j) 与 (i) 所示, 可见RLC桥式整流滤波电路较单相桥整流电路的性能有很明显的提升。
3 结语
本文通过对RLC桥式整流滤波电路的原理分析和电路微分方程的列写, 通过数值分析的方法对该电路的整流滤波特性, 并且将二极管在实际工作中的伏安特性情况纳入考虑之中, 不失为一种创新。通过对该电路的研究, 是我们在模拟电子技术课程学习之外的一种扩展, 锻炼了分析能力, 并且提高我们在模拟电子技术上的造诣。
参考文献
[1]童诗白, 华成英.模拟电子技术基础 (第4版) [M].北京:高等教育出版社, 2006.