桥式整流电路（精选8篇）
桥式整流电路 篇1
单相桥式整流电路相关内容教学, 在电子技术基础课程中占有重要地位, 由于其优点明显, 实用性比较强, 在实际电路中的应用十分广泛, 同时又是电路教学的基础内容, 所以需要加大教学的力度。在具体课堂教学中, 要根据各种教学因子做好教学设计, 还要针对学生学习实际搞好教学创新探索, 为学生学习电子专业打下坚实基础。
一、根据学生实际, 创新三维教学目标
所谓三维教学目标, 是教师根据教材内容设定的课堂教学需要达成的知识目标、能力目标和情感目标。这已经成为教学设计的基本定律, 我们的教学也是围绕教学目标展开的。
按照教材内容, 单相桥式整流电路学习, 知识目标必然要有单相全波整流电路的结构特点、工作原理和参数计算等。
在能力目标设置时, 自然要培养学生的观察、分析等逻辑思维能力, 还要培养学生运用理论知识指导实践的能力等。这样的知识目标对大部分学生而言, 都是无法完成的任务。
至于情感目标, 无论设计什么内容, 都是比较虚的, 不存在能不能完成的问题。这样看来, 根据教材内容设计“三维目标”对中技学生来说, 当然是存在脱离实际的现象。
为此, 笔者结合学生实际进行教学目标设计, 其效果就大不一样了。知识目标:了解单相全波整流电路的结构特点;简单叙述桥式单相全波整流电路的工作原理;理清桥式单相全波整流电路涉及的参数。能力目标:培养学生观察分析能力;增强自主与合作学习的能力。情感目标:体验参与的快乐;培养团结协作精神;激发求知欲望。
二、依据教学特点, 创新课堂教学方法
叶圣陶说过:“教是为了不教。”这句话的意思是教师通过成功点拨之后, 能够引起学生学习热情, 从而积极主动去学习。对中技学生而言, 要达到这个教学境界, 其难度是很大的。但教师在课堂教学中, 经常进行教法改革, 也会给学生带来不一样的感觉。这对激发学生学习热情有积极帮助。
在前面几节课的学习中, 大多数学生都已经掌握了两种整流电路, 也就是单相半波整流电路和单相全波整流电路, 为下面的学习奠定良好基础。
教师要从教学实际出发, 适时调整教法。要结合所学内容, 让学生在观看教师操作的基础上, 动手完成各项技术指标设定。特别要充分互动, 用集体的力量解决实际问题。
在单相桥式整流电路教学中, 教师要注意根据学生实际理解能力和动手实践能力创新教法。像目标分步展示法、讨论总结法、图文结合法、专题训练法、分层教学法、多媒体演示法、联系生活实际法等等, 都是可以选择的。
目标展示法, 将学习目标进行分解, 然后让学生分步掌握, 并适时进行成果展示。首先是识记V1、V2、Iv、IL的关系, 可以让学生板书画图连接展示;其次让学生复述桥式全波整流电路的工作原理;再就是用桥式全波整流电路解决一些实际问题, 书面完成。
讨论总结法, 就是让学生以小组谈论互动形式来解决一些实际问题。像讨论桥式整流电路在生活中有哪些实际应用。教师可以先播放多媒体课件, 展示整流桥堆, 学生在小组讨论中组装成日常生活中的电路产品, 在小组中展示。小组成员讨论推荐进行班级内展示。这样可以极大调动学生动手实践积极性。
联系生活实际法, 教师可以将手机充电器拿到教室里, 告诉学生, 这节课要学习的桥式单相全波整流电路与这充电器有关, 学生自然就会进入学习状态。
教学有法, 教无定法。在实际操作中, 教师要依据教学特点, 针对学生学习实际, 适时调整教法, 给学生提供更多动手实践机会, 通过理论联系实际, 让学生在创新体验中获得新知。
三、针对学习重点, 创新难点突破形式
教学单相桥式整流电路的重点是让学生掌握单相桥式整流电路的原理, 并运用这些原理解决一些实际问题。
首先要弄清桥式单相全波整流电路结构, 为了让学生能够直观感知电路结构, 教师可以通过播放大屏课件的方式, 让学生根据图示理清单相桥式整流电路。
如图1所示:
根据图示, 可以让学生亲自动手进行电路连接安装。为了便于讨论互动, 要把学生分成若干小组, 指定小组负责人。教师先对小组负责人进行单独培训, 然后由小组负责人回到小组, 进行实际操作训练。
在实际操作训练之前, 教师要针对学生可能出现的问题进行梳理:这四个二极管任意一只出现开路或者脱焊;任意一只二极管接反;任意一只出现短路现象;四只二极管全部接反。如果出现上述情况会分别产生什么后果呢?学生先进行讨论, 由学生代表发言, 最后教师总结:如果出现任意一只二极管开路或者脱焊, 单相桥式整流电路变半波整流, 而且电压要减小一半;任意一只二极管接反, 变压器会烧毁;任意一只二极管短路, 二极管和变压器都会被烧毁;如果四只二极管都接反, 输出电压极性相反。
明确了这些基本操作原理和失误操作后果, 学生在实际操作时, 就会特别注意, 在接通电源之前进行反复检查, 确保百分百正确, 才接通电源, 进行实际验证。
因为学生基础参差不齐, 如果让一个学生单独来解决这些问题, 其难度是比较大的, 让学生分组讨论, 就可以形成学习合力。自主合作探究学习是新课改的要求, 教师要积极引导学生讨论, 并给出一定的思路和方法。这样就可以让绝大数学生都能够掌握。让学生来复述, 这也是检验学生学习实效的好办法。只有真正学会才能说清楚, 这也给学生带来一定的压力, 避免滥竽充数的现象发生。
四、利用电子课件, 创新课堂训练内容
为了让学生能够深入到课堂教学之中, 不妨在多媒体运用时, 增加一些趣味性的图片, 将电子教学生活化。学习单相全波桥式整流电路中运用多媒体, 可以将电路图进行分解, 然后一步一步拼接, 让学生跟随多媒体画面获得最直观的感知。还可以将生活中涉及桥式单相全波整流电路的例子, 用图片或者视频的形式展现在大屏幕上, 让学生从生活体验入手, 实现理论和实践的相结合。
为了让学生有更切实的体验, 教师可以将有缺陷的桥式单相全波整流电路展示给学生, 然后让学生来操作补修, 学生通过亲自操作多媒体, 不仅动脑还动手了, 其学习效果一定是可期待的。也可以让学生在黑板上搭建一个桥式单相全波整流电路, 教师同步将这个电路图转化成多媒体幻灯片, 这样也可以让学生感觉很新鲜。
五、结语
电子专业课堂教学要创新, 教师要关注教学主体, 抓住几个创新角度, 充分激发学生主动学习的热情, 要针对学生实际采取针对性措施, 将课堂教学内容有形化直观化, 降低学习难度, 增加练习密度、提高教学强度, 这样才能体现现代中职教学改革的新方向。
摘要：开展单相桥式整流电路设计与教学创新探索, 不仅涉及整流电路的相关内容, 也是对整个电子专业课堂教学的反思。本文分四个方面, 从教学目标设计、教法调整、重难点突破和多媒体使用等角度, 结合具体教学内容对电子专业课堂教学创新进行分析和总结, 希望能够获得一些有益的启示。
关键词：单相,桥式,整流电路,设计,教学创新
参考文献
[1]严萍.单相桥式整流电路的教学设计[J].时代教育, 2012.
[2]王琴.单相桥式整流电路教学反思[J].黑河教育, 2013.
[3]张科红, 周利祥.单相桥式整流电路仿真平台的设计[J].科技资讯, 2013.
桥式整流电路 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
桥式整流电路 篇3
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
桥式整流电路 篇4
整流电路是电子电力中出现最早的一种,它的作用是将交流电能变为直流电能供给直流用电设备。整流电路的应用十分广泛,例如直流电动机、电镀、电解电源、同步发电机励磁、通信系统电源等。整流电路可从各种角度进行分类,如从交流输入相数分为单相电路和多相电路。目前在各种整流电路中,应用最为广泛的就是三相桥式全控整流电路。本文主要研究了三相桥式整流电路的原理以及其在MATLAB/Simulink中的建模与仿真。
1 三相桥式全控整流电路的工作原理介绍
三相桥式全控整流电路原理图如图1所示[1]。在图1中该电路是由变压器、共阴极组(VT1,VT3,VT5)、共阳极组(VT4,VT6,VT2)以及负载连接而成,其中变压器一次侧接成三角形,目的是避免3次谐波流入电网,二次侧接成星形可得到零线。由于电路采用了六个晶闸管,晶闸管为半控器件,需要设计触发电路才能使它们导通。电路正常工作时,每个时刻需两个晶闸管导通,一个为共阴极组,另外一个为共阳极组的。本电路的采用的是双脉冲触发方式,以确保前一个晶闸管导通。六个晶闸管的脉冲按照VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序依次导通,相位依次差60°。在满足触发条件的情况下,共阳极组中处于通态的晶闸管对应正得最多的相电压,共阴极组中处于通态的晶闸管对应负得最多的相电压。输出整流电压Ud则为两相电压之差。根据晶闸管的工作情况,故将波形中的一个周期等分成六段,每段60°[2,3]。
2 三相桥式全控整流电路在MATLAB/Simulink的建模与仿真
2.1 三相桥式电路的仿真模型
三相桥式全控整流电路由整流变压器、6个桥式连接的晶闸管、负载、触发器和同步环节组成。三相桥式整流电路的仿真使用Sim Powersystems模型中的三相桥和触发器的集成模块,用它们组成的三相桥式整流电路的仿真模型如图2所示。在有的模型库中6-pulse thyristor bridge模块仍使用信号端口,这时需要psbupdate函数转换为电路端口,6-pulsethyristor bridge模型没有测量端,需要时可打开其子电路,引出晶闸管的测量端口[4]。
2.2 仿真参数设置
(1)三相电源UA、UB和UC仿真参数设置:电压峰值为220√2,可表示为220*sqrt(2),频率为50Hz,相位分别为0°、-120°、-240°
(2)整流变压器仿真参数设置:一次绕组联接(winding 1 connection)选择Delta(D11),线电压U1=220√3=380V;二次绕组联接( winding 1 connection)选择Y,线电压U2=100√3=173V,在要求不高时,变压器容量、互感等其他参数可以保持默认值不变
(3)同步变压器仿真参数设置:一次绕组联接(winding 1 connection)选择Delta(D11),线电压U1=380V;二次绕组联接(winding 2 connection)选择Y,线电压U2=10V,其他参数保持默认值。
(4)三相晶闸管整流器参数使用默认值。
(5)RLC负载仿真参数设置:R=10Ω。
(6)脉冲发生器仿真参数设置:频率50Hz,脉冲宽度取10°,选择双脉冲触发方式。
(7)控制角仿真参数设置:设置为0°、30°、60°等。
另外,仿真时间可以按需要设置,是任意的,时间长观察到的波形多,计算花费的时间也多。一般电阻负载2个电源周期后电路已进入稳态,电感负载因为电流有上升时间,仿真时间也需要长一些,本例设为0.6s。仿真算法采用ode23tb。
2.3 仿真结果及其分析
三相桥式全控整流电路的仿真结果如图3~图11所示。其中图3为三相输入电压仿真波形,图4~图7为负载为纯电阻情况下的输出电压和电流仿真波形,图8~图11为负载为阻感性负载情况下的仿真波形。仿真结果表明:当触发角α小于60°时,负载电压ud波形连续,阻感性负载情况与带电阻负载的情况十分相似,负载电流id波形不同,是因为阻感性负载由于电感的作用,波形更加平滑些,可以推知电感很大时近似一条水平线。当触发角α大于60°时,阻感性负载情况与带电阻负载的情况的ud不同,这是因为电感L的作用,阻感性负载ud波形会出现负的部分。
图7电阻性负载触发角为90°电压和电流仿真波形
图8阻感性负载触发角为0°电压和电流仿真波形
图9阻感性负载触发角为30°电压和电流仿真波形
3 结束语
桥式整流电路 篇5
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
桥式整流电路 篇6
关键词：Matlab,整流电路,动态仿真,建模
随着社会生产和科学技术的发展,整流电路在自动控制系统、测量系统和发电机励磁系统等领域的应用日益广泛。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、电阻等多种元件,采用常规电路分析方法显得相当繁琐,高压情况下实验也难顺利进行。Matlab提供的可视化仿真工具Simulink可直接建立电路仿真模型,随意改变仿真参数,并且立即可得到任意的仿真结果,直观性强,进一步省去了编程的步骤[1,2,3]。本文利用Simulink对三相桥式全控整流电路进行建模,对不同控制角、桥故障情况下进行了仿真分析,既进一步加深了三相桥式全控整流电路的理论,同时也为现代电力电子实验教学奠定良好的实验基础。
1 电路的构成及工作特点
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可控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。
其工作特点是任何时刻都有不同组别的两只晶闸管同时导通,构成电流通路,因此为保证电路启动或电流断续后能正常导通,必须对不同组别应到导通的一对晶闸管同时加触发脉冲,所以触发脉冲的宽度应大于π/3的宽脉冲。宽脉冲触发要求触发功率大,易使脉冲变压器饱和,所以可以采用脉冲列代替双窄脉冲;每隔π/3换相一次,换相过程在共阴极组和共阳极组轮流进行,但只在同一组别中换相。接线图中晶闸管的编号方法使每个周期内6个管子的组合导通顺序是VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6;共阴极组T1,T3,T5的脉冲依次相差2π/3;同一相的上下两个桥臂,即VT1和VT4,VT3和VT6,VT5和VT2的脉冲相差π,给分析带来了方便;当α=0时,输出电压Ud一周期内的波形是6个线电压的包络线,所以输出脉动直流电压频率是电源频率的6倍,比三相半波电路高1倍,脉动减小,而且每次脉动的波形都一样,故该电路又可称为6脉动整流电路。同理,三相半波整流电路称为3脉动整流电路。α>0时,Ud的波形出现缺口,随着α角的增大,缺口增大,输出电压平均值降低。当α=2π/3时,输出电压为零,所以电阻性负载时,α的移相范围是0~2π/3;当0≤α≤π/3时,电流连续,每个晶闸管导通2π/3;当π/3≤α≤2π/3时,电流断续,每个晶闸管导通小于2π/3。23α=π/3是电阻性负载电流连续和断续的分界点。
2 建模及仿真
2.1 建模
根据三相桥式全控整流电路的原理可以利用Simulink内的模块建立仿真模型如图2所示,设置三个交流电压源Va,Vb,Vc相位角依次相差120°,得到整流桥的三相电源。用6个Thyristor构成整流桥,实现交流电压到直流电压的转换。6个pulse generator产生整流桥的触发脉冲,且从上到下分别给1~6号晶闸管触发脉冲。
2.2 参数设置及仿真
三相电源的相位互差120°,交流峰值电压为100 V,频率为60 Hz。晶闸管的参数为:Rn=0.001Ψ,Lon=0.000 1 H,Vf=0 V,Rs=50Ψ,Cs=250×10-9。负载电阻性设R=45Ψ,电感性负载设L=1 H。脉冲发生器脉冲宽度设置为脉宽的50%,脉冲高度为5 V,脉冲周期为0.016 7 s,脉冲移相角随着控制角的变化对“相位角延迟”进行设置。
(1)根据三相桥式全控整流电路的原理图,对不同的触发角α会影响输出电压进行仿真,负载为阻感特性。
当触发角α=0°时的输出电压波形如图3所示。
当触发角α=60°时的输出电压波形如图4所示。
当触发角α=90°时的输出电压波形如图5所示。
从以上仿真波形图可知改变不同的控制角,输出电压在发生不同的变化。
(2)由于高压强电流的情况,整流电路晶闸管很容易出现故障。假设以下情况对故障现象进行仿真分析,当α=30°,负载为阻感性时,仿真分析故障产生的波形情况。只有一个晶闸管故障波形如图6所示。
同一相的两个晶闸管故障波形如图7所示。
不同桥且不同相的两个晶闸管发生故障时的仿真波形如图8所示。
从以上故障仿真波形图来看,不同的晶闸管出现故障时,产生的波形图是不一样的,所以,通过动态仿真能有效知道整流电路出现故意时候的工作情况,同时也加深对三相全控整流电路的理解和运用。
3 结语
通过仿真和分析,可知三相桥式全控整流电路的输出电压受控制角α和负载特性的影响,文中应用Matlab的可视化仿真工具Simulink对三相桥式全控整流电路的仿真结果进行了详细分析,并与相关文献中采用常规电路分析方法所得到的输出电压波形进行比较,进一步验证了仿真结果的正确性。采用Matlab/Simulink对三相桥式全控整流电路进行仿真分析,避免了常规分析方法中繁琐的绘图和计算过程,得到了一种直观、快捷分析整流电路的新方法。应用Matlab/Simulink进行仿真,在仿真过程中可以灵活改变仿真参数,并且能直观地观察到仿真结果随参数的变化情况。应用Matlab对整流电路故障仿真研究时,可以判断出不同桥臂晶闸管发生故障时产生的波形现象,为分析三相桥式整流电路打下较好的基础,是一种值得进一步应用推广的功能强大的仿真软件,同进也是电力电子技术实验较好辅助工具。
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桥式整流电路 篇7
随着社会和科技的发展, 电力电子器件在工业中使用的种类和数量规模日趋增多。尤其在电力系统、电气传动和轨道交通等行业中, 由可控硅元件构成的三相桥式全控电路作为变流回路的主流拓扑, 在行业中使用相当广泛。现代同步发电机励磁系统, 基本都采用三相桥式全控整流电路提供励磁电流到发电机转子回路[1]。
三相桥式全控整流电路主要是通过换相整流形式将交流电变成直流电。在换相过程中, 快速关断的可控硅内部重新形成PN结时, 由于漏抗的存在, 在交流端将产生很高的换相过电压。为了保证回路中各元件的安全, 一般在可控硅元件的AK极连接抑制回路来限制可控硅换相过电压, 保护元器件的安全。
抑制可控硅换相过电压的方式主要有非线性电阻、RC阻容电路等。随着使用年限的增加, 非线性电阻存在老化问题, 且一般只能限制过电压的幅值, 不能降低过电压的上升率。而较高电压上升率的换相过电压可能导致其他处于关断状态的可控硅导通, 存在可控硅桥失控的隐患。而RC阻容吸收限制器在限制幅值的基础上可以减缓电压上升率, 而且没有荷电率问题, 具有较高的可靠性和抑制性能, 因此三相桥式全控整流电路一般采用RC回路作为抑制回路限制可控硅换相过电压。
RC回路参数的选取原则包含两个方面: (1) 限制换相过电压在容许范围内; (2) 消耗的功率尽可能小。文献[1]介绍了RC回路参数的设计计算方法并给出了计算实例。文献[2]分析了单个可控硅的反向恢复过程, 讨论了反向恢复电流的指数函数模型和双曲函数模型, 并给出了RC回路参数的实用计算方法。需要指出的是, 按此方法选取的阻容回路参数并不一定是最佳的。
为选取最佳RC参数, 需要对换相过程进行模拟。文献[3]用PSPICE仿真软件对单个可控硅及吸收电路进行了模拟, 并对RC参数对换相过电压的影响进行了分析。当电容达到一定数值时, 进一步增加电容值对减小换相过电压作用不大。对于某个特定电容值, 存在使换相过电压最小的电阻值。文献[4]用Matlab/Simulink建立了包含反向恢复过程的可控硅模型, 并进行了测试电路和三相交流整流电路的仿真。
本文结合可控硅元件的反向恢复特性和三相桥式全控整流电路及电感性负载的特点进行数学建模, 直接用Matlab进行求解, 提高了仿真速度, 并用实际工程参数和换相过电压波形对仿真结果进行了验证。
2 模型的建立
三相全控桥式整流电路拓扑结构如图1所示。每一个可控硅元件并联一组阻容吸收支路以限制该元件在换相过程中出现的换相过电压。
图1中, T1-T6为可控硅元件, R1-R6、C1-C6分别为阻容吸收回路的电阻和电容。根据电路工作原理可知, 可控硅元件T1-T6依次在T1-T6时刻导通, 同时在T5-T4依次关断, 且周而复始。
对图1电路的建模基于三个方面的考虑: (1) 换相时可控硅元件的关断过程; (2) 交流电源侧的电感; (3) 负载为大电感的感性负载。
2.1 可控硅元件的关断模型
三相全控桥式整流电路在换相时, 可控硅元件由于所加的反向电压而被强行关断。由于残留的载流子不能立即消失, 在反向电压存在条件下, 元件内部将再次形成PN结, 导致可控硅内部电流将反向流通, 直到电流快速衰减到稳态漏电流值。由于交流电源侧漏电感的存在, 此时产生的尖峰脉冲di/dt在回路电感上会产生很高的过电压即换相过电压。文献[2]对反向恢复电流模型作了详细分析, 包括突然截止模型、指数模型和双曲正割模型。考虑工程的通用性和精确性选用指数函数模型作为可控硅元件关断模型, 如图2所示。
图2中I0为可控硅关断前流过的电流, -t0为可控硅开始换相的时刻 (本文取t0>0) , Irr为最大反向恢复电流, Qrr为反向恢复电荷, t1为达到最大反向恢复电流的时间。
可控硅反向恢复电流模型可表示为:
2.2 三相全控桥式整流电路数学模型
假设T1为每个周期的开始时刻, 该时刻由可控硅的触发角度所决定。因此对于考虑换相过电压的模型, 将可控硅关断模型加入每个分段函数即可。
现以T1关断、T3开通为例, 建立具有换相过电压的模型。此时T2处于导通状态, 由于换相过程十分短暂, 且当负载为大电感性负载时, 流过c相的电流ic基本不变化, 故dia/dt=-dib/dt。由基尔霍夫定律可知:
式中:ua、ub、uc分别为不考虑换相过电压的变压器a、b、c相的相电压;La、Lb、Lc分别为变压器a、b、c相的漏感;Vak、uc1分别为关断可控硅AK极两端电压和阻容吸收电容两端电压;ic1为流过电容的电流。
当t≥t1且当iak小于可控硅漏电流后, 可控硅T1将处于关断状态。由于可控硅漏电流非常小, 因此可忽略为0。因此, 当t≥t1且当iak小于可控硅漏电流后式 (2) 将变为:
三相桥式全波整流电路交流侧相电压为:
其中:ua′为整流桥输入侧实时相电压, 相电压ub′、uc′可用类似的表达式表示。
三相桥式全波整流电路输出直流电压为:
式 (1) - (5) 完整地表述了考虑换相过电压的三相桥式全控电路模型。该模型可用Matlab直接求解。相对于采用Matlab/Simulink仿真, 不需要专用工具箱, 从而节省了软件费用。由于不必对每个可控硅元件建模, 仿真过程可大大简化, 且仿真速度很快。
3 模型的验证
为了验证该模型的正确性, 根据上述模型用Matlab进行了仿真, 同时将仿真结果与在励磁系统使用的三相全控桥式整流电路的录波进行了对比。
某电厂7号机励磁阳极电压录波波形如图3所示, 仿真波形如图4所示。现场测试条件:Uab为额定1024V, 触发角为76.8°, 直流电流为2878A, R1=20Ω, C1=2.5μF, 仿真参数基本与现场测试条件相同, 可控硅为T451N型。根据当前运行的参数查可控硅特性曲线可知Irr=527A, Qrr=20.8m As。
由波形图可看出其波形基本一致, 测量的换相峰值约为2400V, 仿真得到的换相峰值幅值为2360V, 由于仿真是没有考虑励磁变到可控硅电缆连接的电抗, 因此将会产生一部分差异, 但是由于换相差异很小, 在工程设计时可忽略不计。
4 结论
针对三相全控桥式整流电路可控硅元件的换相过电压问题, 通常采用并联阻容电路来限制换相过电压。为选取最佳的阻容参数, 建立了考虑换相过电压的三相桥式全控整流电路模型, 并通过电厂实例验证了该模型的正确性。
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桥式整流电路 篇8
三相全控整流电路的整流负载容量较大, 输出直流电压脉动较小, 是目前应用最为广泛的整流电路之一。由于三相全控整流电路构成的装置发生故障后, 快速报警, 判断故障位置, 并替换受损的元件, 恢复电路。往往依赖人工操作但受到各种条件限制容易延长诊断时间。一种新的诊断方法应运而生。
小波神经网络是神经网络和小波理论结合的产物”它兼具了小波多尺度分辨的能力和神经网络并行计算的能力, 具有收敛快, 鲁棒性好, 逼近能力强的优点成为研究的热点。
1、小波分析的基本理论
小波分析是从Fourier分析逐渐发展起来的, 它源于函数的伸缩和平移。小波简单地说就是“一小段波”, 它是一种特殊的, 长度有限、平均值为零的波。它有两个特点:一是“小”, 即在时域都具有紧支撑或近似紧支撑集;二是正负交替的波动性, 也即直流分量为零。小波变换就是将信号分解为一系列小波函数的叠加, 而这些小波函数都是由一个母小波函数经过平移和尺度伸缩得来的。
把对信号的积分变换:
称为小波变换, 其中。是ψ (t) 由经平移和缩放的结果。在小波变换的定义中, 小波函数ψab (t) 是窗函数, 它的时—频窗表现了小波变换的时—频局部化能力。
三相全控整流电路输出电流波形中通常含有非周期信号和畸变信号, 采用传统的傅立叶变换不能满足相应的要求, 然而小波变换确对故障信号的奇异点很敏感, 信号突变时采用小波变换在一定的范围内会在突变处产生峰值其和噪声会完全不同。利用此特点, 采用选择适当的小波基和适当的尺度参数, 可在强噪声情况下, 精确检测出突变信号。而且有效值突变点所对应的小波变换模极大值有沿尺度传递的特点;
对于同一个问题采用不同的小波基分析会有完全不一样的结果。限制判定小波基的优劣主要是对小波分解方法处理的结果与理论结果的差值来进行判断, 以此来确定小波基。
根据三相全控整流电路电压信号的特点综合考虑, 这里选择db3小波来基本满足紧支撑性与光滑性的要求。
如图1所示为三相全控桥式整流主电路图。
整流主回路故障情况比较复杂, 由于是多相位、多器件, 取控制触发角为0°30°45°90°。其故障组合数目众多, 因此本文考虑, 最多有两只晶闸管同时发生故障, 共有22种故障。其故障编码如表1所示。
这样, 共得了5大类, 22个小类故障。并且对故障进行了编号。每种故障对应着六位编码Y6Y5Y4Y3Y2Y1。
Y6Y5Y4表示大类, Y3Y2Y1。表示所属大类中的小类, 如:011010表示为第三大类中的第二小类故障:T3和T6开路
本文采用小波分析与神经网络相结合的方法对故障进行诊断, 使用此方法有两个前提条件:
(1) 在整流电路中, 晶闸管断开、串接熔断器熔断、触发脉冲丢失一切造成整流桥不导通的故障, 统称为晶闸管故障;
(2) 由于神经网络的识别能力和结构的简化, 最多同时考虑有两个晶闸管产生故障。
2、故障特征提取方法
装置中整流电路晶闸管的断路故障必然表现为输出电压信号的间断, 即输出信号是两种不同频率信号的组合。对于间断检测的原理, 我们可以理解为:间断点是高频信息, 比普通信号的频率要高出很多。此外, 整流装置多带感性负载, 输出电流波形变化平缓, 而电压信号更便于识别通过对整流电路输出电压的小波分解, 可以捕捉其故障信息, 从而达到故障特征提取的。取触发角α为0°、30°、45°、60°四组故障特征样本, 得到88个故障诊断结果。
下面对三相全控整流电路电压信号采用db3小波基进行6层小波分解, 然后对各个系数求出其能量值, 按照顺序排成一列向量, 该向量就是对应某一故障的特征向量。首先利用MATLAB/Simulink工具建立三相全控整流电路的仿真模型在小波分解尺度图中, 利用小波工具箱的GUI平台的统计功能 (Statistics按钮) 得出近似系数a6, 细节系数d1、d2、d3、d4、d5、d6的最大值。为了提高神经网络的计算速度, 处理数据, 得出故障特征向量P=[a6/PSd1/PSd2/PSd3/PSd4/PSd5/PSd6/PS], 作为BP神经网络的输入量。
3、BP神经网络的训练
当对多层网络的结构确定且需要的训练数据准备好以后, 就可以应用前面的BP算法对网络进行训练。其训练步骤如下:
(1) 用小的随机数对每一层的权值和偏差初始化。
(2) 计算网络各层输出矢量Al和A2以及网络误差E。
(3) 计算各层反向传播的误差变化D2和Dl, 并计算各层权值及新的权值。
(4) 再次计算权值修正后的误差平方和。
(5) 检查SSE是否小于err_goal, 若是, 训练结束, 否则继续。
在本文中, 故障特征向量P=[a6/PSd1/PSd2/PSd3/PSd4/PSd5/PSd6/PS], 作为BP神经网络的输入量。利用人工神经网络的学习能力和其输入输出之间的非线性映射关系, 使波形分析结果和故障类型之间的非线性关系通过神经网络学习后保存在神经网络的结构中, 然后用学习好的神经网络运用在电路的故障中, 诊断BP神经网络故障诊断模型如图2所示。主要包括3层 (1) 输入层, 即从实际系统中接收到的各种故障信息及现象; (2) 中间层, 是把输入层取得的信息经内部的学习与处理, 转为具体的解决办法; (3) 输出层, 主要针对输入的故障形式, 通过调整权系数后, 得到具体的处理方法。
输入向量P=[0.9999 0.0143 0.0061 0.0043 0.0026 0.0012 0.0008;
0.9997 0.0194 0.0081 0.0065 0.0041 0.0020 0.0014;
0.9997 0.0190 0.0094 0.0081 0.0052 0.0027 0.0018;
0.9997 0.0179 0.0083 0.0078 0.0049 0.0024 0.0016;]
目标向量T=[0 0 1 0 0 1;0 1 0 0 0 1;0 1 0 0 10......10 1 1 1 0]为22x6矩阵网络训练过程即不断修正权值与阈值的过程, 通过修正使输出误差达到最小。
得到几组不同训练样本的测试数据P_test, 用于验证网络的识别性能。调用Y=sim (net, P_test) , 对神经网络的输出结果进行四舍五人取整, (即若输出小于O.5则为O, 否则为1) , 使其成为0或1, 通过这组代码 (如表2)
可查到对应的故障诊断结果。
测试结果为
大于0.5取1, 小于0.5取0, 由此看出网络输出和期望值一致, 得以证明建立的神经网络能够对装置的故障模式进行较准确的识别。
本文以输出的故障电压当做故障信息, 采用小波分析的方法提取能量值作为故障特征向量, 通过神经网络来实现故障定位, 仿真结果表明:该方法收敛速度快, 诊断准确度高。
参考文献
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