基于Matlab/Simulink的12脈波整流電路諧波分析

王宇

（山西大學(xué)工程學(xué)院電力工程系，太原 030013）

整流電路是最早出現(xiàn)的一種電力電子電路，它廣泛應(yīng)用于直流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)、電解電源、電力及通信系統(tǒng)電源等各領(lǐng)域。傳統(tǒng)的整流電路主要有：半波整流電路、全波整流電路、橋式整流電路三種。隨著科技的不斷發(fā)展，電網(wǎng)容量不斷提高，傳統(tǒng)的整流電路所帶來的諧波干擾已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代電網(wǎng)對電能質(zhì)量的要求。為了降低傳統(tǒng)整流電路對電網(wǎng)所引起的諧波干擾，可以采用移相多重聯(lián)結(jié)的整流電路。本文討論的是一種串聯(lián)多重聯(lián)結(jié)的12脈波整流電路。

1 移相多重聯(lián)結(jié)的整流電路工作原理

整流電路的移相多重聯(lián)結(jié)分為并聯(lián)多重聯(lián)結(jié)和串聯(lián)多重聯(lián)結(jié)。這兩種聯(lián)結(jié)方式帶來的效果是相同的，下面只討論串聯(lián)多重聯(lián)結(jié)的整流電路，其構(gòu)成方式見表1。

表1 串聯(lián)多重聯(lián)結(jié)的構(gòu)成

（續(xù)）直流側(cè)脈波數(shù) 交流側(cè)移相角 聯(lián)結(jié)重?cái)?shù)24 15°(360°/24)四重3012°(360°/30)五重3610°(360°/36)六重

以二重聯(lián)結(jié)的12脈波整流電路為例，分析其工作原理，如圖1所示。

圖1 12脈波整流電路原理圖

其主電路的開關(guān)器件為晶閘管，變壓器二次側(cè)由兩個(gè)繞組構(gòu)成，繞組Ⅰ采用Y形接法，繞組Ⅱ采用△形接法，從而使繞組Ⅱ的相電壓滯后于繞組Ⅰ的相電壓30°，使得直流側(cè)輸出電壓ud在每個(gè)電源周期內(nèi)脈動(dòng)12次，故稱為12脈波整流電路。

2 基于Matlab/Simulink的12脈波整流電路仿真

運(yùn)用Matlab2009a軟件，在Simulink環(huán)境中搭建12脈波整流電路的模型，從而進(jìn)行仿真分析。

圖2 12脈波整流電路Simulink仿真模型

2.1 仿真模型的建立

12脈波整流電路的主要組成部分有：三相交流電源、三相三繞組變壓器、主電路（兩個(gè)三相全控晶閘管整流橋、負(fù)載）、控制電路（同步脈沖發(fā)生器）。

在Matlab2009a/Simulink環(huán)境中搭建的仿真模型如圖2所示。

2.2 參數(shù)設(shè)置

設(shè)置三相三繞組變壓器一次側(cè)繞組為Y形接法（額定電壓380V），二次側(cè)的兩個(gè)繞組分別為Y形接法（額定電壓220V）和D1形接法（額定電壓220V）。

兩個(gè)三相全控晶閘管整流橋均采用默認(rèn)設(shè)置；負(fù)載電阻R=100Ω，電感 L=0.15H ，為阻感負(fù)載。

設(shè)置同步脈沖發(fā)生器繞組聯(lián)結(jié)形式為D1（lagging），脈沖頻率50Hz，脈沖寬度15°（雙脈沖觸發(fā)），觸發(fā)延遲角為0°。

設(shè)置仿真時(shí)間為0.1s，求解方式為ode23tb（stiff/TR-BDF2）。

參數(shù)設(shè)置完成后，開始對模型進(jìn)行仿真運(yùn)算，觀察示波器，可以得到整流輸出的直流電壓ud、直流電流id、變壓器一次側(cè)相電流、變壓器二次側(cè)相電流等波形。

3 諧波分析

3.1 直流輸出電壓和電流的諧波分析

12脈波整流電路輸出直流電壓ud、直流電流id的波形如圖3所示，對其進(jìn)行傅里葉級數(shù)分解，可知：

m脈波整流電壓的諧波次數(shù)為 mk次（k=1,2,3…），整流電流的諧波由整流電壓決定，也為mk次。m增加時(shí)，最低諧波次數(shù)增大，諧波幅值減小。

圖3 整流輸出電壓和電流波形

從圖中可以看出，12脈波整流電路直流電壓和電流的脈動(dòng)明顯小于6脈波整流電路。

3.2 變壓器一次側(cè)相電流的諧波分析

整流電路變壓器一次側(cè)電流的諧波含量直接影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量，對一種整流電路而言，其變壓器一次側(cè)相電流諧波含量越低，性能越好。通常用諧波畸變率（THD）來衡量諧波含量的高低，THD越小，諧波含量越低。

6脈波整流電路一次側(cè)相電流波形如圖4所示，對其進(jìn)行傅里葉分析（圖5），計(jì)算出THD=31.08%，可以看出其諧波次數(shù)為5,7,11,13,17,19,…；即6k±1次。

圖4 6脈波整流電路一次側(cè)相電流波形

圖5 6脈波整流電路一次側(cè)相電流FFT

12脈波整流電路一次側(cè)相電流波形如圖6所示，對其進(jìn)行傅里葉分析（圖7），計(jì)算出THD=12.97%，可以看出其諧波次數(shù)為11, 13, 23, 25,…；即12k±1次。這是由于其變壓器二次側(cè)采用了移相多重聯(lián)結(jié)，副邊電流折算到原邊時(shí)相互疊加，故抵消了5,7,17,19,…次諧波，大大降低了諧波含量。

圖6 12脈波整流電路一次側(cè)相電流波形

圖7 12脈波整流電路一次側(cè)相電流FFT

4 結(jié)論

基于上述分析可以看出，12脈波整流電路的直流電壓、直流電流、一次側(cè)相電流諧波含量均小于傳統(tǒng)的6脈波整流電路（三相橋式整流電路）。所以，12脈波整流電路更加適用于電壓等級高、容量大的整流場合，例如：冶金工業(yè)、高壓直流輸電等。

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