毕业设计(论文)多相交流整流器的设计与仿真.doc
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1、多相交流整流器的设计与仿真摘要:本文通过分析PWM整流器的原理及其结构,分析谐波的重要性,并联与串联结构整流电路的分析比较,基于MATLABSIMULINK构建了串联12脉波整流电路仿真模型,给出了仿真结果,并给予了相应的谐波分析,并分析了整流过程中可能遇到的短路,并给予相关计算尝试设计滤波整流电路。关键词:整流电路;MATLAB;仿真;谐波;滤波Multi-phase AC Adapter Design and Simulation Abstract :This paper analyzes the principle and structure of PWM rectifier, harm
2、onicanalysis of the importance of parallel and series rectifier circuit structure analysis and comparison, based on MATLAB / SIMULINK constructed series of 12 pulse rectifier circuit simulation model, the simulation Results, and given the corresponding harmonic analysis, and analysis of the rectifie
3、r circuit may be encountered in the process and give the relevant calculated attempt to design filter rectifier circuit.Key words :rectifier circuit ;simulation;MATLAB ;harmonic;filter目录绪 论1第1章 整流器介绍21.1整流器概述21.2 原理31.3 二极管整流器31.4 晶闸管整流器31.5 整流器作用31.6 镇流器和整流器的作用有何区别3第2章 同步发电机42.1 同步发电机概述42.2 工作原理42.
4、3 多相同步发电机的相关问题5第3章 谐波63.1 整流器与谐波63.2 谐波定义63.3 谐波的产生63.4 谐波的危害73.4.1谐波的一般危害73.4.2 谐波与公用电网以及其他系统7第4章 PWM整流器84.1 PWM 整流器研究的重要性84.2 PWM产生的背景94.3 传统的整流电路94.4 PWM 整流器与传统的整流器比较94.5 PWM整流器的分类10第5章 多相整流发电机短路电流计算方法12要计算整流发电机短路电流,首先要满足以下假设:12第6章 并联与串联结构的整流系统166.1 整流系统的计算及串联系统的选择166.1.1 串联运行方式176.2.2 并联运行方式186.
5、1.3 试验验证19第7章 整流电路及谐波的仿真与滤波217.1 MATLAB简要介绍217.2 电路的选择以及仿真227.2.1 结构简历与仿真227.2.2 6脉波与12脉波整流电路输出波形比较24第8章 电路谐波与滤波器设计258.1工作原理分析258.2 谐波分析258.3 滤波器设计原理与方法268.3.1 设计准则268.3.2 设计步骤268.3.4 滤波器对电网频率波动的适应性26结 论28参考文献29致谢30绪 论 随着工业技术的飞速发展,人们对所使用的电能的质量要求越来越高;在能源日益危机的今天,以高效节能、优质合理使用电能为特点的电力电子装置得到了前所未有的发展。然而,电
6、力电子技术在给人们的生活带来方便的同时,也引发了新问题,即对电网的污染问题。传统的整流电路一般采用不控整流,输出并联大电容滤波。这种电路的优点是具有很高的可靠性,简单易用,不需要控制电路。但即使负载为纯阻负载,由于滤波电容的使用,整流电路的入端电流为脉冲电流,谐波含量十分丰富。另外由于对输出电压没有控制,输出电压随负载波动变化较大,使得下一级电路的设计必须留出一定的裕量,造成对器件使用效率的限制。在一些电路中采用相控整流虽然可以对输出直流电压进行控制,但是这种电路的入端电流谐波含量很高,而且还造成电流的滞后。 整流装置功率越大。它对电网的干扰也越严重。而在一个电源周期中整流输出电压脉波数ITI
7、越多则输出电压中的谐波阶次越高,谐波幅值越小整流特性越好,同时整流装置的交流电流中的谐波频率越高,谐波电流数值也越小。为了减轻整流装置谐波对电网的影响,可采用12脉波甚至更高次脉波的多相整流电路。 第1章 整流器介绍 1.1整流器概述 整流器是一个整流装置,简单的说就是将交流(AC)转化为直流(DC)的装置。它有两个主要功能:第一,将交流电(AC)变成直流电(DC),经滤波后供给负载,或者供给逆变器;第二,给蓄电池提供充电电压。因此,它同时又起到一个充电器的作用。 整流器是经过汽车发电机整流过后的直流电,波型仍然具有不规则的波动,直接影响了车辆点火的准确性;输出电压无法保持相对恒定,造成每次火
8、花塞点火的能量差别大容易使您的爱车引擎抖动,出现换档顿挫、提速缓慢无力、怠速不稳以及车用空调效率低下等情形。从而大大降低了车载电器设备的性能和使用寿命;再加上高龄汽车的电路系统老化,电路阻阬变高的影响,对您的爱车的影响也就变得日益明显。电子整流器是的作用是帮助车消除杂波干扰、稳定输出电压、提高电源系统的瞬间放电能力、增加扭力输出、加快油门反应、延长电池使用寿命、缩短汽车引擎启动时间、提高点火效率等,尤其是对小排量的车,效果比较明显。 半导体PN结在正向偏置时电流很大,反向偏置时电流很小。整流二极管就是利用PN结的这种单向导电特性将交流电流变为直流的一种PN结二极管。通常把电流容量在1安以下的器
9、件称为整流二极管,1安以上的称为整流器。常用的半导体整流器有硅整流器和硒整流器,产品规格很多,电压从几十伏到几千伏,电流从几安到几千安。整流器广泛用于各种形式的整流电源中。 图1-1整流器 大功率整流电源要求整流器的电流容量大、击穿电压高、散热性能好,但这种器件的结面积大、结电容大,因而工作频率很低,一般在几十千赫以下。硅材料的禁带宽度较大,导热性能良好,适于制作大功率整流器件。在耐高压的整流装置中常采用高压硅堆,它由多个整流器件的管芯串联组成,其反向耐压由管芯的耐压及串联管芯数决定,最高耐压可达几百千伏。如果高频整流电路用于很高频率下,当交流电压的周期与整流器通态到关态的恢复时间相当时,整流
10、器对高频电压不再起整流作用。为适应高频工作的需要,通常在硅整流器中采用掺金的方法,以缩短注入少数载流子的寿命,从而达到减小恢复时间的目的。 为了减小器件因过压击穿造成损坏的可能性和提高整流装置的可靠性,可采用硅雪崩整流器。在这种器件中,当反向电压超过允许峰值时,在整个PN结上发生均匀的雪崩击穿,器件可工作在高压大电流下,故能承受相当大的反向浪涌功率。制作这种器件时要求材料缺陷少,电阻率均匀,结面平整,外露结区还应进行适当保护,避免发生表面击穿。硒整流器的抗过载容量大,承受反向浪涌功率的能力也较强。1.2 原理在以大功率二极管或晶闸管为基础的两种基本类型的整流器中,电网的高压交流功率通过变压器变
11、换为直流功率。提到未来的其它类型整流器:以不可控二极管前沿产品为基础的斩波器、斩波直流/直流变换器或电流源逆变型有源整流器。显然,这种最新型的整流器在技术上包含较多要开发的内容,但是它能显示出优点,例如它以非常小的谐波干扰和1的功率因数加载于电网。 1.3 二极管整流器所有整流器类别中最简单的是二极管整流器。在最简单的型式中,二极管整流器不提供任何一种控制输出电流和电压数值的手段。为了适用于工业过程,输出值必须在一定范围内可以控制。通过应用机械的所谓有载抽头变换器可以完成这种控制。作为典型情况,有载抽头变换器在整流变压器的原边控制输入的交流电压,因此也就能够在一定范围内控制输出的直流值。通常有
12、载抽头变换器与串联在整流器输出电路中的饱和电锯器结合使用。通过在电抗器中引入直流电流,使线路中产生一个可变的阻抗。因此,通过控制电抗器两端的电压降,输出值可以在比较窄的范围内控制。 1.4 晶闸管整流器在设计上非常接近二极管整流器的是晶闸管整流器。因为晶闸管整流器的电参数是可控的,所以不需要有载抽头变换器和饱和电抗器。 因为晶闸管整流器不包含运动部件,所以晶闸管整流器系统的维修减少了。注意到的一个优点是晶闸管整流器的调节速度较二极管整流器快。在过程特性的阶跃期间,晶闸管整流器常常调节很快,以致能够避免过电流。其结果是晶闸管系统的过载能力能够设计得比二极管系统小。 1.5 整流器作用整流器是一个
13、整流装置,简单的说就是将交流(AC)转化为直流(DC)的装置。它有两个主要功能:第一,将交流电(AC)变成直流电(DC),经滤波后供给负载,或者供给逆变 第二,给蓄电池提供充电电压。因此,它同时又起到一个充电器的作用。 1.6 镇流器和整流器的作用有何区别 把交流电变成直流电的设备就称为整流器。按照所采用的整流器件,可分为机械式、电子管式和半导体式几类。 电感镇流器是一个铁芯电感线圈,电感的性质是当线圈中的电流发生变化时,则在线圈中将引起磁通的变化,从而产生感应电动势,其方向与电流的方向相反,因而阻碍着电流变化。第2章 同步发电机 2.1 同步发电机概述 目标是多相整流器的设计,涉及到整流器两
14、端 交流直流问题,以及前面的同步发电机,所以我们将介绍一下,同步发电机,及相关知识:转子转速与定子旋转磁场的转速相同的交流发电机。按结构可分为旋转电枢和旋转磁场两种。当它的磁极对数为p、转子转速为n时,输出电流频率f=np/60(赫)。作发电机运行的同步电机。是一种最常用的交流发电机。在现代电力工业中,它广泛用于水利发电、火力发电、核能发电以及柴油机发 电。由于同步发电机一般采用直流励磁,当其单机独立运行时,通过调节励磁电流,能方便地调节发电机的电压。若并入电网运行,因电压由电网决定,不能改变,此时调节励磁电流的结果是调节了电机的功率因数和无功功率。 同步发电机的定子、转子结构与同步电机相同,
15、一般采用三相形式,只在某些小型同步发电机中电枢绕组采用单相。图2-1 同步电机结构模型 2.2 工作原理主磁场的建立:励磁绕组通以直流励磁电流,建立极性相间的励磁磁场,即建立起主磁场。 载流体:三相对称的电枢绕组充当功率绕组,成为感应电势或者感应电流的载体。 切割运动:原动机拖动转子旋转(给电机输入机械能),极性相间的励磁磁场随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组(相当于绕组的导体反向切割励磁磁场)。 交变电势的产生:由于电枢绕组与主磁场之间的相对切割运动,电枢绕组中将会感应出大小和方向按周期性变化的三相对称交变电势。通过引出线,即可提供交流电源。 感应电势 频率: 感应电势的频率决定于同步电机的
16、转速n 和极对数p 交变性与对称性:由于旋转磁场极性相间,使得感应电势的极性交变;由于电枢绕组的对称性,保证了感应电势的三相对称性。 同步转速 从供电品质考虑,由众多同步发电机并联构成的交流电网的频率应该是一个不变的值,这就要求发电机的频率应该和电网的频率一致。我国电网的频率为50Hz. 2.3 多相同步发电机的相关问题 多相同步发电机一般也是采用直流励磁,而且是自己发电自己利用,然而发电机流出来的电是交流电,我们需要将其转化为直流电,从而供给励磁以及负载,整流过程中将会遇到很多值得我们分析的问题,如谐波等第3章 谐波 3.1 整流器与谐波 随着工业技术的飞速发展,人们对所使用的电能的质量要求
17、越来越高;在能源日益危机的今天,以高效节能、优质合理使用电能为特点的电力电子装置得到了前所未有的发展。然而,电力电子技术在给人们的生活带来方便的同时,也引发了新问题,即对电网的污染问题。传统的整流电路一般采用不控整流,输出并联大容滤波。这种电路的优点是具有很高的可靠性,简单易用,不需要控制电路。但即使负载为纯阻负载,由于滤波电容的使用,整流电路的入端电流为脉冲电流,谐波含量十分丰富。另外由于对输出电压没有控制,输出电压随负载波动变化较大,使得下一级电路的设计必须留出一定的裕量,造成对器件使用效率的限制。在一些电路中采用相控整流虽然可以对输出直流电压进行控制,但是这种电路的入端电流谐波含量很高,
18、而且还造成电流的滞后。不控或相控整流电路的谐波污染和功率因数低下形成了人们常说的电力公害,其中尤以谐波污染为甚。大量的谐波会引起电力线路和设备发热增加、损耗加大,破坏绝缘,影响使寿命。谐波也会影响电力系统中继电保护装置和自动控制系统的工作,给电网带来危害。谐波引起的电磁场还会耦合至通讯线路,影响通讯质量。为了保证电网和用电设备的安全经济运行,目许多工业发达国家、国际电工组织以及一些大电力公司都制定了相应的谐波标准,对用电设备的入端性能作出严格的限制,如IEC555-2、IEEE519 等。这些标准对电器的入端功率因数和入端电流各次谐波的含量都作出了具体的限定。随着这些规范逐渐被各国采用功率因数
19、和谐波含量成为电力电子系统设计人员必须考虑的问题。 3.2 谐波定义 定义: 从严格的意义来讲,谐波是指电流中所含有的频率为基波的整数倍的电量,一般是指对周期性的非正弦电量进行傅里叶级数分解,其余大于基波频率的电流产生的电量。从广义上讲,由于交流电网有效分量为工频单一频率,因此任何与工频频率不同的成分都可以称之为谐波,这时“谐波”这个词的的意义已经变得与原意有些不符。正是因为广义的谐波概念,才有了“分数谐波”、“间谐波”、“次谐波”等等说法。 产生的原因:由于正弦电压加压于非线性负载,基波电流发生畸变产生谐波。主要非线性负载有UPS、开关电源、整流器、变频器、逆变器等。 3.3 谐波的产生用傅
20、里叶分析原理,能够把非正弦曲线信号分解成基本部分和它的倍数。 在电力系统中,谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。当电流流经负载时,与所加的电压不呈线性关系,就形成非正弦电流,即电路中有谐波产生。由于半导体晶闸管的开关操作和二极管、半导体晶闸管的非线性特性,电力系统的某些设备如功率转换器比较大的背离正弦曲线波形。 谐波电流的产生是与功率转换器的脉冲数相关的。6脉冲设备仅有5、7、11、13、17、19 .n倍于电网频率。 功率变换器的脉冲数越高,最低次的谐波分量的频率的次数就越高。 其他功率消耗装置,例如荧光灯的电子控制调节器产生大强度的3 次谐波( 150 赫兹)。 在供电网络阻抗( 电阻
21、) 下这样的非正弦曲线电流导致一个非正弦曲线的电压降。 在供电网络阻抗下产生谐波电压的振幅等于相应谐波电流和对应于该电流频率的供电网络阻抗Z的乘积。 次数越高,谐波分量的振幅越低。 只要哪里有谐波源那里就有谐波产生。也有可能,谐波分量通过供电网络到达用户网络。 例如,供电网络中一个用户工厂的运转可能被相邻的另一个用户设备产生的谐波所干扰。3.4 谐波的危害 3.4.1谐波的一般危害 降低系统容量如变压器、断路器、电缆等;加速设备老化,缩短设备使用寿命,甚至损坏设备;危害生产安全与稳定;浪费电能等。 3.4.2 谐波与公用电网以及其他系统 理想的公用电网所提供的电压应该是单一而固定的频率以及规定
22、的电压幅值。谐波电流和谐波电压的出现,对公用电网是一种污染,它使用电设备所处的环境恶化,也对周围的能耐。 在电力电子设备广泛应用以前,人们对谐波及其危害就进行过一些研究,并有一定认识,但那时谐波污染还没有引起足够的重视。 近三四十年来,各种电力电子装置的迅速发展使得公用电网的谐波污染日趋严重,由谐波引起的各种故障和事故也不断发生,谐波危害的严重性才引起人们高度的关注。 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。谐波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
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