黃小凡，劉欣睿

（1.成都七中，四川成都610041；2.西華大學(xué)電氣與電子信息學(xué)院，四川成都610039）

電壓型不控整流電路

黃小凡1，劉欣睿2

（1.成都七中，四川成都610041；2.西華大學(xué)電氣與電子信息學(xué)院，四川成都610039）

通過(guò)對(duì)電壓型不控整流電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的理論分析及仿真分析，比較每一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的輸出電壓波形、輸出電壓平均值、網(wǎng)側(cè)電流諧波含量，總結(jié)電壓型不控整流電路的優(yōu)缺點(diǎn)。同時(shí)對(duì)電路中濾波電容的能量耗散、容值大小的選擇進(jìn)行了仿真分析，闡述拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中濾波電容大小選擇的重要性。

濾波電容；不可控整流；諧波；能量耗散

0 前言

電力電子技術(shù)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制和日常生活中，通常需要交流電源和直流電源。傳統(tǒng)的火力發(fā)電和水力發(fā)電是用同步發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電，因此，生活中的直流電需要通過(guò)交流電整流，即AC/DC變換。針對(duì)設(shè)計(jì)要求不同，如電壓電流型電路、輸出電壓、網(wǎng)側(cè)電流諧波含量等，相應(yīng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也有所不同。本研究針對(duì)電容濾波型不控整流電路中的電容，從電容作用、電容對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的影響、電容損耗及壽命、電容取值四方面進(jìn)行分析。此外還從不同拓?fù)涞妮敵鲭妷杭熬W(wǎng)側(cè)電流諧波入手，對(duì)電容濾波型不控整流的幾類(lèi)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行理論分析和仿真分析。

1 電容的分析

電容濾波的單相、三相不可控整流電路的電容并聯(lián)在直流側(cè)負(fù)載兩端，起到穩(wěn)壓、濾波，防止電壓波動(dòng)的作用。當(dāng)加在電容兩端的電壓大于電容自身電壓時(shí)，電容會(huì)充電，負(fù)載電壓逐漸升高；當(dāng)加在電容兩端的電壓小于電容自身電壓時(shí)，電容會(huì)放電，負(fù)載電壓逐漸減小，從而實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)壓濾波和保護(hù)負(fù)載的作用。文獻(xiàn)[1]分析了電壓型不控整流電路，當(dāng)電容值越大時(shí)，輸出電壓的波形紋波越小，其波形越接近于一條直線(xiàn)，濾波的效果也就越好，但同時(shí)電容的熱損耗也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，從而影響電容壽命。在實(shí)際應(yīng)用中，由于制造電容的材料有電阻，因此引入等效串聯(lián)電阻的概念，在電壓變化、電容不斷充放電的過(guò)程中，充放電電流流過(guò)等效串聯(lián)電阻發(fā)熱，引起熱損耗，這個(gè)熱損耗是影響電容壽命的關(guān)鍵因素。熱損耗的計(jì)算公式為

式中Ploss為等效串聯(lián)電阻引起的熱功率損耗；I為電容的充放電電流有效值；Res為電容的等效串聯(lián)電阻。

當(dāng)電容容值增加時(shí)，電容的充放電電流相應(yīng)增大；此外，電容容值越小，其等效串聯(lián)電阻越大，電容容值越大，其等效串聯(lián)電阻越小[2-3]。所以增大電容，其充放電電流有效值會(huì)增大，但等效串聯(lián)電阻會(huì)減小，因此應(yīng)選取一個(gè)電容偏大且功率損耗偏小的電容，以保證較小的損耗有著較理想的濾波作用。

2 單相電路的分析

2.1 單相不可控整流電路

電容濾波的單相不可控整流電路及其波形如圖1所示。

圖1 單相不可控整流電路及波形

設(shè)圖1中網(wǎng)側(cè)電壓

當(dāng)ωt＝0時(shí)，uc＞ui，此階段電容單獨(dú)向負(fù)載供能。

當(dāng)ωt＞t1＝δ時(shí)，uc＜ui，電源開(kāi)始向電容充電，同時(shí)電源向負(fù)載供能。設(shè)二極管的導(dǎo)通角為θ。

（1）t1＜ωt＜t2階段。

電容的初始儲(chǔ)能

電容的充電電壓

輸出電壓

電容的充電電流

流過(guò)負(fù)載的電流

直流側(cè)電流

當(dāng)網(wǎng)側(cè)電壓達(dá)到峰值后，電容電壓隨網(wǎng)側(cè)電壓減小，電容開(kāi)始放電，放電電流增加，網(wǎng)側(cè)電流減小，直至放電電流能夠提供負(fù)載電流時(shí)，網(wǎng)側(cè)電流降為0，此后由電容單獨(dú)給負(fù)載供能。

當(dāng)ωt＞t2＝δ+θ時(shí)，網(wǎng)側(cè)電流id＝0，電容放電，負(fù)載能量由電容單獨(dú)提供。

（2）t2＜ωt＜t3階段。

開(kāi)始放電時(shí)的電容電壓

電容放電電壓及輸出電壓

經(jīng)過(guò)放電時(shí)間（t3-t2）＝（π-θ）/ω，電容達(dá)到初始儲(chǔ)能見(jiàn)式（3），電容放電結(jié)束。由式（3）、式（10）可得

t3時(shí)刻后，電容重新充電，重復(fù)t1時(shí)刻后的工作模式。

由式（6）～式（8）可得

由于δ+θ＞90°，所以由式（11）、式（12）可得

若已知ωRC，由式（13）、式（14）可得δ、θ，進(jìn)而求得直流側(cè)電流的表達(dá)式

由理論推導(dǎo)得知，ωRC越大，δ越大，θ越小，輸出電壓的脈動(dòng)就越?。桓鞔沃C波含量隨ωRC的增大而增加，網(wǎng)側(cè)電流THD增大[4]。

2.2 LC濾波的單相不可控整流電路

LC濾波的單相不可控整流電路如圖2所示。

在單相不可控整流電路的直流側(cè)，加入電感L后，由于電感對(duì)電流有阻礙作用，輸出電壓將滯后網(wǎng)側(cè)電壓（放電階段及充電階段的開(kāi)始時(shí)間較未加電感時(shí)要滯后一些）。

直流側(cè)電感的引入使的直流側(cè)電流波形受到一定的影響。電感既能夠抑制直流側(cè)電流的沖擊，還能起到濾波的作用。與未引入直流側(cè)電感時(shí)的電路相比，引入直流側(cè)電感的情況下，直流側(cè)電流的波形更平緩，網(wǎng)側(cè)電流也更平緩，有利于減少網(wǎng)側(cè)電流的諧波含量，降低網(wǎng)側(cè)電流THD[5]。

圖2 LC濾波的單相不可控整流電路

3 三相不控電路

3.1 三相不控整流電路

無(wú)網(wǎng)側(cè)阻抗時(shí)電容濾波的三相不可控整流電路及其波形如圖3所示。

圖3 無(wú)網(wǎng)側(cè)阻抗時(shí)三相不可控整流及波形

無(wú)網(wǎng)側(cè)阻抗的電容濾波三相不可控整流電路與單相的類(lèi)似，區(qū)別是：?jiǎn)蜗嚯娐分?，加在電容兩端的電壓與網(wǎng)側(cè)電壓有關(guān)；而三相電路中，加在電容兩端的電壓與A、B、C三相的線(xiàn)電壓有關(guān)。

在三相電路中，usa、usb、usc三相的波形決定了二極管的導(dǎo)通情況。上組二極管是相電壓最大一相所對(duì)應(yīng)的二極管導(dǎo)通，下組二極管是相電壓最低一相所對(duì)應(yīng)的二極管導(dǎo)通，其兩端的電壓為加在電容兩端的線(xiàn)電壓。

當(dāng)線(xiàn)電壓大于電容初始儲(chǔ)能時(shí)，此線(xiàn)電壓給電容充電的同時(shí)也向負(fù)載提供能量，當(dāng)線(xiàn)電壓小于電容初始儲(chǔ)能時(shí)，負(fù)載的能量全由電容提供。

設(shè)圖3中相電壓

則未并聯(lián)電容時(shí)的線(xiàn)電壓

與單相的類(lèi)似，故式（12）成立，由于電容單獨(dú)給負(fù)載供電的時(shí)間為由式（11）可得

解得

若已知ωRC由式（12）、式（19）可得δ、θ的大小，則可以求得每相電流的表達(dá)式。

由理論推導(dǎo)得知，ωRC越大，δ越大，θ越小，輸出電壓的脈動(dòng)就越??；各次諧波含量隨ωRC的增大而增加，相電流THD增大。

3.2 LC濾波的三相不可控整流電路

直流側(cè)加有電感的三相不可控整流電路如圖4所示。

圖4 LC濾波的三相不可控整流電路

引入直流側(cè)電感L能夠使輸出電壓變得更穩(wěn)定[6]。同時(shí)引入直流側(cè)電感能夠較大程度地減少相電流諧波含量，減小THD。與3.1節(jié)未引入電感的三相不可控整流電路相比，引入電感L后，相電流的諧波含量將明顯減少。

3.3 有網(wǎng)側(cè)阻抗的三相不可控整流電路

在電容濾波三相不可控整流電路中引入直流側(cè)電感時(shí)，相電流諧波含量明顯減少。若引入的電感在交流側(cè)，那么就是交流側(cè)存在網(wǎng)側(cè)阻抗的情況，如圖5所示。

圖5 有網(wǎng)側(cè)阻抗的三相不可控整流電路

存在網(wǎng)側(cè)阻抗的三相不可控整流電路，在濾波效果上與引入直流側(cè)電感的三相不可控整流電路類(lèi)似，均對(duì)相電流具有較好的濾波作用，減少了相電流的諧波含量。

雖然網(wǎng)側(cè)阻抗能夠改善相電流的諧波含量，但會(huì)影響輸出電壓質(zhì)量。由于網(wǎng)側(cè)阻抗的存在，電流不能突變，所以當(dāng)開(kāi)關(guān)管本應(yīng)該換相時(shí)，由于電感續(xù)流，導(dǎo)致?lián)Q相重疊，出現(xiàn)疊流的現(xiàn)象，換相不成功，降低了輸出電壓平均值，影響了輸出電壓的質(zhì)量。

4 仿真結(jié)果及分析

4.1 單相不控整流電路仿真分析

單相不控整流仿真電路如圖1所示。取負(fù)載R= 10 Ω，電容C=3 300 μF時(shí)的仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 輸出電壓波形

此時(shí)輸出直流電壓值為284.8 V，輸出電壓的紋波較大。網(wǎng)側(cè)電流諧波含量及總諧波失真度如圖7所示。網(wǎng)側(cè)電流的畸變非常明顯，諧波含量很高。

圖7 電容C=3 300 μF時(shí)網(wǎng)側(cè)電流波形及其諧波分析

適當(dāng)提高電容，取電容C=33 000 μF時(shí)仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 輸出電壓波形

此時(shí)輸出電壓值為307.1 V，輸出電壓波形較提高電容值之前紋波明顯減小，更接近于穩(wěn)定于307 V的輸出電壓。網(wǎng)側(cè)電流諧波含量及總諧波失真度如圖9所示。

圖9 電容C=33 000 μF網(wǎng)側(cè)電流波形及其諧波分析

當(dāng)增大電容值時(shí)，網(wǎng)側(cè)電流的諧波含量增加，網(wǎng)側(cè)電流THD增大。

由仿真結(jié)果可知，無(wú)網(wǎng)側(cè)阻抗的單相電容濾波的不可控整流電路，隨著電容值的增加，輸出電壓更加穩(wěn)定，但網(wǎng)側(cè)電流的諧波含量隨著電容值的增大而增加。

4.2 LC濾波的單相不可控電路仿真分析

參考單相不控整流仿真電路。取負(fù)載R=10 Ω、電容C=3 300 μF、電感L=1 mH時(shí)的仿真結(jié)果如圖10所示。

圖10 輸出電壓與直流側(cè)電流波形

由于存在直流側(cè)電感，輸出電壓較直流側(cè)電流滯后一段時(shí)間。輸出電壓平均值282 V，與4.1節(jié)中相同情況下的仿真結(jié)果差別不大。

圖11 網(wǎng)側(cè)電流波形及諧波分析

此電路網(wǎng)側(cè)電流的諧波含量明顯低于未加電感時(shí)網(wǎng)側(cè)電流的諧波含量，網(wǎng)側(cè)電流的THD減小。

4.3 三相不可控整流電路的仿真分析

三相不控整流仿真電路如圖3所示。取負(fù)載R= 10 Ω，電容C=3 300 μF時(shí)的仿真結(jié)果如圖12所示。

圖12 三相不控整流仿真輸出電壓波形

輸出電壓平均值為523.1 V。雖然輸出電壓脈動(dòng)較單相電路更小，但仍不穩(wěn)定。

a相電流波形及總諧波失真度如圖13所示。由圖13可知，a相電流諧波含量很大，電流畸變明顯。

圖13 a相電流波形及其諧波分析圖

適當(dāng)提高電容的值，取電容C=33 000 μF時(shí)的仿真結(jié)果如圖14所示。

圖14 輸出電壓波形

輸出電壓值為534.6 V。提高電容值后，輸出電壓更加穩(wěn)定，紋波減少，輸出電壓近似于一條直線(xiàn)。

a相電流波形及其總諧波失真度如圖15所示。

圖15 a相電流波形及其諧波分析

a相電流的諧波含量隨著電容值的增大而增加。

4.4 LC濾波的三相不可控整流仿真分析

參考三相不控整流仿真電路。取電阻R=10 Ω、電容C=3 300 μF、電感L=10 mH時(shí)的輸出電壓仿真結(jié)果如圖16所示。

圖16 輸出電壓波形

輸出電壓平均值為512 V，與未引入直流側(cè)電感時(shí)相比，輸出電壓紋波減少電壓更穩(wěn)定，但輸出電壓平均值有所降低。

a相電流波形及其諧波分析圖如圖17所示。

圖17 加入電感L時(shí)a相電流波形及其諧波分析

當(dāng)接入電感過(guò)后，a相電流諧波含量明顯降低，THD減小。

4.5 有網(wǎng)側(cè)阻抗的三相不可控整流電路仿真分析

參考三相不控整流仿真電路。取電阻R=10 Ω、電容C=3 300 μF、網(wǎng)側(cè)阻抗L=10 mH時(shí)的輸出電壓仿真結(jié)果如圖18所示。

圖18 有網(wǎng)側(cè)阻抗的輸出電壓波形

雖然輸出電壓穩(wěn)定性較高，但由于網(wǎng)側(cè)阻抗導(dǎo)致?lián)Q相重疊，輸出電壓平均值大大降低，只有241.2 V。

a相電流波形及其諧波分析如圖19所示。

圖19 a相電流波形及其諧波分析

存在網(wǎng)側(cè)阻抗的三相不可控整流電路，a相電流的諧波含量較引入直流側(cè)電感的電路更高，但相比于不加電感的電路，其諧波含量大大降低。所以存在網(wǎng)側(cè)阻抗的三相不可控整流電路，對(duì)于網(wǎng)側(cè)電流的濾波效果不及引入直流側(cè)電感的電路，還降低了輸出電壓。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)無(wú)網(wǎng)側(cè)阻抗時(shí)的電容濾波單相不可控整流電路的分析可知，增大電容，直流輸出電壓會(huì)更穩(wěn)定，脈動(dòng)較小，但網(wǎng)側(cè)電流的諧波含量也會(huì)隨之增加。分析相同情況下的三相電路，得出了同樣的結(jié)論。但相同情況下，三相電路輸出電壓的脈動(dòng)要小于單相電路。

在考慮電容的取值時(shí)，為了減小輸出電壓的紋波，既要考慮增大電容時(shí)網(wǎng)側(cè)電流（或相電流）的諧波含量會(huì)增加，還要考慮電容自身的損耗。在電容增大時(shí)，對(duì)應(yīng)的充放電電流會(huì)增大，所以在等效串聯(lián)電阻上耗散的能量也隨之增加，這會(huì)影響電容壽命。所以，選取電容時(shí)要多方面考慮，不能一味地增大電容以達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。

在考慮加入電感的情形時(shí)，在直流側(cè)加入電感，無(wú)論是單相電路還是三相電路，電感對(duì)于輸出電壓的影響較小，但能明顯降低網(wǎng)側(cè)電流的諧波含量，有助于提高功率因數(shù)。當(dāng)三相電路中存在網(wǎng)側(cè)阻抗時(shí)，其效果與直流側(cè)加入電感類(lèi)似，都能較好地改善網(wǎng)側(cè)電流的諧波含量，但網(wǎng)側(cè)阻抗較直流側(cè)電感而言，改善效果沒(méi)有加入直流側(cè)電感明顯，由于網(wǎng)側(cè)阻抗的存在，還會(huì)影響輸出電壓，降低輸出電壓的平均值。

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和Al-Si共晶組織組成，但氣孔較多。

（3）焊接接頭最大抗拉強(qiáng)度能達(dá)到母材的67％。試件斷裂方式有兩種：線(xiàn)能量較小時(shí)連接狀況較差，熔合區(qū)易發(fā)生斷裂；線(xiàn)能量較大時(shí)焊縫缺陷增多，從焊縫中斷裂，且皆為脆性斷裂。

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Analysis of the voltage-typed non-controlled rectifier circuit

HUANG Xiaofan1，LIU Xinrui2
（1.High School No.7 Chengdu，Chengdu 610041，China；2.School of Electric Information，Xihua University，Chengdu 610039，China）

Based on the theoretical analysis and the simulation analysis of the voltage-typed non-controlled rectifier circuit，analyzes and compares the output voltage waveform，the mean output voltage value and the ac-side current's harmonic content of different circuits，and then summarizes the advantages and disadvantages of each circuit.Also analyzes the energy dissipation of the filter capacitor and the select of the capacitor size，and then illustrates the importance of the capacitor size.

filter capacitor；uncontrolled rectifier；harmonics；energy dissipation

TG434

A

1001－2303（2017）01－0056-07

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.01.11

獻(xiàn)

黃小凡，劉欣睿.電壓型不控整流電路[J].電焊機(jī)，2017，47（1）：56-62.

2016-12-20

黃小凡（1999—），女，四川成都人，物理愛(ài)好者。