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

23、引起继电保护和自动装置误动作，使电能计量出现混乱。对于电力系统外部，谐波对通信设备和电子设备会产生严重干扰。谐波对公用电网和其他系统的危害大致有以下几个方面：加大企业的电力运行成本引发供电事故的发生导致设备无法正常工作引发恶性事故导致线路短路降低产品质量影响通讯系统的正常工作降低了供电的可靠性 因此我们在设计整流电路时必须考虐到谐波，产生多大的谐波，并对其检测看是否符合标准，有条件有必要最好是用滤波装置进行调试。第4章 PWM整流器 4.1 PWM 整流器研究的重要性 关于整流器，我们不得不说的是PWM整流，包括一些经典的单相半波可控整流，单相桥式全控整流，单相桥式半控整流，三相半波可控整流，

24、三相桥式全控整流，三相桥式半控整流等 近年来, 在国内外的整流器研究方面, 做了不少的工作, PWM整流器应用将会越来越广泛, 单位功率因数整流器的研究已成为电力电子领域的一个热点。目前PWM整流器研究主要是探索新的电路拓扑和如何提高整流器的稳态、动态性能。在主电路拓扑方面, 除基本的电压源型和电流源型三相单开关和三相多开关PWM整流器主电路外, 现已出现三电平、五电平和七电平结构, 随着功率器件性能和应用水平的提高, 将会有更好的主电路拓扑结构出现。在控制方法方面, 目前, 已有多种控制策略在整流器中得到应用, 如同步旋转坐标系下的电流控制很好地解决了系统的稳定性能问题,但在提高动态性能方面

25、, 如何降低系统对参数的敏感程度, 可利用如模糊控制、神经网络控制、变结构控制、状态反馈等先进控制技术来提高系统的鲁棒性和其它动态性能; 另外, 提高系统非对称或非正弦输入电压性能的研究也是目前最新研究重点, 其控制策略的关键是电流环的给定, 这时, 电流给定应满足输入功率因数为1 和输出电压无纹波。总之, 在国内外, 中小型的PWM整流器已有成功的应用, 而大功率PWM整流器的应用仍需研究和完善。 我国于1993 年完成了国家标准电能质量及公用电网谐波的制定，并由国家技术监督局发布，于1994 年3 月1 日起正式执行。在这种背景下，人们开始对造成谐波污染的整流装置进行大量的研究，许多新的整

26、流技术不断被提出来，以实现低谐波、高功率因数；微处理器技术和电力半导体技术的飞速发展也为进一步实现电力电子系统的高可靠性、高性能提供了坚实的物质基础。为了改善整流器网侧电流谐波畸变率，提高网侧入端功率因数，可以在普通交直交电压型逆变器的三相输入端或直流母线上串接电抗器，由于受电抗器体积和成本的限制，电感量一般较小，对功率因数的改善也有限；或者运用多重化技术，使用多绕组移相变压器将电压进行移相后进行多相整流，可以在变压器原边获得较低的谐波电流，适用于大容量应用场合；也可以采用功率因数校正装置控制功率因数；还可以在谐波负载的网侧加装功率因数和谐波补偿装置，甚至采用有源滤波装置，这样会大大增加系统成

27、本。改善网侧功率因数最根本的办法是改造整流装置本身。对于中小容量电力电子装置，采用PWM 控制的整流器，使其对电网不产生谐波且基本上不消耗无功率，这是技术发展的必然趋势和提高产品竞争力的要求。由于电力半导体开关器件制造技术已逐渐成熟，其成本呈逐年下降的趋势，过去阻碍PWM 整流器走向大规模应用的门槛已经逐步消除。越来越多的工业应用场合需要使用PWM 整流器。在这种形势下，一些国际知名的大公司又相继推出了自己的PWM 整流产品，如西门子公司的有源（Active Front End）系列产品，使更加实用、性更为优异的大容量交流动的应用成为可能。国内在功率换流领域方的研究起步较晚，与先进的工业国家相

28、比尚有较大的差距。因此，进行高性能的PWM 整流器的研究开发工作，并尽快产品化具有重大意义。 4.2 PWM产生的背景 传统的整流方式通常采用二极管不可控整流方式或者晶闸管相控整流方式。传统的整流器存在如下缺点:整流器从电网吸取畸变的电流，造成电网的谐波污染;由于整流器件结构的单向性，直流侧能量无法回馈电网;整流电路在深控状态下网侧功率因数低；由于整流器件的不可控或不完全可控，系统动态响应慢； 4.3 传统的整流电路 传统的整流电路产生了大量的无功功率和谐波，对电网造成了严重的污染。主要体现在: 1.无功功率会导致电流增大和视在功率增加，使设备容量增加； 2.无功功率增加，会使线路总电流增加，

29、造成设备和线路损耗增加;并且使线路电压降增大，冲击性的无功负载还会使电压剧烈波动； 3.谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，使电气测量仪表不准确； 4.谐波影响电气设备的正常工作，使设备过热，绝缘老化，寿命缩短以致损坏； 5.谐波会引起电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，谐波引起的危害倍增，甚至引起严重事故； 提高功率因数、抑制和消除谐波已成为电力电子技术中的重大课题，其中PWM整流器现在已经成为大家关注的焦点。 4.4 PWM 整流器与传统的整流器比较 PWM (Pulse Width Modulation)整流器是采用全控型器件组成的高频整流电路。与传统的二极管整流器或晶闸管

30、整流器相比，它具有以下特点，这恰好弥补了二极管整流电路的不足： （1）具有能量双向流动：即当直流侧电压高于电源侧电压峰值时，能实现DC-AC逆变，将能量回馈到电网； （2） 网侧电流谐波低；（3）高功率因数，理论上可以达到1；其实我们在控制中如果利用功率定向控制，只要把无功功率的参考值设为0，即可实现功率因数1； （4）恒定直流电压电流控制； PWM整流体现出来的优点： 纹波系数小 最低谐波频率高 变压器利用率高 反峰电压小 输出电压高 4.5 PWM整流器的分类（1）按输出滤波方式分为：电压型和电流型； 电流型PWM整流器输出端采用串联滤波电感以维持输出电 流低纹波，具有近似电流源的特性。

31、电流型PWM整流器又称为Buck型整流器，如图所示。交流侧由L, C组成二阶低通滤波器，以滤除交流侧电流中的开关谐波;直流侧接大电感，使直流侧电流近似为平滑的直流。开关器件由可控器件与二极管串联组成扩以提高器件的反向阻断能力。与电压型PWM整流器相似，电流型PWM整流器具有四象限运行的能力.（2）不知之处： 由于需要较大的直流储能电感，以及交流侧LC滤波环节所致的电流畸变、振荡等问题，使其电路结构和控制相对复杂，从而制约了电流型电路的应用和研究。相关电路构造及原理：图4-1 电流型PWM整流器结构图 图4-2 三相电压型PWM整流器主电路 电压型PWM整流器是以输出端 并联滤波电容 以维持输出

32、电压低纹波，具有近似电压源的特性。由于其电路结构简单，便于控制，响应速度快，目前研究及实际应用较多的是电压型电路。第5章 多相整流发电机短路电流计算方法要计算整流发电机短路电流,首先要满足以下假设: 1)同步发电机为理想电机; 2)忽略整流管正向压降和反向漏电流; 3)短路前电机处于空载运行状态; 4)忽略AVR的影响且电机转速不变; 5)短路后,直流侧线路阻抗远小于发电机内部阻抗。 例如某型柴油发电机就采用了四Y移15的十二相发电机(以下简称十二相电机)整流系统。电机的主要参数为:直轴同步电抗Xd= 0. 229 4;直轴瞬变电抗Xd= 0. 016 5;直轴超瞬变电抗Xd= 0. 016

33、5;交轴超瞬变电抗Xq=0. 0144。而20 m柴油发电机输出电缆的电阻Rg1=0. 684 m;Xg1=0. 65 m。线路阻抗相对于内部阻抗不到5%,因此假设5)是成立的。以三相同步整流发电机为例,直流侧短路后电路如图5-1所示。图5-1三相同步发电机的短路示意图图5-1中,a1为一个三相绕组,Z1和Z2为线路阻抗,Z1=Z2=Rl/2+jLl/2。从前面的假设与分析中可知Z1、Z2远小于发电机绕组的阻抗。当直流侧发生短路时,假设有1根零线接在图5-1中的Y点和电枢绕组中心点O之间,这样,电路就被分成了各相供阳极部分和各相共阴极部分两个部分。首先分析共阴极部分的电流I1,由于Z1远小于发

34、电机电枢绕组的阻抗,在其上的压降很小,可近似认为,只要任何一相的电压大于0,则该相所连的整流管导通,所以I1即由所有电压为正的相产生的短路电流的叠加。同理,对于共阳极部分,I2是所有电压为负的相产生的短路电流的叠加,由同步发电机的对称性可知,I1=I2,所以,虚零线上的电流I0=I1-I2=0,即虚零线可以不存在,I1即实际短路电流。所以,只要计算出共阴极部分的短路电流I1,就得到了实际系统的短路电流。要计算I1,首先要计算各单相的短路,由参考文献6，可知,同步发电机单相短路电流为: （5-1）式中:xd为直轴超瞬变电抗;xd为直轴瞬变电抗;xd为直轴同步电抗;Uom为相电压幅值;Td为阻尼绕

35、组衰减时间常数;Td为励磁绕组衰减时间常数;Ta为定子非周期衰减时间常数;为短路时该相初相位。xd、xd、xd、Uom、Td、Td是同步发电机已知参数。定子非周期衰减时间常数Ta可由公式(5-2） （5-2）式中:X_为负序电抗;为角速度;Ra为定子绕组电阻;Ll为线路电感;Rl为线路电阻; k为线路阻抗折算系数。 计算线路阻抗折算系数分两种情况:1)一种情况是各组绕组均匀分布,如均匀分布六相电机,各相之间相差60,则始终有三相的电压大于等于零,因此可以认为始终有3条支路是通的,而且各相绕组的电抗值都相同,所以,折算到各相绕组的电抗Z0=3Z1=3/2Rl+j3/2Ll,同理,对于均匀分布十二

36、相整流发电机,各相之间相差30,Z0=6Z1=3Rl+j3Ll。所以对均匀分布的n相电机,可以得到k=n /4, n为总相数。2)另一种情况是各组绕组并不均匀分布,例如实际使用的柴油发电机都采用了四Y移15的十二相发电机,当线路阻抗相对很小时,对短路电流影响不大,也可按照均匀分布的折算系数来取。各组绕组并不均匀分布情况下则要根据具体情况具体分析。以十二相(四Y移15)绕组为例,经统计,在一个周期内导通支路的数目和旋转角度的关系见表5-1。表5-1导通支路与旋转角度关系表 因此,取算术平均可知,平均导通数目为6,即仍然可取k=n /4。令: （5-3）由前文的分析可知,直流侧总的短路电流为由所有

37、电压为正的相产生的短路电流的叠加。 （5-4）其中j为各相的初始相位。对四Y移15的十二相发电机,j=j+,为短路初始角度,j依次为: 0, 15, 30, 45,120, 135, 150, 165, 240, 255, 270, 285。3计算实例以前文所述十二相(四Y移15),频率为120Hz的同步整流柴油发电机为例,利用公式（5-1）(5-4)计算其整流侧短路电流,图5-2为短路时刻A1相初始相角为0时的整流侧短路电流计算曲线,通过对各种初始相角情况下的计算可知,初始相角每相差15,短路电流曲线完全相同。而当初始相角为其它值时,曲线变化也很小,故在此不再绘出。表5-2是短路电流峰值与路

38、时刻相初始相角的关系,可以看出,初相角为7. 5时,短路电流峰值最大。表5-2 短路电流峰值与初始相位关系表根据表参数计算所得峰值为64 660 A。可以看出,本文所述方法所得到的峰值稍大于所得峰值。这是因为,为了便于计算,忽略了电流衰减的影响,认为峰值出现在半周期时刻,其峰值时刻的不准确导致峰值偏小,两者相差2. 3%,两种方法结果相差并不大。图5-2（短路电流计算曲线 ）图5-3（短路电流实测曲线） 图5-3是该电机短路试验的实测曲线,从图中可以看出,两者波形很接近,两者峰值相差大约9%,说明了计算的有效性。从保护的角度来看,计算值偏大对系统保护的余量则相应偏大,但对保护器件的要求将有所提

39、高。第6章 并联与串联结构的整流系统 由于三相同步发电机整流系统存在电磁干扰大、直流电压脉动大等缺点,因此在许多需要高品质直流电源的场合,六相整流发电机以其较低的输出电压脉动系数和良好的电磁兼容性能等优点得到应用。六相同步发电机的结构是在定子上每隔30电角度布置一套三相交流绕组,由二套三相交流绕组各自带整流桥输出直流电压。通过改变二套整流系统的连接方式,可以获得不同的直流电压值,同时又能满足电压脉动的要求。 6.1 整流系统的计算及串联系统的选择 6/12相同步发电机整流系统的运行过程和交直流变换关系要比三相发电机整流系统复杂得多。分析三相发电机整流系统时引入的换相电抗及得出的交直流侧的变换关

40、系等,一般不适用于多相发电机整流系统。以下就整流桥并联和串联两种结构(见图1),分别推导其输出电压和相电流的计算公式。为了便于公式推导,采用以下简化条件: 1)仅考虑基波电势的影响; 2)负载电流保持平直; 3)发电机转速保持不变; 4)仅考虑低负载情况,换相重叠角小于30。 6相整流系统的2种结构图： 图6-1 整流桥串联图6-2 整流桥并联 6.1.1 串联运行方式 我们通过分析12相同步电机，得到相关启示。因12相同步电机，四个整流桥串联,所以在任意瞬时四个桥输出电流都相等。当换相重叠角15时,在任意时刻,最多只有一个三相绕组及其整流桥工作在换相状态,而其余则工作在导通状态。从带整流负载

41、的十二相同步发电机的电路模型可以看出:工作在导通状态的三相绕组不会对其它三相绕组产生耦合影响,因此各相电流波形与三相绕组带整流器独立运行时是相同的,只是相位依次相差15。此时的电流波形分析和计算可以沿用三相同步发电机带整流器运行时的分析方法和结论2。即有: 设I1为相电流基波分量的有效值,1为I1滞后于等效正弦波电势E1的相角,则: 为分析方便,先不考虑微小的绕组电阻。设t=0期间,整流器的工作状态如下:a+1b-1,a+2b-2,a+3b-3,c+4a+4b-4;即Y1,Y2,Y3均工作在导通状态,而Y4工作在换相状态,并假定t=0时, ia4=0,此时c4开始向a4换相。设根据边界条件：可

42、得a=150由绕组相电压方程可得： 其它两套导通绕组电压方程可以类似推得。换相绕组电压 在t=15期间,四套绕组均工作在导通状态。输出直流电压的平均值为 .12 6.2.2 并联运行方式 此种方式是四桥并联运行,各个三相整流桥输出电流的大小是变化的,而且它们的瞬时值互不相等。由于十二相同步发电机四个星形连接的三相绕组的中点是不相连的,因而和第一种方式不同的是:电流换相主要是在两套三相绕组的两相与两相之间进行。当15,整流桥处于二管-四管工作状态。以a+1b-1a+2b-2换相到a+2b-2导通为例来分析:由边界条件(ea1-eb1)|t=0=(ea2-eb2)|t=0,求得=22.5。在t=0

43、期间, ia1+ia2=-(ib1+ib2)=Idc。udc=ua1-ub1= (ea1-eb1) +2(xy-xm1cos 15)pia2udc=ua2-ub2= (ea2-eb2) -2(xy-xm1cos 15)pia2联立以上两式,并根据边界条件解得在t=15期间, ia2=-ib2=Idc。输出直流电压的平均值为: 对相电流ia2分段积分,可以求得其基波分量。其中I1为相电流基波分量的有效值,1为 I1滞后于等效正弦波电势的相角,则 .12 6.1.3 试验验证 为验证公式的正确性,利用海军工程大学电力电子研究所实验室的十二相同步发电机原理样机,以及十二相可控硅整流系统设计试验。串联

44、试验参数:E1=103.4 V,Idc=1.2 A,=11.4,电阻负载。并联试验参数:E1=103.3 V, Idc=1.2A,=13.2,电阻负载。 表6-1是各自连接方式下的输出电压和相电流基波有效值的试验值和计算值的对比。数据表明计算结果的误差小于5%,计算与试验吻合较好。表6-1两种连接方式时相电流基波有效值I1和输出电压Udc的计算与试验结果的对比从输出电压波形来看(见图6-3、6-4),两种结构均为每周期24脉波;并联时的电压脉动系数为1. 54%,串联时为0. 56%,明显好于前者。从相电流波形看,并联时电流为双峰波,每周期正负各两种波峰,每个波峰宽为15+;串联时电流为平顶波

45、,每周期正负各一个波峰,每个波峰宽为120+,波形更接近正弦，所以我们选择串联整流系统。图6-3 并联结构相电电流和输出电压波形图6-4 串联结构相电流和输出电压波形 第7章 整流电路及谐波的仿真与滤波 7.1 MATLAB简要介绍 基本功能MATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。 MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连 图7-1 matlab开发工作界面接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计