電壓型不控整流電路

黃小凡，劉欣睿

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

通過對電壓型不控整流電路拓撲結構的理論分析及仿真分析，比較每一種拓撲結構的輸出電壓波形、輸出電壓平均值、網側電流諧波含量，總結電壓型不控整流電路的優缺點。同時對電路中濾波電容的能量耗散、容值大小的選擇進行了仿真分析，闡述拓撲結構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

電力電子技術廣泛應用于工業控制和日常生活中，通常需要交流電源和直流電源。傳統的火力發電和水力發電是用同步發電機發出的交流電，因此，生活中的直流電需要通過交流電整流，即AC/DC變換。針對設計要求不同，如電壓電流型電路、輸出電壓、網側電流諧波含量等，相應的拓撲結構也有所不同。本研究針對電容濾波型不控整流電路中的電容，從電容作用、電容對拓撲結構的影響、電容損耗及壽命、電容取值四方面進行分析。此外還從不同拓撲的輸出電壓及網側電流諧波入手，對電容濾波型不控整流的幾類拓撲結構進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在直流側負載兩端，起到穩壓、濾波，防止電壓波動的作用。當加在電容兩端的電壓大于電容自身電壓時，電容會充電，負載電壓逐漸升高；當加在電容兩端的電壓小于電容自身電壓時，電容會放電，負載電壓逐漸減小，從而實現了穩壓濾波和保護負載的作用。文獻[1]分析了電壓型不控整流電路，當電容值越大時，輸出電壓的波形紋波越小，其波形越接近于一條直線，濾波的效果也就越好，但同時電容的熱損耗也會發生相應變化，從而影響電容壽命。在實際應用中，由于制造電容的材料有電阻，因此引入等效串聯電阻的概念，在電壓變化、電容不斷充放電的過程中，充放電電流流過等效串聯電阻發熱，引起熱損耗，這個熱損耗是影響電容壽命的關鍵因素。熱損耗的計算公式為

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

當電容容值增加時，電容的充放電電流相應增大；此外，電容容值越小，其等效串聯電阻越大，電容容值越大，其等效串聯電阻越小[2-3]。所以增大電容，其充放電電流有效值會增大，但等效串聯電阻會減小，因此應選取一個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

設圖1中網側電壓

當ωt＝0時，uc＞ui，此階段電容單獨向負載供能。

當ωt＞t1＝δ時，uc＜ui，電源開始向電容充電，同時電源向負載供能。設二極管的導通角為θ。

（1）t1＜ωt＜t2階段。

電容的初始儲能

電容的充電電壓

輸出電壓

電容的充電電流

流過負載的電流

直流側電流

當網側電壓達到峰值后，電容電壓隨網側電壓減小，電容開始放電，放電電流增加，網側電流減小，直至放電電流能夠提供負載電流時，網側電流降為0，此后由電容單獨給負載供能。

當ωt＞t2＝δ+θ時，網側電流id＝0，電容放電，負載能量由電容單獨提供。

（2）t2＜ωt＜t3階段。

開始放電時的電容電壓

電容放電電壓及輸出電壓

經過放電時間（t3-t2）＝（π-θ）/ω，電容達到初始儲能見式（3），電容放電結束。由式（3）、式（10）可得

t3時刻后，電容重新充電，重復t1時刻后的工作模式。

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，進而求得直流側電流的表達式

由理論推導得知，ωRC越大，δ越大，θ越小，輸出電壓的脈動就越小；各次諧波含量隨ωRC的增大而增加，網側電流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，加入電感L后，由于電感對電流有阻礙作用，輸出電壓將滯后網側電壓（放電階段及充電階段的開始時間較未加電感時要滯后一些）。

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

無網側阻抗時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 無網側阻抗時三相不可控整流及波形

無網側阻抗的電容濾波三相不可控整流電路與單相的類似，區別是：單相電路中，加在電容兩端的電壓與網側電壓有關；而三相電路中，加在電容兩端的電壓與A、B、C三相的線電壓有關。

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

當線電壓大于電容初始儲能時，此線電壓給電容充電的同時也向負載提供能量，當線電壓小于電容初始儲能時，負載的能量全由電容提供。

設圖3中相電壓

則未并聯電容時的線電壓

與單相的類似，故式（12）成立，由于電容單獨給負載供電的時間為由式（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式。

由理論推導得知，ωRC越大，δ越大，θ越小，輸出電壓的脈動就越小；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

引入直流側電感L能夠使輸出電壓變得更穩定[6]。同時引入直流側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 有網側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電感時，相電流諧波含量明顯減少。若引入的電感在交流側，那么就是交流側存在網側阻抗的情況，如圖5所示。

圖5 有網側阻抗的三相不可控整流電路

存在網側阻抗的三相不可控整流電路，在濾波效果上與引入直流側電感的三相不可控整流電路類似，均對相電流具有較好的濾波作用，減少了相電流的諧波含量。

雖然網側阻抗能夠改善相電流的諧波含量，但會影響輸出電壓質量。由于網側阻抗的存在，電流不能突變，所以當開關管本應該換相時，由于電感續流，導致換相重疊，出現疊流的現象，換相不成功，降低了輸出電壓平均值，影響了輸出電壓的質量。

4 仿真結果及分析

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。取負載R= 10 Ω，電容C=3 300 μF時的仿真結果如圖6所示。

圖6 輸出電壓波形

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

圖7 電容C=3 300 μF時網側電流波形及其諧波分析

適當提高電容，取電容C=33 000 μF時仿真結果如圖8所示。

圖8 輸出電壓波形

此時輸出電壓值為307.1 V，輸出電壓波形較提高電容值之前紋波明顯減小，更接近于穩定于307 V的輸出電壓。網側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網側電流波形及其諧波分析

當增大電容值時，網側電流的諧波含量增加，網側電流THD增大。

由仿真結果可知，無網側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，輸出電壓更加穩定，但網側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。取負載R=10 Ω、電容C=3 300 μF、電感L=1 mH時的仿真結果如圖10所示。

圖10 輸出電壓與直流側電流波形

由于存在直流側電感，輸出電壓較直流側電流滯后一段時間。輸出電壓平均值282 V，與4.1節中相同情況下的仿真結果差別不大。

圖11 網側電流波形及諧波分析

此電路網側電流的諧波含量明顯低于未加電感時網側電流的諧波含量，網側電流的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。取負載R= 10 Ω，電容C=3 300 μF時的仿真結果如圖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。雖然輸出電壓脈動較單相電路更小，但仍不穩定。

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

適當提高電容的值，取電容C=33 000 μF時的仿真結果如圖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，輸出電壓更加穩定，紋波減少，輸出電壓近似于一條直線。

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時的輸出電壓仿真結果如圖16所示。

圖16 輸出電壓波形

輸出電壓平均值為512 V，與未引入直流側電感時相比，輸出電壓紋波減少電壓更穩定，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a相電流波形及其諧波分析

當接入電感過后，a相電流諧波含量明顯降低，THD減小。

4.5 有網側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、網側阻抗L=10 mH時的輸出電壓仿真結果如圖18所示。

圖18 有網側阻抗的輸出電壓波形

雖然輸出電壓穩定性較高，但由于網側阻抗導致換相重疊，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

存在網側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。所以存在網側阻抗的三相不可控整流電路，對于網側電流的濾波效果不及引入直流側電感的電路，還降低了輸出電壓。

5 結論

通過對無網側阻抗時的電容濾波單相不可控整流電路的分析可知，增大電容，直流輸出電壓會更穩定，脈動較小，但網側電流的諧波含量也會隨之增加。分析相同情況下的三相電路，得出了同樣的結論。但相同情況下，三相電路輸出電壓的脈動要小于單相電路。

在考慮電容的取值時，為了減小輸出電壓的紋波，既要考慮增大電容時網側電流（或相電流）的諧波含量會增加，還要考慮電容自身的損耗。在電容增大時，對應的充放電電流會增大，所以在等效串聯電阻上耗散的能量也隨之增加，這會影響電容壽命。所以，選取電容時要多方面考慮，不能一味地增大電容以達到穩定輸出電壓的目的。

在考慮加入電感的情形時，在直流側加入電感，無論是單相電路還是三相電路，電感對于輸出電壓的影響較小，但能明顯降低網側電流的諧波含量，有助于提高功率因數。當三相電路中存在網側阻抗時，其效果與直流側加入電感類似，都能較好地改善網側電流的諧波含量，但網側阻抗較直流側電感而言，改善效果沒有加入直流側電感明顯，由于網側阻抗的存在，還會影響輸出電壓，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度能達到母材的67％。試件斷裂方式有兩種：線能量較小時連接狀況較差，熔合區易發生斷裂；線能量較大時焊縫缺陷增多，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

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

2016-12-20

黃小凡（1999—），女，四川成都人，物理愛好者。