三相全控整流感性负载谐波与功率因数的仿真

赵 琪，方祖华

(上海师范大学信息与机电学院，上海 200234)

电力电子装置中的整流电路是电力系统中的主要谐波源，消耗大量的无功功率。因此，对其功率因数及所产生谐波的分析是谐波和无功功率研究的一个重要方面。这对评估电力电子装置对电网的危害和影响，判断电网是否需要设置补偿装置，以及如何设置补偿装置十分重要。阻感负载整流电路作为电力电子装置的输入端电路之一，是应用数量最多的电力电子装置，所以对其交流电网侧的电流谐波分析和功率因数计算已成为电力电子装置谐波分析的主要工作［1］。

1 三相桥式全控整流电路

三相桥式全控整流电路［1］，是为了在合闸时可控桥有输出电流或有间断电流时能继续工作，保证每一相有两个晶闸管能同时导通，同时脉冲宽度应＞60°，或者采用间隔为60°的双脉冲触发也可以达到目的。晶闸管触发次序依次为VT1→VT2→VT3→VT4→ VT5→VT6，相位依次差60°。共阴极VT2，VT4，VT6和共阳极VT1，VT3，VT5，它们组成了电源系统对负载供电的6条整流回路，各整流回路的交流电源电压为两元件所在相间的线电压。

图1 三相桥式全控整流电路原理图

2 三相全控整流电路的建模与仿真

在Simulink环境下，运用Power System的各种元件模型建立了三相桥式全控整流电路的仿真模型［2－3］。参数设置为:三相交流电压源的相电压幅值为V，频率50 Hz，初相位分别为0°，－120°，120°。电阻为1 Ω，电感值取0.02 H。同步6脉冲触发器采用双脉冲触发，频率50 Hz，触发宽度10°。触发角可以设置为0°，30°，60°和90°。具体仿真模型如图2 所示［2］。

图2 三相全控整流电路仿真模型

开始仿真的时间是0 s，结束时间为0.1 s。数值运算采用ode23tb，将误差设置为1e－3。各模块的参数设置好后开始仿真［3－6］。

图3 a相电流以及负载电压和电流的仿真波形

图4 6个晶闸管电压的仿真波形

3 理论分析

三相桥式整流电路在电感性负载忽略换相和电流脉动时的交流侧电压和电流，其电流为正负半周各120°的方波，三相电流波形相同，且依次相差120°，其有效值与直流电流的关系同样可将电流波形分解为傅里叶级数。以a相电流为例，将电流负，正两半波之间的中点作为横坐标轴的原点，有

由式(1)可得，电流基波和各次谐波有效值分别为

由此可知，交流侧电流中仅含有6k±1(k为正整数)次谐波，各次谐波有效值与谐波次数成正比，且与基波有效值的比值为谐波次数的倒数。

功率因数用于衡量输入有功功率与视在功率的比值，其中P，S都不是基波分量，而是所有电压电流的直流分量和各次谐波分量所做的功。

当输入电压波形不失真时，式(3)可以简化成式(4)

4 仿真分析

交流侧谐波电流的检测可以通过Powergui模块实现。打开FFT Analysis工具选项，输入选择的变量三相电源 a相电流;开始时间设置为0.04 s，频率50 Hz，显示设置为 Bar(relative to fundamental)，得到FFT窗口如图5所示。由图可知，三相全控整流电路交流侧电流谐波含有次数为6k±1(k为正整数)。其中，基波电流的幅值534.2 A，总谐波畸变率为31%。再将显示设置为List(relative to fundamental)，就可以观察到具体各次谐波分量含有率。

图5 FFT分析窗口

根据文献［4］建立功率因数测量模块。THD模块测量a相电流谐波总畸变率。两个Fourier模块分别测量出a相电压和基波电流的相位。Gain模块参数设置为pi/π目的在于将角度转变为弧度。模块中的频率都设置为50 Hz。其他参数设置与上述相同。当逐次改变触发角 α的角度时，即分别为30°，60°，90°时观察其功率因数的仿真结果。

图6 功率因数波形

从图6可知，当达到稳定状态后功率因数仿真值和理论值二者的差距很小，可以忽略。

表1 功率因数仿真值和理论计算值的比较

5 结束语

本文采用Matlab/Simulink对三相全控整流电路进行仿真，验证了实验模型的正确性。可以看出，利用仿真可以使复杂的计算过程和参数调试变得简单直观。利用所建模型对三相全控整流阻感负载的谐波和功率因数进行仿真分析，为下一步的谐波抑制和无功功率补偿的研究提供基础。

［1］ 张石安，张炜.电力电子技术基础［M］.北京:电子工业出版社，2008.

［2］ 臧小惠.基于Simulink的三相桥式全控整流电路的建模与仿真［J］.内江科技，2007，28(2):120－121.

［3］ 谢仕宏.Matlab R2008控制系统动态仿真实例教程［M］.北京:化学工业出版社，2009.

［4］ 陈彬，张政权，向欣，等.基于Matlab的高频开关电源功率因数测量电路研究［J］.电源技术应用，2009，12(3):16－19.

［5］ 黄江波.基于Matlab的三相桥式全控整流电路的仿真研究［J］.现代电子技术，2010(8):210－212.

［6］ 李云超，高沁翔.三相桥式全控整流实验装置的设计与研制［J］.现代电子技术，2006(19):110－112.