基于Matlab/Simulink的12脉波整流电路谐波分析

王宇

（山西大学工程学院电力工程系，太原 030013）

整流电路是最早出现的一种电力电子电路，它广泛应用于直流电动机传动、电解电源、电力及通信系统电源等各领域。传统的整流电路主要有：半波整流电路、全波整流电路、桥式整流电路三种。随着科技的不断发展，电网容量不断提高，传统的整流电路所带来的谐波干扰已经不能满足现代电网对电能质量的要求。为了降低传统整流电路对电网所引起的谐波干扰，可以采用移相多重联结的整流电路。本文讨论的是一种串联多重联结的12脉波整流电路。

1 移相多重联结的整流电路工作原理

整流电路的移相多重联结分为并联多重联结和串联多重联结。这两种联结方式带来的效果是相同的，下面只讨论串联多重联结的整流电路，其构成方式见表1。

表1 串联多重联结的构成

（续）直流侧脉波数 交流侧移相角 联结重数24 15°(360°/24)四重3012°(360°/30)五重3610°(360°/36)六重

以二重联结的12脉波整流电路为例，分析其工作原理，如图1所示。

图1 12脉波整流电路原理图

其主电路的开关器件为晶闸管，变压器二次侧由两个绕组构成，绕组Ⅰ采用Y形接法，绕组Ⅱ采用△形接法，从而使绕组Ⅱ的相电压滞后于绕组Ⅰ的相电压30°，使得直流侧输出电压ud在每个电源周期内脉动12次，故称为12脉波整流电路。

2 基于Matlab/Simulink的12脉波整流电路仿真

运用Matlab2009a软件，在Simulink环境中搭建12脉波整流电路的模型，从而进行仿真分析。

图2 12脉波整流电路Simulink仿真模型

2.1 仿真模型的建立

12脉波整流电路的主要组成部分有：三相交流电源、三相三绕组变压器、主电路（两个三相全控晶闸管整流桥、负载）、控制电路（同步脉冲发生器）。

在Matlab2009a/Simulink环境中搭建的仿真模型如图2所示。

2.2 参数设置

设置三相三绕组变压器一次侧绕组为Y形接法（额定电压380V），二次侧的两个绕组分别为Y形接法（额定电压220V）和D1形接法（额定电压220V）。

两个三相全控晶闸管整流桥均采用默认设置；负载电阻R=100Ω，电感 L=0.15H ，为阻感负载。

设置同步脉冲发生器绕组联结形式为D1（lagging），脉冲频率50Hz，脉冲宽度15°（双脉冲触发），触发延迟角为0°。

设置仿真时间为0.1s，求解方式为ode23tb（stiff/TR-BDF2）。

参数设置完成后，开始对模型进行仿真运算，观察示波器，可以得到整流输出的直流电压ud、直流电流id、变压器一次侧相电流、变压器二次侧相电流等波形。

3 谐波分析

3.1 直流输出电压和电流的谐波分析

12脉波整流电路输出直流电压ud、直流电流id的波形如图3所示，对其进行傅里叶级数分解，可知：

m脉波整流电压的谐波次数为 mk次（k=1,2,3…），整流电流的谐波由整流电压决定，也为mk次。m增加时，最低谐波次数增大，谐波幅值减小。

图3 整流输出电压和电流波形

从图中可以看出，12脉波整流电路直流电压和电流的脉动明显小于6脉波整流电路。

3.2 变压器一次侧相电流的谐波分析

整流电路变压器一次侧电流的谐波含量直接影响电网的电能质量，对一种整流电路而言，其变压器一次侧相电流谐波含量越低，性能越好。通常用谐波畸变率（THD）来衡量谐波含量的高低，THD越小，谐波含量越低。

6脉波整流电路一次侧相电流波形如图4所示，对其进行傅里叶分析（图5），计算出THD=31.08%，可以看出其谐波次数为5,7,11,13,17,19,…；即6k±1次。

图4 6脉波整流电路一次侧相电流波形

图5 6脉波整流电路一次侧相电流FFT

12脉波整流电路一次侧相电流波形如图6所示，对其进行傅里叶分析（图7），计算出THD=12.97%，可以看出其谐波次数为11, 13, 23, 25,…；即12k±1次。这是由于其变压器二次侧采用了移相多重联结，副边电流折算到原边时相互叠加，故抵消了5,7,17,19,…次谐波，大大降低了谐波含量。

图6 12脉波整流电路一次侧相电流波形

图7 12脉波整流电路一次侧相电流FFT

4 结论

基于上述分析可以看出，12脉波整流电路的直流电压、直流电流、一次侧相电流谐波含量均小于传统的6脉波整流电路（三相桥式整流电路）。所以，12脉波整流电路更加适用于电压等级高、容量大的整流场合，例如：冶金工业、高压直流输电等。

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