电压型不控整流电路

黄小凡，刘欣睿

（1.成都七中，四川成都610041；2.西华大学电气与电子信息学院，四川成都610039）

电压型不控整流电路

黄小凡1，刘欣睿2

（1.成都七中，四川成都610041；2.西华大学电气与电子信息学院，四川成都610039）

通过对电压型不控整流电路拓扑结构的理论分析及仿真分析，比较每一种拓扑结构的输出电压波形、输出电压平均值、网侧电流谐波含量，总结电压型不控整流电路的优缺点。同时对电路中滤波电容的能量耗散、容值大小的选择进行了仿真分析，阐述拓扑结构中滤波电容大小选择的重要性。

滤波电容；不可控整流；谐波；能量耗散

0 前言

电力电子技术广泛应用于工业控制和日常生活中，通常需要交流电源和直流电源。传统的火力发电和水力发电是用同步发电机发出的交流电，因此，生活中的直流电需要通过交流电整流，即AC/DC变换。针对设计要求不同，如电压电流型电路、输出电压、网侧电流谐波含量等，相应的拓扑结构也有所不同。本研究针对电容滤波型不控整流电路中的电容，从电容作用、电容对拓扑结构的影响、电容损耗及寿命、电容取值四方面进行分析。此外还从不同拓扑的输出电压及网侧电流谐波入手，对电容滤波型不控整流的几类拓扑结构进行理论分析和仿真分析。

1 电容的分析

电容滤波的单相、三相不可控整流电路的电容并联在直流侧负载两端，起到稳压、滤波，防止电压波动的作用。当加在电容两端的电压大于电容自身电压时，电容会充电，负载电压逐渐升高；当加在电容两端的电压小于电容自身电压时，电容会放电，负载电压逐渐减小，从而实现了稳压滤波和保护负载的作用。文献[1]分析了电压型不控整流电路，当电容值越大时，输出电压的波形纹波越小，其波形越接近于一条直线，滤波的效果也就越好，但同时电容的热损耗也会发生相应变化，从而影响电容寿命。在实际应用中，由于制造电容的材料有电阻，因此引入等效串联电阻的概念，在电压变化、电容不断充放电的过程中，充放电电流流过等效串联电阻发热，引起热损耗，这个热损耗是影响电容寿命的关键因素。热损耗的计算公式为

式中Ploss为等效串联电阻引起的热功率损耗；I为电容的充放电电流有效值；Res为电容的等效串联电阻。

当电容容值增加时，电容的充放电电流相应增大；此外，电容容值越小，其等效串联电阻越大，电容容值越大，其等效串联电阻越小[2-3]。所以增大电容，其充放电电流有效值会增大，但等效串联电阻会减小，因此应选取一个电容偏大且功率损耗偏小的电容，以保证较小的损耗有着较理想的滤波作用。

2 单相电路的分析

2.1 单相不可控整流电路

电容滤波的单相不可控整流电路及其波形如图1所示。

图1 单相不可控整流电路及波形

设图1中网侧电压

当ωt＝0时，uc＞ui，此阶段电容单独向负载供能。

当ωt＞t1＝δ时，uc＜ui，电源开始向电容充电，同时电源向负载供能。设二极管的导通角为θ。

（1）t1＜ωt＜t2阶段。

电容的初始储能

电容的充电电压

输出电压

电容的充电电流

流过负载的电流

直流侧电流

当网侧电压达到峰值后，电容电压随网侧电压减小，电容开始放电，放电电流增加，网侧电流减小，直至放电电流能够提供负载电流时，网侧电流降为0，此后由电容单独给负载供能。

当ωt＞t2＝δ+θ时，网侧电流id＝0，电容放电，负载能量由电容单独提供。

（2）t2＜ωt＜t3阶段。

开始放电时的电容电压

电容放电电压及输出电压

经过放电时间（t3-t2）＝（π-θ）/ω，电容达到初始储能见式（3），电容放电结束。由式（3）、式（10）可得

t3时刻后，电容重新充电，重复t1时刻后的工作模式。

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，进而求得直流侧电流的表达式

由理论推导得知，ωRC越大，δ越大，θ越小，输出电压的脉动就越小；各次谐波含量随ωRC的增大而增加，网侧电流THD增大[4]。

2.2 LC滤波的单相不可控整流电路

LC滤波的单相不可控整流电路如图2所示。

在单相不可控整流电路的直流侧，加入电感L后，由于电感对电流有阻碍作用，输出电压将滞后网侧电压（放电阶段及充电阶段的开始时间较未加电感时要滞后一些）。

直流侧电感的引入使的直流侧电流波形受到一定的影响。电感既能够抑制直流侧电流的冲击，还能起到滤波的作用。与未引入直流侧电感时的电路相比，引入直流侧电感的情况下，直流侧电流的波形更平缓，网侧电流也更平缓，有利于减少网侧电流的谐波含量，降低网侧电流THD[5]。

图2 LC滤波的单相不可控整流电路

3 三相不控电路

3.1 三相不控整流电路

无网侧阻抗时电容滤波的三相不可控整流电路及其波形如图3所示。

图3 无网侧阻抗时三相不可控整流及波形

无网侧阻抗的电容滤波三相不可控整流电路与单相的类似，区别是：单相电路中，加在电容两端的电压与网侧电压有关；而三相电路中，加在电容两端的电压与A、B、C三相的线电压有关。

在三相电路中，usa、usb、usc三相的波形决定了二极管的导通情况。上组二极管是相电压最大一相所对应的二极管导通，下组二极管是相电压最低一相所对应的二极管导通，其两端的电压为加在电容两端的线电压。

当线电压大于电容初始储能时，此线电压给电容充电的同时也向负载提供能量，当线电压小于电容初始储能时，负载的能量全由电容提供。

设图3中相电压

则未并联电容时的线电压

与单相的类似，故式（12）成立，由于电容单独给负载供电的时间为由式（11）可得

解得

若已知ωRC由式（12）、式（19）可得δ、θ的大小，则可以求得每相电流的表达式。

由理论推导得知，ωRC越大，δ越大，θ越小，输出电压的脉动就越小；各次谐波含量随ωRC的增大而增加，相电流THD增大。

3.2 LC滤波的三相不可控整流电路

直流侧加有电感的三相不可控整流电路如图4所示。

图4 LC滤波的三相不可控整流电路

引入直流侧电感L能够使输出电压变得更稳定[6]。同时引入直流侧电感能够较大程度地减少相电流谐波含量，减小THD。与3.1节未引入电感的三相不可控整流电路相比，引入电感L后，相电流的谐波含量将明显减少。

3.3 有网侧阻抗的三相不可控整流电路

在电容滤波三相不可控整流电路中引入直流侧电感时，相电流谐波含量明显减少。若引入的电感在交流侧，那么就是交流侧存在网侧阻抗的情况，如图5所示。

图5 有网侧阻抗的三相不可控整流电路

存在网侧阻抗的三相不可控整流电路，在滤波效果上与引入直流侧电感的三相不可控整流电路类似，均对相电流具有较好的滤波作用，减少了相电流的谐波含量。

虽然网侧阻抗能够改善相电流的谐波含量，但会影响输出电压质量。由于网侧阻抗的存在，电流不能突变，所以当开关管本应该换相时，由于电感续流，导致换相重叠，出现叠流的现象，换相不成功，降低了输出电压平均值，影响了输出电压的质量。

4 仿真结果及分析

4.1 单相不控整流电路仿真分析

单相不控整流仿真电路如图1所示。取负载R= 10 Ω，电容C=3 300 μF时的仿真结果如图6所示。

图6 输出电压波形

此时输出直流电压值为284.8 V，输出电压的纹波较大。网侧电流谐波含量及总谐波失真度如图7所示。网侧电流的畸变非常明显，谐波含量很高。

图7 电容C=3 300 μF时网侧电流波形及其谐波分析

适当提高电容，取电容C=33 000 μF时仿真结果如图8所示。

图8 输出电压波形

此时输出电压值为307.1 V，输出电压波形较提高电容值之前纹波明显减小，更接近于稳定于307 V的输出电压。网侧电流谐波含量及总谐波失真度如图9所示。

图9 电容C=33 000 μF网侧电流波形及其谐波分析

当增大电容值时，网侧电流的谐波含量增加，网侧电流THD增大。

由仿真结果可知，无网侧阻抗的单相电容滤波的不可控整流电路，随着电容值的增加，输出电压更加稳定，但网侧电流的谐波含量随着电容值的增大而增加。

4.2 LC滤波的单相不可控电路仿真分析

参考单相不控整流仿真电路。取负载R=10 Ω、电容C=3 300 μF、电感L=1 mH时的仿真结果如图10所示。

图10 输出电压与直流侧电流波形

由于存在直流侧电感，输出电压较直流侧电流滞后一段时间。输出电压平均值282 V，与4.1节中相同情况下的仿真结果差别不大。

图11 网侧电流波形及谐波分析

此电路网侧电流的谐波含量明显低于未加电感时网侧电流的谐波含量，网侧电流的THD减小。

4.3 三相不可控整流电路的仿真分析

三相不控整流仿真电路如图3所示。取负载R= 10 Ω，电容C=3 300 μF时的仿真结果如图12所示。

图12 三相不控整流仿真输出电压波形

输出电压平均值为523.1 V。虽然输出电压脉动较单相电路更小，但仍不稳定。

a相电流波形及总谐波失真度如图13所示。由图13可知，a相电流谐波含量很大，电流畸变明显。

图13 a相电流波形及其谐波分析图

适当提高电容的值，取电容C=33 000 μF时的仿真结果如图14所示。

图14 输出电压波形

输出电压值为534.6 V。提高电容值后，输出电压更加稳定，纹波减少，输出电压近似于一条直线。

a相电流波形及其总谐波失真度如图15所示。

图15 a相电流波形及其谐波分析

a相电流的谐波含量随着电容值的增大而增加。

4.4 LC滤波的三相不可控整流仿真分析

参考三相不控整流仿真电路。取电阻R=10 Ω、电容C=3 300 μF、电感L=10 mH时的输出电压仿真结果如图16所示。

图16 输出电压波形

输出电压平均值为512 V，与未引入直流侧电感时相比，输出电压纹波减少电压更稳定，但输出电压平均值有所降低。

a相电流波形及其谐波分析图如图17所示。

图17 加入电感L时a相电流波形及其谐波分析

当接入电感过后，a相电流谐波含量明显降低，THD减小。

4.5 有网侧阻抗的三相不可控整流电路仿真分析

参考三相不控整流仿真电路。取电阻R=10 Ω、电容C=3 300 μF、网侧阻抗L=10 mH时的输出电压仿真结果如图18所示。

图18 有网侧阻抗的输出电压波形

虽然输出电压稳定性较高，但由于网侧阻抗导致换相重叠，输出电压平均值大大降低，只有241.2 V。

a相电流波形及其谐波分析如图19所示。

图19 a相电流波形及其谐波分析

存在网侧阻抗的三相不可控整流电路，a相电流的谐波含量较引入直流侧电感的电路更高，但相比于不加电感的电路，其谐波含量大大降低。所以存在网侧阻抗的三相不可控整流电路，对于网侧电流的滤波效果不及引入直流侧电感的电路，还降低了输出电压。

5 结论

通过对无网侧阻抗时的电容滤波单相不可控整流电路的分析可知，增大电容，直流输出电压会更稳定，脉动较小，但网侧电流的谐波含量也会随之增加。分析相同情况下的三相电路，得出了同样的结论。但相同情况下，三相电路输出电压的脉动要小于单相电路。

在考虑电容的取值时，为了减小输出电压的纹波，既要考虑增大电容时网侧电流（或相电流）的谐波含量会增加，还要考虑电容自身的损耗。在电容增大时，对应的充放电电流会增大，所以在等效串联电阻上耗散的能量也随之增加，这会影响电容寿命。所以，选取电容时要多方面考虑，不能一味地增大电容以达到稳定输出电压的目的。

在考虑加入电感的情形时，在直流侧加入电感，无论是单相电路还是三相电路，电感对于输出电压的影响较小，但能明显降低网侧电流的谐波含量，有助于提高功率因数。当三相电路中存在网侧阻抗时，其效果与直流侧加入电感类似，都能较好地改善网侧电流的谐波含量，但网侧阻抗较直流侧电感而言，改善效果没有加入直流侧电感明显，由于网侧阻抗的存在，还会影响输出电压，降低输出电压的平均值。

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和Al-Si共晶组织组成，但气孔较多。

（3）焊接接头最大抗拉强度能达到母材的67％。试件断裂方式有两种：线能量较小时连接状况较差，熔合区易发生断裂；线能量较大时焊缝缺陷增多，从焊缝中断裂，且皆为脆性断裂。

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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

献

黄小凡，刘欣睿.电压型不控整流电路[J].电焊机，2017，47（1）：56-62.

2016-12-20

黄小凡（1999—），女，四川成都人，物理爱好者。