相桥式整流电路滤波器参数

相桥式整流电路滤波器参数 2007 年第 5 期 机 车 电 传 动 ? 5 2007 2007 年 9 月 10 日 ELECTRIC DRIVE FOR LOCOMOTIVES Sep. 10 2007 研 单相桥式整流电路滤波器参数 究 对功率因数及谐波的影响 开 张雪原，吴广宁，叶 强，邓明丽，何常红 发 (西南 交通大学 电气工程学院，四川 成都 610031) ， 作者简介:张雪原(1974 ,) 男， 博士研究生 主要从事 : 摘 要 对单相桥式整流电路参数提出了数学模型和数值计 算相结合的分析方法， 通过这种方法 牵引供电系统、直流输电 可以计算出整流电 路各状态变量在各个时刻的瞬时值，在保证计算的速度的同时能满足计算的精度。 技 术 研 究 。 运用这种方法计算表明，通过合理的参数配置，能够把电源的功率 因数提高到 0.77 以上。 关键词:单相桥;整流电路;滤波器;参数;功率因数 中 图分类号:TM461.5;U223 文献标识码:A 文章编号:1000-128X200705-0027-04 Influence on Power Factor and Harmonics by Filter Parameter of Single-bridge Rectifier Circuit ZHANG Xue-yuan WU Guang-ning YE Qiang DENG Ming-li， Chang-hong HE School of Electrical Engineering Southwest Jiaotong University ChengduSichuan 610031 China Abstract: The analysis method is give to combine the mathematical model with calculations for the parameters of single-bridge rectifier circuit.Via the method the transient value at various moments could be calculated for the different status variables of the rectifier circuitso that the calculation speed and the calculation accuracy is assured at the same time.The calculations indicate that through rational parameter setup the power factor of the power supply could reach 0.77 and up. Key words: single-bridge rectifier circuit filter parameter power factor 对系统稳态下的性能参数分析不够;文献4 提出 了使 0 引言 用 Matlab/Simulink 软件包的仿真方法，这种方法计算精 使用直流斩 波技术实现高速车载交流传动系统无 度很低;文献5 的计算公式只考虑了电流截断 对电源 变压器化结构是实现机车上主电路不同电压等级间能 功率因数的影响， 没 有考虑电流波峰位置的影响，给 量传递环节小型轻量化的技术途径之一 1 。和 所有的 计算带来很大的误差。针对前面几种方法的不足，为 车载交流传动系统结 构一样，这种结构也面临着提高 了保证计算的速度和精度，使用数学模型和数值计 算 电源功率因数和降低谐波的问题。 车载直流斩波器是 相结合的方法对单相桥式 整流电路加以分析，探讨各 把 25 kV 的交流整流为直流，再把高压直流变为低压 直 个参数对功率因数及谐波的影响。 流的一个装置，其中把交流整流成直流的部 分和电源 的功率因数及谐波具有密切的关系。针对提高整流电 1 整流电路数学模 型 路的功率因数和减小谐波的问题， 人们做了大量研 图 1 是适合于车载直流斩 波器用的不可控单相桥 究:文献2 介绍了三相不可控桥式整流的谐波近似计 式 整 流 电 路 原 理 图 。 L 表示地面牵引变压器电感和与 1 算公式，三相整流存在 换相重叠角问题，和单相整流 牵引电流有关的接触线电感、 钢轨电感之和。由于 电 电路的开通、关断过程不一样，所得出的计算公式不 阻相对其电抗要小得多， 在 这里忽略不计。 、 和 L2 C1 C2 适合分析单相整流电路; 文献3通过状态机的方 法对 组成一个π型滤波电路， 由于斩波开关及其后面的回 整流电路进行数值计 算，并用 C 语言加以实现，具有 路对电源功率因数和谐波影响很小， 在本文的 分析中 很强的通用性，适合于分析整流电路的暂态过程，但 用 把这部分当作一个 电阻性负载， R 进行等效。 假设二 极管具有理想的特性。 收稿日期:20 06 - 1 2 - 1 3 — 27 —PDF 文件使用 quotpdfFactory Proquot 试用版本创建 www.fineprint.cn 机 车 电 传 动 20 07 年 (2) 图1 单相 桥 式 整 流 电 路 原 理图 电流如图 1 中的标注所示。 根据电流 i 1 的续断情 为了分析方便， ( 写成下面的形式: 方程 2 ) 况， 可以把电路工作分为 2 种状态。 工作状态一:设电 源电压为 ut， 当 从 0 开始上升到 C1 的电压值时， 整 流 桥 中 有 2 个二极管开始导通， 电流 i 1 从 0 逐渐变大; 经过峰值后， 开始回落， 当其下降到 C1 的电压值 (3) 时 ， 电 流 i 达到最大;然后电流开始变小， 直到为 0，状 1 态一结束， 进入状态二， 其工作的等效电路图如图 2 所 示 。 工 作 状 态 二 : 当 i 减小到 0 后，整流桥的二极管反 1 向截止， π型滤波器的储能元件继续向负载提供能 量;C1 的电压值逐渐下降， 电源在下一个半波开始时 设 上升， 当电源电压值上升到 C1 的电压值时， 状态二 结束， 电路工作转换到状态一， 其等效电路如图 3 所 示。 ， 图2 电路 工作 状 态一 ， 图3 电路 工作 状 态二 ， ， T0， 结束时刻为 T 1 ; 稳 态 下 ，设 状 态 一 开 始 时 刻 为 T1 ， 状 态 二 开 始 时 刻 为 结束时刻为 T 2 。当电源频率为 把 T 1 和 T 2 作为变量，则可以得到状态方程的解: 50 Hz时，2T0 0.01。 T (4) 对于图 2 ，有状态方程: (5) 状态一的结束就是状态二的开始， 状态二的结束 就是状态一的开始。 这样，状态方程可以反复迭代下 去 ， 当 迭 代 k 次时， 时刻的状态变量的表达式为: T2 (6) 式中: 。 稳 态 下 ， T2 时刻的状态变量的值为 (1) (7) 对于图 3 ，有状态方程: 这个值也是稳态下状态一的初始值，这样可以通 — 28 —PDF 文件使用 quotpdfFactory Proquot 试用版本创建 www.fineprint.cn 第5期 张雪原，吴广宁，叶 强，邓明丽，何常红:单相桥式整流电路滤波器参数对功率因数及谐波的影响 ( 和式 过式 4) (5) 求出电源的电流 i 1， 从而可以求出其 从图 4 可以看出， 功率 功率因数和总电流谐波畸变系数 T HD ) ( 等整流电路 因 数 随 着 L 的增大而提高， 1 的性能参数。 当 L 达到一定的数值后， 1 在 式 ( 7) 中， 0 和 T 1 的值是由系统的参数决定的。 T 功 率 因 数 随 着 L 的增加而 1 这 由于系统的复杂性和非线性， 2 个时间常数无法用一 缓 慢 下 降 ，谐 波 随 着 L 的 1 个简单的数学表达式进行求解。 根据系统的这一特征， 增大而降低;功率因数和 a L20.4 H C10.000 38 F C2 0.000 38 FR158 Ω 采用搜索最优解能力很强的遗传算法来完成这一工作。 谐 波 随 C 的增加而降低; 1 根据遗传算法的基本原理6， 选择 64 位二进制串构 L2 、 C 2 的变化几乎不引起 高 成 一 个 体 ， 低 32 位二进制串表示 T ， 32 位二进制串表示 功率因数和谐波的变化; 0 ， 0 的取值范围为 0， T1 T ( ， ( 0.005) T2 不是一个独立的时 功率因数和谐波随着电阻 ，1 间 变 量 ，T T 0.01)T 的取值范围为 0.005，( 0.015);取 R 的增加而提高。 2 0 遗传算法的交叉概率为0.8， 变异概率为0.2， 使用轮盘 滤波器参数对功率因 b L1 0.05 H L2 0.4 H 赌算法进行选择操作， 适应度值由下面的函数确定: 数的影响通过 2 个方面发 C2 0.000 38 F R158 Ω 生作用:一是影响电源电 8 流谐波的大小;二是影响 L1 电 源 电 流 波 峰 的 位 置 。 式中: 对电源电流的谐波和波峰 位 置 都 产 生 重 要 的 影 响 ，L 1 越小， 电源电流的波峰越 c L1 0.05 H C1 0.000 38 F 接近中心位置 而谐波含量 C2 0.000 38 F R158 Ω 越 大 ， L 越大， 电源电流的 1 波峰越偏离中心位置， 而 谐 波 含 量 越 小 。 C 主要影 1 响电源电 流的谐 波含量， 通过种群规模为 50 个个体和代数为 40 的计算后， C1 越小， 谐波含量越大， 而 得到适应度函数的最大值。 这时， 和 U 达到最小 I (近似 这 2 个参数对电源功率因 d L1 0.05 H L2 0.4 H 。 为零) 当 U 近似为零时， 这是状态一开始时刻的条件; 数 具 有 较 大 的 影 响 ，L 和 C1 0.000 38 F R158 Ω 2 当 I 近似为零时， 这是状态一结束时刻的条件 (在计算 C 2 变化对功率因数的影响 中 ， 由 于 状 态 二 中 i 保持不变，所以用 代替 1 比较小;电阻 R 对功率因数 ， ) 再从所对应的个体的二进制遗传编码中 的影响主要是通过影响电 就 可 以 得 到 T 和 T , 的值， 即得到状态的切换时间。 再 0 源电流的波峰位置来完成 ( 和式 由式 4) (5) 可以求出电源电流值， 从而对电源的 的， 电阻越小， 电源电流的 功率因数和谐波进行分析。 e L1 0.05 H L20.4 H 波峰越偏离中心位置;实 C10.000 38 F C2 0.000 38 F 2 参数对性能的影响 际上， 电阻是对负载的等 图 4 功率 因 数 变 化 规律 效， 负载一经确定， 这个电 ?——功率因数;?——电流基波 图 1 中 L1、 2、 1、 2 和 R 这 5 个参数的变化都可能对 L C C 因数;?——电流总谐波畸变率 阻也就确定下来， 反过来 功率因数和谐波产生影响， 这意味着， 如果要找出一 说， 滤波器元件参数的配置不具有通用性， 对于不同 个使功率因数高和谐波小的参数配置， 需要在一个五 .