【谐波产生】二极管桥式整流器、UPS负载、带和不带线路阻抗的晶闸管整流器研究附Simulink仿真

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🔥 内容介绍

在现代电力电子技术广泛应用的背景下，谐波问题日益凸显，严重影响电力系统的安全稳定运行和电气设备的正常工作 。二极管桥式整流器、UPS 负载以及晶闸管整流器作为常见的电力电子设备，是谐波产生的重要源头。深入研究这些设备在不同工况下的谐波产生特性，对于谐波抑制、电能质量改善具有关键意义。本文将从工作原理、谐波特性等方面，对二极管桥式整流器、UPS 负载、带和不带线路阻抗的晶闸管整流器的谐波产生进行系统研究。

一、二极管桥式整流器谐波产生分析

（一）工作原理

二极管桥式整流器由四个二极管组成桥式结构，利用二极管的单向导电性，将输入的交流电转换为直流电 。在交流电源的正半周和负半周，不同的二极管组合导通，使得输出端始终保持同一方向的电流流动，从而实现整流功能。

（二）谐波产生机理

由于二极管的开关特性是非线性的，导致输入电流不再是正弦波，而是呈现出非正弦的脉冲波形。通过傅里叶分析可知，其电流中除了基波成分外，还包含大量的谐波成分。对于理想的二极管桥式整流器，其输入电流的谐波主要以 6k±1 次（k = 1, 2, 3,...）谐波为主，如 5 次、7 次、11 次、13 次谐波等。这些谐波电流注入电网后，会在电网阻抗上产生谐波电压，导致电网电压波形畸变，影响电能质量。

（三）影响谐波大小的因素

1. 负载特性：不同类型的负载对二极管桥式整流器的谐波产生有显著影响。例如，纯电阻负载和包含电感、电容的复杂负载，其谐波含量和分布存在差异。

1. 输入电压畸变：当输入交流电压本身存在畸变时，会进一步加剧整流器的谐波产生。

二、UPS 负载谐波产生研究

（一）UPS 工作模式与谐波关联

UPS（不间断电源）通常具备市电模式、电池模式和旁路模式。在市电模式下，UPS 通过整流器将市电转换为直流电，再经逆变器转换为交流电供给负载，此过程中整流器和逆变器的非线性特性会产生谐波；在电池模式下，由电池放电经逆变器供电，逆变器同样是谐波产生的源头 。

（二）谐波特性分析

UPS 负载产生的谐波成分较为复杂，不仅包含与二极管桥式整流器类似的低次谐波，还可能因逆变器的调制方式、控制策略等产生高频谐波。其谐波含量与 UPS 的容量、拓扑结构以及负载类型密切相关。一般来说，小容量 UPS 的谐波含量相对较高；采用脉冲宽度调制（PWM）技术的逆变器，若调制参数设置不合理，会产生大量的高频谐波。

（三）谐波抑制措施

为降低 UPS 负载的谐波影响，可采用有源滤波器、无源滤波器等谐波抑制设备，也可优化 UPS 的拓扑结构和控制策略，如采用多电平逆变器、改进 PWM 调制技术等 。

三、晶闸管整流器谐波产生对比分析

（一）不带线路阻抗的晶闸管整流器

1. 工作原理与谐波产生：晶闸管整流器通过控制晶闸管的触发角，调节输出直流电压。在理想情况下，不考虑线路阻抗时，晶闸管整流器的输入电流谐波特性与晶闸管的触发角密切相关。随着触发角的变化，输入电流的波形发生改变，谐波含量也相应变化。与二极管桥式整流器类似，其主要谐波成分也是 6k±1 次谐波，但谐波含量会因触发角不同而有所差异 。

1. 谐波特性规律：当触发角较小时，输入电流的畸变程度相对较小，谐波含量较低；随着触发角增大，电流波形畸变加剧，谐波含量显著增加。

（二）带线路阻抗的晶闸管整流器

1. 线路阻抗的影响：实际运行中，线路阻抗不可忽视。线路阻抗会改变晶闸管整流器的工作特性，影响电流和电压的分布。由于线路阻抗的存在，整流器输入侧的电压波形发生畸变，导致电流谐波成分更加复杂 。

1. 谐波特性变化：线路阻抗会使整流器产生的谐波在电网中传播时发生反射、折射等现象，进一步加剧谐波的畸变程度。同时，线路阻抗与整流器之间可能产生谐振，导致某些频次的谐波被放大，对电网造成更严重的危害。

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