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航空设备三相桥式整流电路的仿真分析
  1 引言

 

电能是人类生产最重要的二次能源之一[1],无论人们的日常生活,还是工农业的生产都离不开电,电网的稳定安全和电能高效合理的利用直接影响着国民经济的发展。随着飞机电源技术的发展,先进飞机普遍采用115V/400HZ的电源作为飞机的主电源。因此,飞机的机载设备中大量使用了单相或三相桥式不可控整流电路经电容滤波后,为提供机载设备提供直流电能,如:飞行控制系统、雷达设备、无线电通信和导航设备、变压整流器等,这些重要的机载设备直接由飞机的115V/400HZ的主电源供电。单相或三相桥式不可控整流电路为非线性电路,其工作时必然对飞机主要电源系统产生干扰,增加电源系统的总谐波失真,造成了飞机电能的无功损耗,降低飞机电源系统可靠性,因此,对机载设备桥式整流电路的研究已经成为飞机电源系统的前沿问题,具有重大的现实意义。本文对机载设备中常用的三相不可控整流电路的基本原理进行详细的分析,得出整流电路直流侧电流连续的临界条件;依据临界条件,匹配电路元件参数,然后通过仿真验证了分析结果。

 

2电路基本原理 

    电容滤波的三相不可控整流电路中[2],最常用的是三相桥式结构,如图1所示:

 

 

1 电容滤波的三相不可控整流电路

 

 

在该电路中,当某一对二极管导通时,输出直流电压等于交流侧电压中的最大的一个,该线电压既向电容供电,也向负载供电。当没有二极管导通时,由电容向负载放电,ud按指数规律下降。

设二极管在距线电压过0 角处开始导通,并将二极管D6D1开始同时导通的时刻作为时间零点,则线电压为 ,而相电压为 。在 时,二极管D6D1开始导通,直流侧电压等于uab;下一次同时导通的一对管子是D1D2,直流侧电压等于uac。这两段导通过程之间的交替有两种情况,一种是在D1D2同时导通之前D6D1是关断的,交流侧向直流侧的充电电流id是断续的;另一种是D1一直导通,交替时由D6导通换相至D2导通,id是连续的。介于二者之间的临界情况是,D6D1同时导通的阶段与D1D2同时导通的阶段在 的时刻速度相等恰好发生,则有

     = 

可得 ,这就是临界条件。

 

  分别是电流id断续和连续的条件。对一个确定的装置电路来讲,通常只有R是可变的,它的大小反映了负载的轻重,即轻载是电阻较大,重载是电阻较小。因此,在轻载时直流侧获得充电电源是断续的,在重载时是连续的,分界点就是 。以上分析的是理想的情况,未考虑实际电路中存在的交流侧电感以及为抑制冲击电流而串联的电感。

其电路的电压电流波形如图2所示:

 

              2 电压电流波形

 

R越小,即负载越大时,直流侧的电流是逐渐增大的,电流的起伏也逐渐变大。 是电流断续和连续的临界条件,代入 ,计算可得R=1.467Ω时是电流的临界状态,R=0.5Ω时,直流侧的电流为连续,R=10Ω时,直流侧的电流为断续。

随着负载加大,a相电流逐渐增大,越来越接近正弦波。由傅立叶分析结果,可以得到交流电流的谐波特性和功率因数有如下特点:

交流侧电流仅含奇次谐波,谐波次数越高,其幅值越小;各次谐波幅值均随 的增大而增大,而基波的幅值会随 的增大而减小。其原因主要是 越大,意味着负载越小,此时二极管的导通角越小,波形的畸变也会越严重;总的功率因数随 增大而减小。如果

电容越大,基波因数会越小。                                                      

 

3建立仿真模型 

 

 利用Matlab[3]中的SimPowerSystems建立三相不可控整流电路的仿真模型,如图3所示。

 

3 三相不可控整流电路的建模

 

在该电路中,将三个单相交流电源并联起来,它们之间电位相差120°,并取电路的输入电压115V,频率400HZ,负载R分别为101.4670.5ΩC=470μF时,对电路进行仿真,观察其直流侧电流的波形,电路输入电流波形的变化分别如图456所示。

 

4  R=10ΩC=470μF时直流侧电流波形

 

 

5  R=1.467ΩC=470μF时直流侧电流波形

 

 

6  R=0.5ΩC=470μF时直流侧电流波形

 

 

4结果分析

 

从上述仿真结果可以看出,当选取滤波电容值C=470μF 时:R=1.467Ω是电流的临界状态;R=0.5Ω时,直流侧的电流为连续;R=10Ω时,直流侧的电流为断续,从而验证了实验理论分析的正确性。

机载设备电源电路采用不可控三相整流电路的输入电流的基波分量相位与飞机电源电压相位大体相同,因而基波功率因数接近1.但其输入电流的谐波分量[5]却很大,给飞机交流电网造成严重污染,也使得飞机电源系统的总的功率因数很低。

 

 

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