整流電路的設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u30869整流電路的設(shè)計(jì)案例 1243191.1整流電路的分類(lèi) 1140651.2作用原理 3151631.3元件選擇 5166181.4相控整流電路 7整流電路(rectifyingcircuit）是把交流電轉(zhuǎn)換為直流電的一種電路。目前普遍應(yīng)用的整流電路主要由以下三部分組成：變壓器、整流電路和濾波器。變壓器的作用是將原本的電壓調(diào)整到合適的電壓水平，一般受到整流電路的電力電子器件的限制，還有一個(gè)作用是將電網(wǎng)與整流電路隔離開(kāi)；整流電路是其中最重要的部分，由單相導(dǎo)電性的整流器件構(gòu)成，是通過(guò)控制逆變器開(kāi)關(guān)管的通斷將交流電壓波形轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟妷翰ㄐ?，此時(shí)的電壓波形可以有鋸齒，但是正負(fù)將不在發(fā)生變化，但是其實(shí)輸出的電壓已經(jīng)不是完全符合正弦變化了，其中的噪聲是因?yàn)槟承└叽沃C波的影響，想要抑制或是消除諧波就需要用到濾波器。濾波器是位于主電路與負(fù)載之間的串并聯(lián)的電感和電容,其作用是通過(guò)諧波效應(yīng)濾除脈動(dòng)直流電壓中的高頻交流波形。1.1整流電路的分類(lèi)1.按照電路的組成器件可以分為不可控整流電路、半控整流電路和全控整流電路三種不可控整流電路是由不可控整流二極管構(gòu)成，電路整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案確定后其可控整流所使用得到的直流電壓與一個(gè)交流電源額定電壓之間的比值始終保持固定不變。2）半控整流電路是由一個(gè)完全可自動(dòng)控制的整流元件和二極管共同工作組成，在這樣的整流電路中,負(fù)載的驅(qū)動(dòng)電源極性雖然不能改變,但是其平均值卻完全可以調(diào)節(jié)。3）在全控整流電路中，所有的全控整流器件和控制元件都必須保證是完全獨(dú)立可控的(SCR、GTR、GTO等)，其輸出直流電壓的平均值及極性可以通過(guò)直流控制器檢測(cè)控制元件的電壓引入和直流導(dǎo)通兩種情況而得到一個(gè)相應(yīng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)，在這種電路中，功率既可以由電源向負(fù)載傳送，也可以由負(fù)載反饋給電源，即所謂的有源逆變。2.按電路結(jié)構(gòu)可分為零式電路和橋式電路1）零式電路指的是帶有零點(diǎn)或中性點(diǎn)的電路，又稱(chēng)半波電路。它的主要技術(shù)特點(diǎn)也就是所有的整流器的陰極(或者陽(yáng)極)都可以連接，一直到一個(gè)新的公用電源連接點(diǎn),向直流電源負(fù)載設(shè)備提供交流電,負(fù)載的其他每一根線(xiàn)路都連接，一直到一個(gè)公用交流電源的零點(diǎn)。2）橋式電路實(shí)際上是由兩個(gè)半波橋式電路相互作用串聯(lián)組合而成,故又被人們稱(chēng)為全波橋式電路。3.按電網(wǎng)交流輸入相數(shù)分為單相整流電路、三相整流電路和多相整流電路1）對(duì)于小功率整流器通常采用單相交流電供電；單相整流電路又可以細(xì)分為半波整流，全波整流，橋式整流及倍壓整流電路等。2）三相整流電路是交流側(cè)由三相電源供電，負(fù)載容量較大或要求直流電壓脈動(dòng)較小，容易濾波。三相可控整流電路有三相半波可控整流電路，三相半控橋式整流電路，三相全控橋式整流電路。因?yàn)槿嗾餮b置三相是平衡的，輸出的直流電壓和電流脈動(dòng)小，對(duì)電網(wǎng)影響小，且控制滯后時(shí)間短,采用三相全控橋式整流電路時(shí),輸出電壓交變分量的最低頻率是電網(wǎng)頻率的6倍,交流分量與直流分量之比也較小，因此濾波器的電感量比同容量的單相或三相半波電路小得多。另外,晶閘管的額定電壓值也較低。因此,這種電路適用于大功率變流裝置。3）多相高頻整流轉(zhuǎn)換電路隨著多相高頻整流轉(zhuǎn)換電路的應(yīng)用，功率得到進(jìn)一步的擴(kuò)大(其中例如用于軋鋼用的電動(dòng)機(jī),功率甚至可以擴(kuò)大到達(dá)數(shù)兆瓦),為了盡量考慮減輕對(duì)整個(gè)電網(wǎng)的直接干擾,特別重要的一點(diǎn)是盡量考慮減輕多相高頻整流轉(zhuǎn)換電路的多相高次整流諧波對(duì)整個(gè)電網(wǎng)的直接干擾,可以?xún)?yōu)先考慮采用十二相、十八相、二十四相,乃至三十六相的多相高頻整流轉(zhuǎn)換電路。采用多相穩(wěn)壓整流電路可以大幅改善電流功率因數(shù),提高電流脈動(dòng)頻率,使得直流變壓器的初級(jí)輸入電流波形更容易靠近于正弦波,從而明顯地減少諧波產(chǎn)生的不良影響。理論上,隨著這個(gè)相數(shù)的增加,可進(jìn)一步地大大削弱這個(gè)諧波。多相整流常用在大功率整流領(lǐng)域，最常用的有雙反星中性點(diǎn)帶平衡電抗器接法和三相橋式接法。4.按電流方向方向上可以是單向或者雙向,又或者可以將其劃分確認(rèn)為兩種工作方式:一種是單拍電路,另一種是雙拍電路。其中所有的低頻半波穩(wěn)壓整流電路都采用了單拍整流電路,而所有的高頻全波穩(wěn)壓整流電路都采用了雙拍整流電路。5.按控制方式可分為相控式電路和斬波器相控電路(斬波器)1）通過(guò)控制觸發(fā)脈沖的到來(lái)時(shí)間來(lái)控制開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通和關(guān)斷，顯示在輸入電流電壓波形上是二者的相角，進(jìn)而來(lái)控制直流輸出電壓大小的方式稱(chēng)為相位控制方式，簡(jiǎn)稱(chēng)相控方式。2）斬波器控制即它是利用晶閘管和其它帶有自動(dòng)或關(guān)斷的斬波器件對(duì)施加在直流負(fù)載上的電壓進(jìn)行斬波控制,將一個(gè)直流電源的輸出電壓，時(shí)間不停地連續(xù)增加或不斷減少傳送到交流負(fù)載上,通過(guò)短路切斷、切開(kāi)的電壓時(shí)間不斷變化而直接改變直流負(fù)載輸出電壓的一個(gè)平均值,亦因此可以被簡(jiǎn)稱(chēng)直流直流電壓轉(zhuǎn)換器。它因其特點(diǎn)具有電機(jī)工作效率高、體積小、重量輕、造價(jià)低等重要特性,被廣泛地用于應(yīng)用在直流電機(jī)牽引下的電力變速箱和拖行中,例如大型城市風(fēng)力發(fā)電機(jī)、地鐵、蓄電池車(chē)等。斬波器通常大致可以再細(xì)分為三種降壓斬波器,升壓斬波器和復(fù)合斬波器。1.2作用原理電力傳輸網(wǎng)絡(luò)中所提供給電力用戶(hù)的都通常是高頻交流電，而各類(lèi)型的無(wú)線(xiàn)電通信設(shè)備則通常需要用戶(hù)使用的是直流電。所謂的交流電整流,就是將一個(gè)大的交流電經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)化而成為一個(gè)小的直流電。利用一些需要具有單向交流導(dǎo)電驅(qū)動(dòng)性質(zhì)的電子器件,能夠?qū)⒚總€(gè)方向及其功率大小都能發(fā)生線(xiàn)性改變的單向交流電信號(hào)轉(zhuǎn)化成作為直流電輸出。下面將會(huì)介紹各種由晶體二極管構(gòu)成的整流電路。1.半波整流電路半波整流電路作為最簡(jiǎn)單的整流電路。它是由變壓器T、整流二極管D以及負(fù)載Rfz組成。變壓器的作用很顯然，把一次側(cè)的電網(wǎng)交流電（220V）變?yōu)檎麟娐沸枰妮斎虢涣麟妷篹2，二極管D再把該交流電壓整理成脈動(dòng)直流電壓。變壓器的二次側(cè)電壓e2，是一個(gè)正弦波電壓。在整個(gè)周期的前半個(gè)周期內(nèi)，e2的波形是正弦波的正方向的半個(gè)波形，體現(xiàn)在變壓器二次側(cè)也就是變壓器二次側(cè)電動(dòng)勢(shì)為上正下負(fù)。這時(shí)的加在二極管兩端的電壓是正向電壓，所以二極管可以導(dǎo)通工作，e2通過(guò)二極管被施加在負(fù)載電阻Rfz上，在整個(gè)周期的后半個(gè)周期內(nèi)，e2的波形是正弦波的負(fù)方向的半個(gè)波形，體現(xiàn)在變壓器二次側(cè)也就是說(shuō)變壓器二次側(cè)的電動(dòng)勢(shì)是下正上負(fù)。這時(shí)侯加在二極管D兩端的電壓是反向電壓，二極管無(wú)法導(dǎo)通被截止了，所以e2無(wú)法通過(guò)二極管被施加在負(fù)載Rfz上。因?yàn)閑2是周期性正弦波所以在后續(xù)的周期內(nèi)，會(huì)一直重復(fù)上述的過(guò)程，這樣反復(fù)進(jìn)行下去，交流電壓的負(fù)半波就被阻攔住了，僅僅只有正半波通過(guò)二極管施加在負(fù)載Rfz，在Rfz上形成一個(gè)上正下負(fù)的電壓，這樣便實(shí)現(xiàn)了整流的目的，但是，負(fù)載電壓Usc以及負(fù)載電流還是會(huì)隨著時(shí)間的變化而變化，因此，該直流電又通常被稱(chēng)為脈動(dòng)直流電REF_Ref16917\r[6]這種去除半波的整流方法，叫作半波整流方式。可以看出，半波整流是通過(guò)“犧牲”一半的交流電而來(lái)達(dá)到整流的效果，因此這種整流方式的電流利用率很低，因此該電路經(jīng)常用在高電壓、小電流的場(chǎng)合，而在一般的裝置中很少出現(xiàn)。2.全波整流電路把半波整流電路的結(jié)構(gòu)稍作一些調(diào)整，就可以獲得一種可以充分利用電能的整流電路，叫全波整流電路。圖2.2所示就是全波整流電路的結(jié)構(gòu)原理圖。圖2.2全波整流電路全波整流電路，相當(dāng)于是兩個(gè)半波整流電路拼湊而成的。在變壓器次級(jí)線(xiàn)圈的中間引出一個(gè)抽頭，把次組線(xiàn)圈對(duì)等的分成兩個(gè)相同的繞組，從而將次級(jí)電壓分成兩個(gè)大小相等、極性相反的電壓e2a、e2b，構(gòu)成由e2a、D1、Rfz與e2b全波整流電路的工作原理是，以周期性正弦波的一個(gè)周期為例，在一個(gè)周期內(nèi)波形會(huì)有正半波和負(fù)半波，二次側(cè)電壓是正半波時(shí)，e2a也是正半波，二極管D1上的電壓便為正向電壓，根據(jù)二極管的單相導(dǎo)電性，二極管導(dǎo)通，但是e2b上的電壓對(duì)于二極管D2來(lái)說(shuō)是反向電壓，由于二極管的單相導(dǎo)電性，二極管截止，那么就會(huì)在負(fù)載Rfz上有一個(gè)上正下負(fù)的直流電壓；同理，二次側(cè)電壓是負(fù)半波時(shí)，D3.橋式整流電路橋式整流電路是目前電力領(lǐng)域使用最為廣泛的整流電路。這種整流電路，僅僅是在全波整流電路的基礎(chǔ)上再添加兩個(gè)二極管來(lái)形成一種“橋”式的結(jié)構(gòu)，就可以使其具備全波整流電路的優(yōu)點(diǎn)，并且還能在一定程度上避免它的缺點(diǎn)。整流電路橋式整流電路的工作原理如下：二次側(cè)電壓e2是正半波的時(shí)侯，二次側(cè)電壓加在D1、D3兩端，對(duì)二者來(lái)說(shuō)是正向?qū)妷?，電流從正的一端流出，流?jīng)D1、Rfz、D3回到負(fù)的一端，那么在負(fù)載Rfz兩端形成的是上正下負(fù)的直流電，同理，重復(fù)上述過(guò)程，結(jié)果就是在Rfz上獲得到一個(gè)全波整流的直流電壓。從圖2.3中可以看出來(lái)，橋式整流電路中每個(gè)二極管兩端可以承受的最大的反向電壓等同于變壓器次級(jí)電壓的最大值，但是卻比全波整流電路的最大值小一半。圖2.3橋式整流電路三相橋式全控整流電路為三相整流變壓器。VT1~VT6為晶閘管元件，T為三相同步變壓器圖2.4三相橋式全控整流電路三相橋式半控整流電路與三相橋式全控整流電路結(jié)構(gòu)上基本上一致，僅僅是把共陽(yáng)極組VT4，VT6，VT2的可控晶閘管元件替換成VD4，VD6，1.3元件選擇其中我們需要特別注意的一點(diǎn)就是,二極管控制器件整流作為一種新型整流控制元件,要根據(jù)各種類(lèi)型的整流工作模式和不同負(fù)載的大小等來(lái)進(jìn)行正確的選擇。若材料選擇不正確,則不能安全可靠地完成工作,甚至?xí)龤б粋€(gè)的管子;選擇的管子超出要求,造成資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。另外,在一個(gè)高電壓或大電流的實(shí)際工作應(yīng)用場(chǎng)合,如果一個(gè)用戶(hù)手頭上沒(méi)有器件能夠直接承受高電壓或者大電流，可以將這個(gè)整流二極管直接串聯(lián)或者直接并聯(lián)在一起來(lái)對(duì)它進(jìn)行整流使用。圖2.5所示的是二極管并聯(lián)使用的情況：兩只二極管同時(shí)進(jìn)行整流并聯(lián)、每只是同時(shí)分擔(dān)一個(gè)整流穩(wěn)壓電路總額定輸出輸入電流的一半,三只二極管同時(shí)進(jìn)行整流并聯(lián),每只是同時(shí)分擔(dān)一個(gè)整流穩(wěn)壓電路總額定輸入電流的三分之一?？傊?有幾只二極管可以進(jìn)行互相并聯(lián),流經(jīng)每只并聯(lián)二極管的并聯(lián)電流也就是相等于總并聯(lián)電流的幾分之一。但是,在我們進(jìn)行實(shí)際的并聯(lián)二極管去整流的操作中,由于各個(gè)并聯(lián)二極管的并聯(lián)特性不完全一致,無(wú)法并聯(lián)均分所有的需要電流通過(guò)的并聯(lián)電流,會(huì)導(dǎo)致有些并聯(lián)管子因?yàn)槠涔ぷ髫?fù)擔(dān)太重而被明火燒毀。因此這就要求必須在每只二極管上都必須要分別串聯(lián)一只與阻抗數(shù)值相同的小電阻器,使各個(gè)并聯(lián)的二極管電路中流過(guò)的電流接近一致。這種起到均流作用的電阻R一般會(huì)選擇使用零點(diǎn)幾歐姆到幾十歐姆的電阻器。電流值越大，R應(yīng)該越小。圖2.5二極管并聯(lián)使用圖2.6所示的是二極管串聯(lián)的情況。顯然,在理想的電壓條件下,有幾只小的管子互相進(jìn)行串聯(lián),每只一個(gè)小的管子所能夠承受的逆向交流電壓就只能相當(dāng)于管子總負(fù)荷的幾分之一。但因?yàn)槊恐荒嫦蚨O管的逆向穩(wěn)壓電阻不盡相同,會(huì)直接可能造成兩端的逆向電壓之間分配不均:內(nèi)部逆向電阻較大的二極管,有可能兩端是由于逆向內(nèi)阻電壓的過(guò)高而被擊穿,并由此各個(gè)二極管之間產(chǎn)生連鎖反應(yīng),將二極管逐個(gè)打開(kāi)或者逐個(gè)擊穿。在二極管上加上并聯(lián)穩(wěn)壓電阻,可以有效促進(jìn)并聯(lián)電壓的均勻分配。均壓電阻要選取阻值范圍比二極管反向電阻值小的電阻器，而且每個(gè)電阻器的阻值都要相等。圖2.6二極管串聯(lián)使用1.4相控整流電路通過(guò)采用控制交流電相角的方法來(lái)達(dá)成整流目的的整流電路就被稱(chēng)為相控整流電路。該電路可控正是因?yàn)樵撾娐肥褂玫氖强煽氐恼髟чl管。其控制方法是通過(guò)施加脈沖控制信號(hào)來(lái)控制晶閘管的開(kāi)通和關(guān)斷，進(jìn)而改變交流電的相位角，從而能夠控制輸出直流電壓的大小。所以被稱(chēng)為相控。相控整流電路又包含單相整流電路、三相整流電路和多相整流電路。相控整流電路的輸出電壓要有較大的可調(diào)范圍，脈動(dòng)要盡可能的小，該電路不僅對(duì)輸入的交流電源和電路器件的導(dǎo)電性有影響，而且變壓器的選擇也需要考慮。1.單相整流電路圖2.7為單相半波可控整流電路。其工作過(guò)程如下：當(dāng)u2電壓是負(fù)半波的時(shí)候，晶閘管截止不工作。而當(dāng)u2是正半波的時(shí)候，如果不給其施加觸發(fā)脈沖的話(huà)，晶閘管也是截止的，只有給晶閘管加上觸發(fā)脈沖之后，晶閘管才會(huì)導(dǎo)通，這時(shí)候負(fù)載Rd上有電流流過(guò)。電流變成零之后，晶閘管自動(dòng)關(guān)閉，回到下一次導(dǎo)通的起點(diǎn)，如此重復(fù)下去，負(fù)載上就會(huì)得到直流電壓ud。從晶閘管兩端是正電壓到晶閘管導(dǎo)通為止相差的角度就是控制角，用α來(lái)表示。因此通過(guò)改變控制角的大小，即改變觸發(fā)脈沖出現(xiàn)的時(shí)間，即可改變晶閘管的開(kāi)通關(guān)斷，進(jìn)而能改變輸出直流電壓的大小。觸發(fā)脈沖總是在一個(gè)周期內(nèi)的特定時(shí)間時(shí)施加在晶閘管上，對(duì)其進(jìn)行控制，因此，觸發(fā)脈沖和電源要配合好頻率和相位，也稱(chēng)之為同步REF_Ref7058\r[16]圖2.7單相半波可控整流電路圖2.8所示的是單相橋式可控整流電路。和單相半波可控整流電路比較，該電路中的變壓器的利用系數(shù)比前者要高，而且直流側(cè)脈動(dòng)直流電壓的基波頻率也是交流電壓基波頻率的二倍，因此適用于小功率場(chǎng)合。在這里，提到了脈波數(shù)P。所謂的脈波數(shù)P其實(shí)就是在交流電源的一個(gè)周期內(nèi)直流側(cè)輸出直流電的波形重復(fù)了P次。脈波數(shù)P越大，交流電壓就越接近標(biāo)準(zhǔn)的正弦波。一般可以通過(guò)增加相數(shù)來(lái)使得脈波數(shù)P增大，但是，相數(shù)越大，各個(gè)相的通電時(shí)間又會(huì)變小，這樣的話(huà)會(huì)導(dǎo)致整流元件與變壓器的二次側(cè)繞組的利用率變差，裝置的體積也會(huì)變大，成本增加。圖2.8單相橋式可控整流電路圖2.9所示的是單相橋式半控整流電路，因?yàn)槭褂玫氖强煽氐木чl管和不可控的二極管，所以是半控整流。圖中的VD是