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整流电路

“整流电路”(rectifying circuit)是把交流电能转换为直流电能的电路。大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成。它在直流电动机的调速、发电机的励磁调节、电解、电镀等领域得到广泛应用。20世纪70年代以后,主电路多用硅整流二极管和晶闸管组成。滤波器接在主电路与负载之间,用于滤除脉动直流电压中的交流成分。变压器设置与否视具体情况而定。变压器的作用是实现交流输入电压与直流输出电压间的匹配以及交流电网与整流电路之间的电隔离。

整流电路的作用是将交流降压电路输出的电压较低的交流电转换成单向脉动性直流电,这就是交流电的整流过程,整流电路主要由整流二极管组成。经过整流电路之后的电压已经不是交流电压,而是一种含有直流电压和交流电压的混合电压。习惯上称单向脉动性直流电压。

对整流电路的意义有以下总结:

1、电源电路中的整流电路主要有半波整流电路、全波整流电路和桥式整流三种,倍压整流电路用于其它交流信号的整流,例如用于发光二极管电平指示器电路中,对音频信号进行整流。

2、前三种整流电路输出的单向脉动性直流电特性有所不同,半波整流电路输出的电压只有半周,所以这种单向脉动性直流电主要成分仍然是50Hz的;因为输入交流市电的频率是50Hz,半波整流电路去掉了交流电的半周,没有改变单向脉动性直流电中交流成分的频率;全波和桥式整流电路相同,用到了输入交流电压的正、负半周,使频率扩大一倍为100Hz,所以这种单向脉动性直流电的交流成分主要成分是100Hz的,这是因为整流电路将输入交流电压的一个半周转换了极性,使输出的直流脉动性电压的频率比输入交流电压提高了一倍,这一频率的提高有利于滤波电路的滤波。

3、在电源电路的三种整流电路中,只有全波整流电路要求电源变压器的次级线圈设有中心抽头,其他两种电路对电源变压器没有抽头要求。另外,半波整流电路中只用一只二极管,全波整流电路中要用两只二极管,而桥式整流电路中则要用四只二极管。根据上述两个特点,可以方便地分辨出三种整流电路的类型,但要注意以电源变压器有无抽头来分辨三种整流电路比较准确。

4、在半波整流电路中,当整流二极管截止时,交流电压峰值全部加到二极管两端。对于全波整流电路而言也是这样,当一只二极管导通时,另一只二极管截止,承受全部交流峰值电压。所以对这两种整流电路,要求电路的整流二极管其承受反向峰值电压的能力较高;对于桥式整流电路而言,两只二极管导通,另两只二极管截止,它们串联起来承受反向峰值电压,在每只二极管两端只有反向峰值电压的一半,所以对这一电路中整流二极管承受反向峰值电压的能力要求较低。

5、在要求直流电压相同的情况下,对全波整流电路而言,电源变压器次级线圈抽头到上、下端交流电压相等;且等于桥式整流电路中电源变压器次级线圈的输出电压,这样在全波整流电路中的电源变压器相当于绕了两组次级线圈。

6、在全波和桥式整流电路中,都将输入交流电压的负半周转到正半周或将正半周转到负半周,这一点与半波整流电路不同,在半波整流电路中,将输入交流电压一个半周切除。

7、在整流电路中,输入交流电压的幅值远大于二极管导通的管压降,所以可将整流二极管的管压降忽略不计。

8、对于倍压整流电路,它能够输出比输入交流电压更高的直流电压,但这种电路输出电流的能力较差,所以具有高电压,小电流的输出特性。

9、分析上述整流电路时;主要用二极管的单向导电特性,整流二极管的导通电压由输入交流电压提供。

可分为不可控电路、半控电路、全控电路三种

1)不可控整流电路完全由不可控二极管组成,电路结构一定之后其直流整流电压和交流电源电压值的比是固定不变的。

2)半控整流电路由可控元件和二极管混合组成,在这种电路中,负载电源极性不能改变,但平均值可以调节。

3)在全控整流电路中,所有的整流元件都是可控的(SCR、GTR、GTO等),其输出直流电压的平均值及极性可以通过控制元件的导通状况而得到调节,在这种电路中,功率既可以由电源向负载传送,也可以由负载反馈给电源,即所谓的有源逆变。

可分为零式电路和桥式电路

1)零式电路指带零点或中性点的电路,又称半波电路。它的特点所有整流元件的阴极(或阳极)都接到一个公共接点向直流负载供电负载的另一根线接到交流电源的零点。

2)桥式电路实际上是由两个半波电路串联而成,故又称全波电路。

3、按电网交流输入相数分为单相电路、三相电路和多相电路

1)对于小功率整流器常采用单相供电;单相整流电路分为半波整流,全波整流,桥式整流及倍压整流电路等。

2)三相整流电路是交流测由三相电源供电,负载容量较大,或要求直流电压脉动较小,容易滤波。三相可控整流电路有三相半波可控整流电路,三相半控桥式整流电路,三相全控桥式整流电路。因为三相整流装置三相是平衡的输出的直流电压和电流脉动小,对电网影响小,且控制滞后时间短,采用三相全控桥式整流电路时,输出电压交变分量的最低频率是电网频率的6倍,交流分量与直流分量之比也较小,因此滤波器的电感量比同容量的单相或三相半波电路小得多。另外,晶闸管的额定电压值也较低。因此,这种电路适用于大功率变流装置。

3)多相整流电路 随著整流电路的功率进一步增大(如轧钢电动机,功率达数兆瓦),为了减轻对电网的干扰特别是减轻整流电路高次谐波对电网的影响,可采用十二相十八相二十四相,乃至三十六相的多相整流电路。采用多相整流电路能改善功率因数,提高脉动频率,使变压器初级电流的波形更接近正弦波,从而显著减少谐波的影响。理论上,随着相数的增加,可进一步削弱谐波的影响。多相整流常用在大功率整流领域,最常用的有双反星中性点带平衡电抗器接法和三相桥式接法。

方向是单向或双向,又分为单拍电路和双拍电路。其中所有半波整流电路都是单拍电路,所有全波整流电路都是双拍电路。

可分为相控式电路和斩波式电路(斩波器);

1)通过控制触发脉冲的相位来控制直流输出电压大小的方式称为相位控制方式,简称相控方式。

2)斩波器就是利用晶闸管和自关断器件来实现通断控制,将直流电源电压断续加到负载上,通过通、断的时间变化来改变负载电压平均值,亦称直流-直流变换器。它具有效率高、体积小、重量轻、成本低等优点,广泛应用于直流牵引的变速拖动中,如城市电车、地铁、蓄点池车等。斩波器一般分降压斩波器,升压斩波器和复合斩波器三种。

分中点引出整流电路,桥式整流电路,带平衡电抗器整流电路,环形整流电路,十二相整流电路1)中点引出整流电路分:单脉波(单相半波),两脉波(单相全波),三脉波(三相半波),六脉波(三相全波)

2)桥式整流电路分:两脉波(单相)桥式,六脉波(三相)桥式

3)带平衡电抗器整流电路分:一次星形联结的六脉波带平衡电抗器电路(即双反星带平衡电抗器电路),一次角形联结的六脉波带平衡电抗器电路

4)十二相整流电路分:二次星、三角联结,桥式并联(带6f平衡电抗器)单机组十二脉波整流电路;二次星、三角联结,桥式串联十二脉波整流电路;桥式并联等值十二脉波整流电路;双反星形带平衡电抗器等值十二脉波整流电路。

电力网供给用户的是交流电,而各种无线电装置需要用直流电。整流,就是把交流电变为直流电的过程。利用具有单向导电特性的器件,可以把方向和大小改变的交流电变换为直流电。下面介绍利用晶体二极管组成的各种整流电路。 [1]

半波整流电路

半波整流电路是一种最简单的整流电路。它由电源变压器B 、整流二极管D 和负载电阻Rfz ,组成。变压器把市电电压(多为220伏)变换为所需要的交变电压e2,D 再把交流电变换为脉动直流电。  变压器砍级电压e2,是一个方向和大小都随时间变化的正弦波电压,它的波形如图5-2(a)所示。在0~K时间内,e2为正半周即变压器上端为正下端为负。此时二极管承受正向电压面导通,e2通过它加在负载电阻Rfz上,在π~2π 时间内,e2为负半周,变压器次级下端为正;上端为负。这时D承受反向电压,不导通,Rfz,上无电压。在2π~3π时间内,重复0~π 时间的过程,而在3π~4π时间内,又重复π~2π时间的过程…这样反复下去,交流电的负半周就被"削"掉了,只有正半周通过Rfz,在Rfz上获得了一个单一右向(上正下负)的电压,如图5-2(b)所示,达到了整流的目的,但是,负载电压Usc。以及负载电流的大小还随时间而变化,因此,通常称它为脉动直流。

这种除去半周、图下半周的整流方法,叫半波整流。不难看出,半波整流是以"牺牲"一半交流为代价而换取整流效果的,电流利用率很低(计算表明,整流得出的半波电压在整个周期内的平均值,即负载上的直流电压Usc =0.45e2,此处注意e2是变压器二次端口的有效值,而不是最大值。如变压器得到e2=

整流电路

如果把整流电路的结构作一些调整,可以得到一种能充分利用电能的全波整流电路。图5-3 是全波整流电路的电原理图。

全波整流电路,可以看作是由两个半波整流电路组合成的。变压器次级线圈中间需要引出一个抽头,把次组线圈分成两个对称的绕组,从而引出大小相等但极性相反的两个电压e2a 、e2b ,构成e2a 、D1、Rfz与e2b 、D2、Rfz ,两个通电回路。

全波整流电路的工作原理,可用图5-4 所示的波形图说明。在0~π间内,e2a 对Dl为正向电压,D1 导通,在Rfz 上得到上正下负的电压;e2b 对D2为反向电压,D2 不导通。在π-2π时间内,e2b 对D2为正向电压,D2导通,在Rfz 上得到的仍然是上正下负的电压;e2a 对D1为反向电压,D1 不导通。

带平衡电抗器的双反星型可控整流电路带平衡电抗器的双反星形可控整流电路是将整流变压器的两组二次绕组都接成星形,但两组接到晶闸管的同名端相反;两组二次绕组的中性点通过平衡电控器LB连接在一起。

桥式整流电路是使用最多的一种整流电路。这种电路,只要增加两只二极管口连接成“桥”式结构,便具有全波整流电路的优点,而同时在一定程度上克服了它的缺点。

整流电路桥式整流电路的工作原理如下:e2为正半周时,对D1、D3和方向电压,Dl,D3导通;对D2、D4加反向电压,D2、D4截止。电路中构成e2、Dl、Rfz 、D3通电回路,在Rfz ,上形成上正下负的半波整流电压,e2为负半周时,对D2、D4加正向电压,D2、D4导通;对D1、D3加反向电压,D1、D3截止。电路中构成e2、D2Rfz 、D4通电回路,同样在Rfz 上形成上正下负的另外半波的整流电压。

如此重复下去,结果在Rfz ,上便得到全波整流电压。其波形图和全波整流波形图是一样的。从图5-6中还不难看出,桥式电路中每只二极管承受的反向电压等于变压器次级电压的最大值,比全波整流电路小一半。

三相桥式全控电路TR为三相整流变压器,其接线组别采用Y/Y-12。VT1~VT6为晶闸管元件,FU1~FU6为快速熔断器。TS为三相同步变压器,其接线组别采用△/Y-11。P端为集成化六脉冲触发电路+24V电源输出端,接脉冲变压器一次绕组连接公共端。P1~P6端为集成化六脉冲触发电路功放管V1~V6集电极输出端,分别接脉冲变压器一次绕组的另一端。UC端为移相控制电压输入端。

三相桥式半控电路三相桥式半控整流电路与三相桥式全控整流电路基本相同,仅将共阳极组VT4,VT6,VT2的晶闸管元件换成了VD4,VD6,VD2整流二极管,以构成三相桥式半控整流电路。

需要特别指出的是,二极管作为整流元件,要根据不同的整流方式和负载大小加以选择。如选择不当,则或者不能安全工作,甚至烧了管子;或者大材小用,造成浪费。

另外,在高电压或大电流的情况下,如果手头没有承受高电压或整定大电流的整流元件,可以把二极管串联或并联起来使用。

整流电路图5-7 示出了二极管并联的情况:两只二极管并联、每只分担电路总电流的一半,三只二极管并联,每只分担电路总电流的三分之一。总之,有几只二极管并联,"流经每只二极管的电流就等于总电流的几分之一。但是,在实际并联运用时",由于各二极管特性不完全一致,不能均分所通过的电流,会使有的管子因为负担过重而烧毁。因此需在每只二极管上串联一只阻值相同的小电阻器,使各并联二极管流过的电流接近一致。这种均流电阻R一般选用零点几欧至几十欧的电阻器。电流越大,R应选得越小。

图5-8示出了二极管串联的情况。显然在理想条件下,有几只管子串联,每只管子承受的反向电压就应等于总电压的几分之一。但因为每只二极管的反向电阻不尽相同,会造成电压分配不均:内阻大的二极管,有可能由于电压过高而被击穿,并由此引起连锁反应,逐个把二极管击穿。在二极管上并联的电阻R,可以使电压分配均匀。均压电阻要取阻值比二极管反向电阻值小的电阻器,各个电阻器的阻值要相等。

采用相位控制方式以实现负载端直流电能控制的可控整流电路。可控是因为整流元件使用具有控制功能的晶闸管。在这种电路中,只要适当控制晶闸管触发导通瞬间的相位角,就能够控制直流负载电压的平均值。故称为相控。

分类

相控整流电路分为单相、三相、多相整流电路3种。

相控整流电路要求输出电压的可调控范围要大,脉动要小,对交流电源、器件导电性能都有影响,而且变压器也需要注意。

相控整流电路是通过交流侧输入的相数的控制来进行整流控制的电路,整流兀件使用具有控制作用的晶闸管所以带有可控性。

图1a为单相半波可控整流电路。图中ug为晶闸管的触发脉冲,其工作过程如下:当u2负半周时,晶闸管不导通。在u2正半周时,不加触发脉冲之前,晶闸管也不导通,只有加触发脉冲之后,晶闸管才导通,这时负载Rd上流过电流。在电流为零时刻,晶闸管自动关断,为下一次触发导通作好准备,如此循环往复,负载上得到脉动的直流电压ud。晶闸管从开始承受正向电压起到开始导通这一角度称为控制

相控电路图

角,以α表示。这样,只要改变控制角α的大小,即改变触发脉冲出现的时刻,就改变了直流输出电压的平均值。触发脉冲总是在电源周期的同一特定时刻加到晶闸管的控制极上,所以,触发脉冲和电源电压在频率和相位上要配合好,这种协调配合的关系称为同步。图1b为单相桥式可控整流电路。它与单相半波可控整流电路相比,其变压器利用系数较高,直流侧脉动的基波频率为交流基波的二倍,故为小功率场合常用的整流电路之一。 这里,脉波数P的概念很重要。所谓脉波数就是在交流电源的一个周期之内直流侧输出波形的重复次数。通常脉波数越多,直流侧输出越平滑,交流侧电流越接近正弦波。为了增加脉波数,可以增加交流侧相数,但是, 一般相数增加越多,各相的通电时间变得越短,这样会使整流元件与整流变压器副边绕组的利用率变坏,使装置体积变大,成本提高。图1c为单相桥式半控整流电路,由于可控的晶闸管与不控的二极管混合组成,故称半控。F称续流二极管,若直流电压变为负值,它成为直流侧环流的路径,维持输出电压为零。

单相整流电路比较简单,对触发电路的要求较低,相位同步问题很简单,调整也比较容易。但它的输出直流电压的纹波系数较大。由于它接在电网的一相上,易造成电网负载不平衡,所以一般只用于4kW以下的中小容量的设备上。如果负载较大,一般都用三相电路。

当整流容量较大,要求直流电压脉动较小,对快速性有特殊要求的场合,应考虑采用三相可控整流电路。这是因为三相整流装置三相是平衡的,输出的直流电压和电流脉动小,对电网影响小,且控制滞后时间短。图2为三相桥式全控整流电路及其输出电压波形。在理想情况下,电路在任何时刻都必须有两个晶闸管导通,一个是共阳极组的,另一个是共阴级组的,只有它们同时导通才能形成导电回路。T1、T2、T3、T4、T5、T6的触发脉冲互差60°。因此,电路每隔60°有一个晶闸管换流,导通次序为1→2→3→4→5→6,每个晶闸管导通120°。在整流电路合闸后,共阴极和共阳级组各有一个晶闸管导通。因此,每个触发脉冲的宽度应大于60°、小于120°,或用两个窄脉冲等效地代替大于60°的宽脉冲,即在向某一个晶闸管送出触发脉冲的同时,向前一个元件补送一个脉冲,称双脉冲触发。整流输出电压波形如图2 所示。当T1、T6导通时,ud=uab;T1、T2导通时,ud=uac;同理,依次为ubc,uba,uca,ucb,均为线电压的一部分,脉动频率为300Hz,晶闸管T1上的电压uT1波形分为三段,在T1导电的120°中,uT1=0(仅管压降);当T3导通,T1受反向电压关断,uT1=uab;T5导通时,T3关断,uT1=uac。因此晶闸承受的最大正、反向电压为线电压的峰值。

采用三相全控桥式整流电路时,输出电压交变分量的最低频率是电网频率的6倍,交流分量与直流分量之比也较小,因此滤波器的电感量比同容量的单相或三相半波电路小得多。另外,晶闸管的额定电压值也较低。因此,这种电路适用于大功率变流装置。

随着整流电路的功率进一步增大(如轧钢电动机,功率达数兆瓦),为了减轻对电网的干扰,特别是减轻整流电路高次谐波对电网的影响,可采用十二相、十八相、二十四相,乃至三十六相的多相整流电

多相整流电路

路。图3a为两组三相桥串联组成的十二相整流电路。为了获得十二相波形,每个波头应该错开30°。所以采用三绕组变压器,次级的两个绕组一个接成星形,另一个接成三角形,分别供给两组三相桥。两组整流桥串联后再接到负载。由于两组整流桥输出的电压的相位彼此差30°,因此在负载上得到十二脉波的整流电压,合成电压中最低次谐波频率为600Hz,输出电压ud=ud1+ud2,电流id=id1=id2。图3b是两组三相桥并联组成大电流的十二相整流电路。两桥变压器次级绕组电压依次相差30°。若两组桥的交流线电压相等,各自的控制角也相等,则两组桥的整流平均电压也相等,只要极性相符合,就可以并联运行。但是两组整流电压的瞬时值是不等的,两组电源间会出现交流环流。为了限止环流,延长晶闸管的导通时间,需要加入平衡电抗器,输出电压ud=(ud1+ud2)/2,电流id=id1+id2。

采用多相整流电路能改善功率因数,提高脉动频率,使变压器初级电流的波形更接近正弦波,从而显著减少谐波的影响。理论上,随着相数的增加,可进一步削弱谐波的影响。但这样做增加了设备费用,在技术上对精确地得到相同的控制角提出了较严格的要求。因而需对方案的技术经济指标进行全面分析,最后作出选择。

选择整流电路时,主要从电性能好、结构简单、经济实用、对电网影响小等方面考虑,合理选用 [2]


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