什么是整流電路

　　“整流電路”（rectifying circuit）是把交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能的電路。大多數(shù)整流電路由變壓器、整流主電路和濾波器等組成。它在直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速、發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)、電解、電鍍等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。整流電路通常由主電路、濾波器和變壓器組成。20世紀(jì)70年代以后，主電路多用硅整流二極管和晶閘管組成。濾波器接在主電路與負(fù)載之間，用于濾除脈動(dòng)直流電壓中的交流成分。變壓器設(shè)置與否視具體情況而定。變壓器的作用是實(shí)現(xiàn)交流輸入電壓與直流輸出電壓間的匹配以及交流電網(wǎng)與整流電路之間的電隔離。

　　整流電路的作用是將交流降壓電路輸出的電壓較低的交流電轉(zhuǎn)換成單向脈動(dòng)性直流電，這就是交流電的整流過(guò)程，整流電路主要由整流二極管組成。經(jīng)過(guò)整流電路之后的電壓已經(jīng)不是交流電壓，而是一種含有直流電壓和交流電壓的混合電壓。習(xí)慣上稱(chēng)單向脈動(dòng)性直流電壓。

　　整流電路作用原理

　　1.半波整流電路

　　半波整流電路是一種最簡(jiǎn)單的整流電路。它由電源變壓器B 、整流二極管D 和負(fù)載電阻Rfz ，組成。變壓器把市電電壓（多為220伏）變換為所需要的交變電壓e2，D 再把交流電變換為脈動(dòng)直流電。 　變壓器砍級(jí)電壓e2，是一個(gè)方向和大小都隨時(shí)間變化的正弦波電壓，它的波形如圖5-2（a）所示。在0～K時(shí)間內(nèi)，e2為正半周即變壓器上端為正下端為負(fù)。此時(shí)二極管承受正向電壓面導(dǎo)通，e2通過(guò)它加在負(fù)載電阻Rfz上，在π～2π 時(shí)間內(nèi)，e2為負(fù)半周，變壓器次級(jí)下端為正；上端為負(fù)。這時(shí)D承受反向電壓，不導(dǎo)通，Rfz，上無(wú)電壓。在2π～3π時(shí)間內(nèi)，重復(fù)0～π 時(shí)間的過(guò)程，而在3π～4π時(shí)間內(nèi)，又重復(fù)π～2π時(shí)間的過(guò)程…這樣反復(fù)下去，交流電的負(fù)半周就被“削”掉了，只有正半周通過(guò)Rfz，在Rfz上獲得了一個(gè)單一右向（上正下負(fù)）的電壓，如圖5-2（b）所示，達(dá)到了整流的目的，但是，負(fù)載電壓Usc。以及負(fù)載電流的大小還隨時(shí)間而變化，因此，通常稱(chēng)它為脈動(dòng)直流。

　　這種除去半周、圖下半周的整流方法，叫半波整流。不難看出，半波整流是以“犧牲”一半交流為代價(jià)而換取整流效果的，電流利用率很低（計(jì)算表明，整流得出的半波電壓在整個(gè)周期內(nèi)的平均值，即負(fù)載上的直流電壓Usc =0.45e2，此處注意e2是變壓器二次端口的有效值，而不是最大值。如變壓器得到e2= ，e2取值為20 ）因此常用在高電壓、小電流的場(chǎng)合，而在一般無(wú)線電裝置中很少采用。

　　2.全波整流電路

　　如果把整流電路的結(jié)構(gòu)作一些調(diào)整，可以得到一種能充分利用電能的全波整流電路。圖5-3 是全波整流電路的電原理圖。

　　全波整流電路，可以看作是由兩個(gè)半波整流電路組合成的。變壓器次級(jí)線圈中間需要引出一個(gè)抽頭，把次組線圈分成兩個(gè)對(duì)稱(chēng)的繞組，從而引出大小相等但極性相反的兩個(gè)電壓e2a 、e2b ，構(gòu)成e2a 、D1、Rfz與e2b 、D2、Rfz ，兩個(gè)通電回路。

　　全波整流電路的工作原理，可用圖5-4 所示的波形圖說(shuō)明。在0～π間內(nèi)，e2a 對(duì)Dl為正向電壓，D1 導(dǎo)通，在Rfz 上得到上正下負(fù)的電壓；e2b 對(duì)D2為反向電壓，D2 不導(dǎo)通。在π-2π時(shí)間內(nèi)，e2b 對(duì)D2為正向電壓，D2導(dǎo)通，在Rfz 上得到的仍然是上正下負(fù)的電壓；e2a 對(duì)D1為反向電壓，D1 不導(dǎo)通。

　　帶平衡電抗器的雙反星型可控整流電路帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路是將整流變壓器的兩組二次繞組都接成星形，但兩組接到晶閘管的同名端相反；兩組二次繞組的中性點(diǎn)通過(guò)平衡電控器LB連接在一起。

　　3.橋式整流電路

　　橋式整流電路是使用最多的一種整流電路。這種電路，只要增加兩只二極管口連接成“橋”式結(jié)構(gòu)，便具有全波整流電路的優(yōu)點(diǎn)，而同時(shí)在一定程度上克服了它的缺點(diǎn)。

　　整流電路橋式整流電路的工作原理如下：e2為正半周時(shí)，對(duì)D1、D3和方向電壓，Dl，D3導(dǎo)通；對(duì)D2、D4加反向電壓，D2、D4截止。電路中構(gòu)成e2、Dl、Rfz 、D3通電回路，在Rfz ，上形成上正下負(fù)的半波整流電壓，e2為負(fù)半周時(shí)，對(duì)D2、D4加正向電壓，D2、D4導(dǎo)通；對(duì)D1、D3加反向電壓，D1、D3截止。電路中構(gòu)成e2、D2Rfz 、D4通電回路，同樣在Rfz 上形成上正下負(fù)的另外半波的整流電壓。

　　如此重復(fù)下去，結(jié)果在Rfz ，上便得到全波整流電壓。其波形圖和全波整流波形圖是一樣的。從圖5-6中還不難看出，橋式電路中每只二極管承受的反向電壓等于變壓器次級(jí)電壓的最大值，比全波整流電路小一半。

　　三相橋式全控電路TR為三相整流變壓器，其接線組別采用Y/Y-12。VT1~VT6為晶閘管元件，F(xiàn)U1~FU6為快速熔斷器。TS為三相同步變壓器，其接線組別采用△/Y-11。P端為集成化六脈沖觸發(fā)電路+24V電源輸出端，接脈沖變壓器一次繞組連接公共端。P1~P6端為集成化六脈沖觸發(fā)電路功放管V1~V6集電極輸出端，分別接脈沖變壓器一次繞組的另一端。UC端為移相控制電壓輸入端。

　　三相橋式半控電路三相橋式半控整流電路與三相橋式全控整流電路基本相同，僅將共陽(yáng)極組VT4，VT6，VT2的晶閘管元件換成了VD4，VD6，VD2整流二極管，以構(gòu)成三相橋式半控整流電路。

　　整流電路的分類(lèi)

　　1.單相整流電路

　　圖1a為單相半波可控整流電路。圖中ug為晶閘管的觸發(fā)脈沖，其工作過(guò)程如下：當(dāng)u2負(fù)半周時(shí)，晶閘管不導(dǎo)通。在u2正半周時(shí)，不加觸發(fā)脈沖之前，晶閘管也不導(dǎo)通，只有加觸發(fā)脈沖之后，晶閘管才導(dǎo)通，這時(shí)負(fù)載Rd上流過(guò)電流。在電流為零時(shí)刻，晶閘管自動(dòng)關(guān)斷，為下一次觸發(fā)導(dǎo)通作好準(zhǔn)備，如此循環(huán)往復(fù)，負(fù)載上得到脈動(dòng)的直流電壓ud。晶閘管從開(kāi)始承受正向電壓起到開(kāi)始導(dǎo)通這一角度稱(chēng)為控制

　　2.相控電路圖

　　角，以α表示。這樣，只要改變控制角α的大小，即改變觸發(fā)脈沖出現(xiàn)的時(shí)刻，就改變了直流輸出電壓的平均值。觸發(fā)脈沖總是在電源周期的同一特定時(shí)刻加到晶閘管的控制極上，所以，觸發(fā)脈沖和電源電壓在頻率和相位上要配合好，這種協(xié)調(diào)配合的關(guān)系稱(chēng)為同步。圖1b為單相橋式可控整流電路。它與單相半波可控整流電路相比，其變壓器利用系數(shù)較高，直流側(cè)脈動(dòng)的基波頻率為交流基波的二倍，故為小功率場(chǎng)合常用的整流電路之一。 這里，脈波數(shù)P的概念很重要。所謂脈波數(shù)就是在交流電源的一個(gè)周期之內(nèi)直流側(cè)輸出波形的重復(fù)次數(shù)。通常脈波數(shù)越多，直流側(cè)輸出越平滑，交流側(cè)電流越接近正弦波。為了增加脈波數(shù)，可以增加交流側(cè)相數(shù)，但是， 一般相數(shù)增加越多，各相的通電時(shí)間變得越短，這樣會(huì)使整流元件與整流變壓器副邊繞組的利用率變壞，使裝置體積變大，成本提高。圖1c為單相橋式半控整流電路，由于可控的晶閘管與不控的二極管混合組成，故稱(chēng)半控。F稱(chēng)續(xù)流二極管，若直流電壓變?yōu)樨?fù)值，它成為直流側(cè)環(huán)流的路徑，維持輸出電壓為零。

　　單相整流電路比較簡(jiǎn)單，對(duì)觸發(fā)電路的要求較低，相位同步問(wèn)題很簡(jiǎn)單，調(diào)整也比較容易。但它的輸出直流電壓的紋波系數(shù)較大。由于它接在電網(wǎng)的一相上，易造成電網(wǎng)負(fù)載不平衡，所以一般只用于4kW以下的中小容量的設(shè)備上。如果負(fù)載較大，一般都用三相電路。

　　3.三相整流電路

　　當(dāng)整流容量較大，要求直流電壓脈動(dòng)較小，對(duì)快速性有特殊要求的場(chǎng)合，應(yīng)考慮采用三相可控整流電路。這是因?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。圖2為三相橋式全控整流電路及其輸出電壓波形。在理想情況下，電路在任何時(shí)刻都必須有兩個(gè)晶閘管導(dǎo)通，一個(gè)是共陽(yáng)極組的，另一個(gè)是共陰級(jí)組的，只有它們同時(shí)導(dǎo)通才能形成導(dǎo)電回路。T1、T2、T3、T4、T5、T6的觸發(fā)脈沖互差60°。因此，電路每隔60°有一個(gè)晶閘管換流，導(dǎo)通次序?yàn)?→2→3→4→5→6，每個(gè)晶閘管導(dǎo)通120°。在整流電路合閘后，共陰極和共陽(yáng)級(jí)組各有一個(gè)晶閘管導(dǎo)通。因此，每個(gè)觸發(fā)脈沖的寬度應(yīng)大于60°、小于120°，或用兩個(gè)窄脈沖等效地代替大于60°的寬脈沖，即在向某一個(gè)晶閘管送出觸發(fā)脈沖的同時(shí)，向前一個(gè)元件補(bǔ)送一個(gè)脈沖，稱(chēng)雙脈沖觸發(fā)。整流輸出電壓波形如圖2 所示。當(dāng)T1、T6導(dǎo)通時(shí)，ud=uab；T1、T2導(dǎo)通時(shí)，ud=uac；同理，依次為ubc，uba，uca，ucb，均為線電壓的一部分，脈動(dòng)頻率為300Hz，晶閘管T1上的電壓uT1波形分為三段，在T1導(dǎo)電的120°中，uT1=0（僅管壓降）；當(dāng)T3導(dǎo)通，T1受反向電壓關(guān)斷，uT1=uab；T5導(dǎo)通時(shí)，T3關(guān)斷，uT1=uac。因此晶閘承受的最大正、反向電壓為線電壓的峰值。

　　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。

　　4.多相整流電路

　　隨著整流電路的功率進(jìn)一步增大（如軋鋼電動(dòng)機(jī)，功率達(dá)數(shù)兆瓦），為了減輕對(duì)電網(wǎng)的干擾，特別是減輕整流電路高次諧波對(duì)電網(wǎng)的影響，可采用十二相、十八相、二十四相，乃至三十六相的多相整流電

　　5.多相整流電路

　　路。圖3a為兩組三相橋串聯(lián)組成的十二相整流電路。為了獲得十二相波形，每個(gè)波頭應(yīng)該錯(cuò)開(kāi)30°。所以采用三繞組變壓器，次級(jí)的兩個(gè)繞組一個(gè)接成星形，另一個(gè)接成三角形，分別供給兩組三相橋。兩組整流橋串聯(lián)后再接到負(fù)載。由于兩組整流橋輸出的電壓的相位彼此差30°，因此在負(fù)載上得到十二脈波的整流電壓，合成電壓中最低次諧波頻率為600Hz，輸出電壓ud=ud1+ud2，電流id=id1=id2。圖3b是兩組三相橋并聯(lián)組成大電流的十二相整流電路。兩橋變壓器次級(jí)繞組電壓依次相差30°。若兩組橋的交流線電壓相等，各自的控制角也相等，則兩組橋的整流平均電壓也相等，只要極性相符合，就可以并聯(lián)運(yùn)行。但是兩組整流電壓的瞬時(shí)值是不等的，兩組電源間會(huì)出現(xiàn)交流環(huán)流。為了限止環(huán)流，延長(zhǎng)晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間，需要加入平衡電抗器，輸出電壓ud=（ud1+ud2）/2，電流id=id1+id2。

　　采用多相整流電路能改善功率因數(shù)，提高脈動(dòng)頻率，使變壓器初級(jí)電流的波形更接近正弦波，從而顯著減少諧波的影響。理論上，隨著相數(shù)的增加，可進(jìn)一步削弱諧波的影響。但這樣做增加了設(shè)備費(fèi)用，在技術(shù)上對(duì)精確地得到相同的控制角提出了較嚴(yán)格的要求。因而需對(duì)方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行全面分析，最后作出選擇。

　　6.選擇整流電路

　　選擇整流電路時(shí)，主要從電性能好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、對(duì)電網(wǎng)影響小等方面考慮，合理選用

　　pwm整流電路簡(jiǎn)介

　　PWM整流電路是采用PWM控制方式和全控型器件組成的整流電路，它能在不同程度上解決傳 統(tǒng)整流電路存在的問(wèn)題。把逆變電路中的SPWM控制技術(shù)用于整流電路，就形成了PWM整流電路。通過(guò)對(duì)PWM整流電路進(jìn)行控制，使其輸入電流非常接近正弦波，且和輸入電壓同相位，則功率因數(shù)近似為1。因此，PWM整流電路也稱(chēng)單位功率因數(shù)變流器。

　　單相全橋PWM整流電路

　　圖單相全橋PWM整流電路

　　圖給出了單相PWM整流電路的原理框圖。在UPS中，圖中的負(fù)載即為逆變器和蓄電池。同SPWM逆變電路控制輸出電壓相類(lèi)似，可在PWM整流電路的交流輸入端AB之間產(chǎn)生一個(gè)正弦波調(diào)制PWM波uAB，uAB中除了含有與電源同頻率的基波分量外，還含有與開(kāi)關(guān)頻率有關(guān)的高次諧波。由于電感Ls的濾波作用，這些高次諧波電壓只會(huì)使交流電流is產(chǎn)生很小的脈動(dòng)。如果忽略這種脈動(dòng)，is為頻率與電源頻率相同的正弦波。在交流電源電壓us一定時(shí)，is的幅值和相位由uAB中基波分量的幅值及其與us的相位差決定。改變uAB中基波分量的幅值和相位，就可以使is與us同相位。

　　單相全橋PWM整流電路的工作原理

　　圖6-29PWM整流電路的運(yùn)行方式向量圖

　　對(duì)單相全橋PWM整流電路工作原理的進(jìn)一步說(shuō)明

　　整流狀態(tài)下：

　　us》0時(shí)，（V2、VD4、VD1、Ls）和（V3、VD1、VD4、Ls）分別組成兩個(gè)升壓斬波電路，以（V2、VD4、VD1、Ls）為例。

　　V2通時(shí)，us通過(guò)V2、VD4向Ls儲(chǔ)能。

　　V2關(guān)斷時(shí)，Ls中的儲(chǔ)能通過(guò)VD1、VD4向C充電。

　　us《0時(shí)，（V1、VD3、VD2、Ls）和（V4、VD2、VD3、Ls）分別組成兩個(gè)升壓斬波電路。