【導讀】六期連載,整流電路AC/DC變換應用非常廣泛,其中二極管整流在電機驅動中是主流的方案,而且功率范圍很廣,所以了解二極管整流工程設計非常重要。
整流電路AC/DC變換應用非常廣泛,比DC/AC 逆變器功率范圍更廣,數(shù)量更多。為了降低諧波電流,有源PFC應用越來越廣泛,但二極管整流在電機驅動中還是主流的方案,而且功率范圍很廣,所以了解二極管整流工程設計非常重要。
整流電路是電力電子課程的基礎內容,占篇幅也很大,但是在書本上,工程上的重要基礎問題沒有細講或沒有涉及,尤其重要的整流電容濾波負載往往被忽略了,以至于使得整流電路設計在中小功率系統(tǒng)設計中也沒有得到足夠重視,直接影響系統(tǒng)成本和可靠性。而大功率整流,譬如新能源電解氫,整流知識是必不可少的。
第二講《二極管的損耗與波形系數(shù)》講了二極管和測量技術的基本概念,從第三講開始整流橋各種負載,包括電阻性負載,阻感性負載,帶反電勢的負載,電容濾波負載。最后以標準和測試波形講解針對非線性負載的逆變器設計策略。
單相整流電路的阻感性負載分析
純電阻性負載比較簡單,不再舉例了。阻感性負載還是比較常用,譬如直流電機負載,為了符合微信快速閱讀習慣,以單相電路為例分析其不連續(xù)電流模式和連續(xù)電流模式,給出一些電流波形。有需要可以讀一下阮新波老師的《電力電子技術》第二章,阮老師花了45頁篇幅非常系統(tǒng)講解了整流電路。
阻感性負載---連續(xù)電流模式
理想的連續(xù)模式負載是電流是帶一點紋波的方波,由于配電的電感(變壓器的漏感),方波電流的電流變化率沒有這么高,邊沿沒有這么陡。
當VT1和VT4在ɑ角度時觸發(fā)導通,ud電壓就等于u2減去兩個整流管的正向導通壓降,波形在整流管導通期間跟隨輸入電壓u2,分析中假設:ud=u2.
從ɑ角開始,電流id一直在上升,直到電阻上的電壓uR等于u2,圖中由于假設電感很大,負載電阻R很小,所以看上去電流波峰(id最大值)接近ud電壓過零處。當uR>u2,這時電感釋放能量,電流逐漸下降,一旦u2到下半周為負,但電流還是正的,這時對電網(wǎng)反饋能量。這一現(xiàn)象在不連續(xù)電流模式下看得更清楚。
如果是二極管整流,當輸入電壓過零時,電流就換向,如果是晶閘管換向就發(fā)生在ɑ角。換向時的電流 id(0),即上一半周的id(θ)。電感L越大,儲能多,負載電阻R越小,這時id(θ)也比較大,電流紋波不大。
所以整流管上的電流也是為方波。
整流管損耗為:
二極管電流平均值id是整流橋輸出的電流平均值的一半,有效值可以通過查表獲得整流電路的方波波形系數(shù)來獲得。這樣就可以方便計算二極管上的損耗了。
其實在這里,有效值電流也很容易理解,由于穩(wěn)態(tài)時,電感上的平均為零,因此Id只是由負載電阻決定。
交流輸入有效值電流:
整流管上的有效值電流:
由于穩(wěn)態(tài)時,電感上的平均為零,因此Id只是由負載電阻決定,同時電流是方波,有效值等于平均值等于峰值,問題就變得簡單了。
阻感性負載不連續(xù)電流模式
分析過電流連續(xù)模式再看電流不連續(xù)模式,它的特征很顯得明顯,換流過程以流水賬形式列在下面。
t1=ωt1:T1,T4導通,ud=u2,負載電流id從零開始上升,電網(wǎng)給電感和電阻供電,電感儲能;
uR=u2:電阻上電壓等于輸入電壓,電感電壓為零,電流id到達峰值;
uR>u2:電阻上電壓大于輸入電壓,電流id開始下降,電感釋放能量,這期間電阻的能量來自電網(wǎng)和電感;
π:u2過零,走向負半周,電感電流滯后于電壓,電流還是正的,這時,電感給電網(wǎng)反饋能量和給電阻供電
t2=ωt2:電感能量放完,電流id為零,T1,T4晶閘管截止
t3=ωt3:負半周開始
不連續(xù)電流模式電流非方波,波形系數(shù)需要通過仿真的辦法獲得。
帶反電勢的負載
這也是一種常見的整流器負載形式??丛韴D,想到這是最簡單的充電電路,負載可看成一個直流電壓源,對于整流電路,它們就是反電動勢負載。
帶反電動勢的整流電路,只有在輸入電壓高于反電動勢E時才有電流,負載電流是不連續(xù)的。
由于電流導通時間短,當回路中的電阻比較小的時候(這一類電路中電阻是損耗,往往很?。敵鐾瑯悠骄惦娏鲿r,電流的峰值和有效值都比較大,功率因數(shù)低,所以一般設計中需要有電抗器。這種特性負載,會在下兩個單元以應用及其廣泛的電容負載詳細講解。
下一講預告
《整流電容濾波負載原理》
摘要:本系列的核心內容,在交流供電的電源,家用電器,電機驅動器中,電容濾波這一非線性負載非常普遍,本講開始詳細講解整流電容濾波的分析方法、計算方法和實例。
來源:英飛凌工業(yè)半導體,作者:陳子穎
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