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LED全波整流電路設(shè)計(jì),整流電路移相如何確定?

發(fā)布時(shí)間:2017-05-24 責(zé)任編輯:susan

【導(dǎo)讀】整流電路控制角移相要如何確定下來?一言以蔽之,整流電路控制角的范圍取決于整流電路直流輸出電壓平均值時(shí)所得的控制角。


 
基本概念:
 
觸發(fā)延遲角(控制角)——從晶閘管開始承受正向陽極電壓起到施加觸發(fā)脈沖止所對(duì)應(yīng)的電角度,用:
 
表示,稱觸發(fā)角或控制角。
 
整流電路的分類:
 
按組成的器件可分為不可控、半控、全控三種;
 
按電路結(jié)構(gòu)可分為橋式電路和零式電路;
 
按交流輸入相數(shù)分為單相電路和多相電路;
 
變壓器二次側(cè)電流的方向是單向或雙向,又分為單拍電路和雙拍電路。
 
下面主要以單相橋式全控整流電路(Single Phase Bridge Controlled RecTIfier)為例進(jìn)行分析。
 
1.單相橋式全控整流電路帶阻性負(fù)載
 
單相全控橋式帶電阻負(fù)載時(shí)的波形單相全控橋式帶電阻負(fù)載時(shí)的波形
 


 
令其為0,則有
 
 
,即單相全控橋式整流電路帶電阻負(fù)載時(shí)的控制角移相范圍為180°。
 
2.單相橋式全控整流電路帶感性負(fù)載
 
單相全控橋式帶感性負(fù)載時(shí)的波形 單相全控橋式帶感性負(fù)載時(shí)的波形
 
 
令其為0,則有
 
 
,即單相全控橋式整流電路帶感性負(fù)載時(shí)的控制角移相范圍為90°。其他的,像三相橋式全控整流電路帶不同負(fù)載的情況同理。如,三相橋式全控整流電路帶電阻負(fù)載時(shí),則有其控制角的移相范圍是120°。
 
LED全波整流電路的設(shè)計(jì):
 
該電路的優(yōu)點(diǎn)是:電路簡(jiǎn)單、成本低。缺點(diǎn)是:體積大、電壓驅(qū)動(dòng)模式,LED亮度會(huì)隨著供應(yīng)電壓的變化而有所改變;無法提供恒流輸出;突波電流較大。這種LED驅(qū)動(dòng)電源的電路結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單,只需要一個(gè)低頻變壓器、整流器、濾波電容,以及一個(gè)用于調(diào)整亮度的可變電阻。串聯(lián)LED的數(shù)目主要由變壓器的匝數(shù)比所決定。一旦選用變壓器的匝數(shù)比固定之后,若要得到一樣的亮度9就很不容易再改變LED的數(shù)目。
 
 
什么是相控整流?
 
采用相位控制方式以實(shí)現(xiàn)負(fù)載端直流電能控制的可控整流電路。可控是因?yàn)檎髟褂镁哂锌刂乒δ艿木чl管。在這種電路中,只要適當(dāng)控制晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通瞬間的相位角,就能夠控制直流負(fù)載電壓的平均值。故稱為相控。
 
分類,相控整流電路分為單相、三相、多相整流電路3種。
 
 
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。晶閘管從開始承受正向電壓起到開始導(dǎo)通這一角度稱為控制角,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,故稱半控。F稱續(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。
 
 
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。
 
 
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。
 
主要特性,相控整流電路具有以下幾個(gè)主要特性。
 
①輸出直流平均電壓Ud,在脈波數(shù)為P的整流電路中一般有
 
Ud=Uda-kXId
 
式中Ud為考慮了負(fù)載電流引起的電壓降時(shí)的直流電壓,k是與電路有關(guān)的常數(shù),X是換相電抗,Id為直流平均電流。由式(1)可見,電壓降主要由交流側(cè)電抗引起,由換相重疊現(xiàn)象引起的電壓降與換相結(jié)束時(shí)的直流側(cè)電流成正比。從直流側(cè)看,交流側(cè)電抗起著一個(gè)等效電阻的作用。
 
Uda=Ud0cosα
 
式中Uda為相位控制時(shí)的空載電壓,α為控制角。
 
式中Ud0為空載無相位控制時(shí)電壓;U2為交流電壓有效值,在P相半波整流電路中為相電壓,在P/2相橋式整流電路中為線電壓。當(dāng)控制角為α 時(shí),式(2)適用于全控橋式電路,式(3)適用于半控橋式電路。
 
②整流變壓器容量和整流功率Pd的關(guān)系:變壓器平均計(jì)算容量S為
 
S=(S1+S2)/2
 
式中S1為初級(jí)容量,S1=m1U1I1;S2為次級(jí)容量,S2=m2U2I2;m1、m2分別為變壓器初、次級(jí)繞組相數(shù)。帶有大電感負(fù)載的三相半波電路如圖4所示。
 
 
由圖可見,變壓器次級(jí)繞組電流i2可以分解成直流分量i2=和交流分量i。由于直流分量i2≈只能產(chǎn)生直流磁通勢(shì),所以它無法影響初級(jí)電流作相應(yīng)變化。而交流分量 i將通過變壓器的磁耦合反映到初級(jí)電流中去。這樣,初、次級(jí)電流有效值分別為I1=Id/3、I2=Id/。在α=0°和不考慮電網(wǎng)電壓波動(dòng)等情況下,得S2=1.48Pd、S1=1.21Pd、S=1.345Pd, 其中Pd為整流功率。在三相橋式電路中,次級(jí)無直流分量電流,所以初、次級(jí)電流是波形相同的交流電,故S=1.05Pd,可見橋式接線時(shí)變壓器利用率提高。
 
③重疊導(dǎo)電現(xiàn)象和電壓降:圖5所示為變壓器漏抗存在時(shí)對(duì)整流電路波形的影響。當(dāng)T1處于導(dǎo)通狀態(tài),給直流側(cè)提供電流Id時(shí),觸發(fā)T2,若ud<ub,則T2變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)。但由于交流側(cè)存在漏感,T2中的電流并不立即變?yōu)镮d,T1中的電流也不立即降為零,因此出現(xiàn)T1和T2同時(shí)導(dǎo)通的狀態(tài),這種狀態(tài)稱為換相重疊現(xiàn)象,這段時(shí)間以相角計(jì)算,稱換相重疊角,用u表示。在重疊期中,輸出電壓為(ud+ub)/2,與不考慮漏抗時(shí)相比,輸出電壓降低了(ub-ud)/2。重疊期內(nèi)直流電流一定的話,則T1、T2回路中流過環(huán)流i,這時(shí)α相電流id=Id-i將逐漸減小,而b相電流ib=i,當(dāng)ib增加到Id時(shí),id就等于零,這樣就完成了換相過程。關(guān)于電流i,2&TImes;di/dθ=ub-ud式成立,由于在控制角α處i=0,在(α+u)處i=Id,故有2&TImes;Id=(ub-ud)·u。因此,交流電流在一周期內(nèi)換相一次引起的平均輸出電壓降為dx=XId/2π。重疊角u隨α不同而不同,但電壓降是與α無關(guān)的常數(shù)。在三相橋式電路中,由于一周內(nèi)換相6次,換相壓降nx=6XId/2π,式中X是每相的電抗。
 
 
④整流電路的功率因數(shù)及諧波:功率因數(shù)λ=P/S=μ·cosφ,μ稱畸變因數(shù),表征電流對(duì)正弦波的偏離度;cosφ稱位移因數(shù);φ為電壓和基波電流間的相位移。在不控整流電路中,當(dāng)重疊角很小時(shí),交流側(cè)基波電流與電壓相位相同,即cosφ=1。所以,功率因數(shù)可由圖6中的電流波形計(jì)算求得,其值分別為單相橋式電路是2/π≈0.900,三相橋式電路是3/π≈0.955,在P=12的電路中為0.989,故對(duì)于12脈波以上的電路,實(shí)際上可以認(rèn)為功率因數(shù)近似于1。采用晶閘管相位控制時(shí),由于交流電流波形形狀不變,只是相位延遲了一個(gè)控制角α,所以可控整流電路的功率因數(shù)λ=μ·cosα,此時(shí)φ=α,即為不可控整流電路的功率因數(shù)乘以位移因數(shù)cosα,考慮重疊角時(shí)的功率因數(shù),由于存在重疊角u,除電流相位延遲外,電流波形也由近似的方波變?yōu)榻频奶菪尾ǎ溆行е狄灿兴淖?,因而功率因?shù)的計(jì)算趨于復(fù)雜。近似地可以只考慮相位延遲的影響。如三相橋式電路的控制角為α,重疊角為u,則功率因數(shù)為0.955·cos(α+u/2)。在整流電路產(chǎn)生的諧波中,若控制保持對(duì)稱的話,則僅有特定次數(shù)的諧波從交流電源側(cè)流出。在三相P脈波整流電路中僅產(chǎn)生nP±1次諧波(n=1,2,…)。
 
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。
 
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