【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 412uG5u2ugOOttiLtuLiO? 圖 27 單相半控橋感性負(fù)載電路的工作波形圖 在 2u過 ? 進(jìn)入負(fù)半周時(shí)，V 3承受正向電壓而導(dǎo)通， V4承受反向電壓而截止。如果電路中沒有接入二極管 V5，那么由于電感 L 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的作用，V 1仍將維持導(dǎo)通狀態(tài)，負(fù)載電流 oi經(jīng) V1和 V3繼續(xù)流通（續(xù)流），形成一個(gè)不經(jīng)過變壓器二次繞組的自然續(xù)流回路，此時(shí)電感釋放能量，如果是大電感負(fù)載，儲(chǔ)能很多，晶閘管 V1將維持導(dǎo)通到 2u進(jìn)入下一個(gè)周期的正半周，V 4承受正向電壓而導(dǎo)通，V 3承受反向電壓而截止。電流又流經(jīng)VL、R、V 4，電感儲(chǔ)能，如此不斷循環(huán)下去，進(jìn)而導(dǎo)致處于直通狀態(tài)的晶閘管因過熱而損壞。這種不需要外部觸發(fā)脈沖，出現(xiàn)的一個(gè)晶閘管直通，另兩個(gè)整流二極管輪流導(dǎo)通 180?的異常工作狀態(tài)稱為失控現(xiàn)象。為避免失控現(xiàn)象，在負(fù)載兩端并聯(lián)一個(gè)續(xù)流二極管 V5，這樣在 2u過 ? 進(jìn)入負(fù)半周時(shí)，在電感感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)作用下，續(xù)流二極管承受正壓導(dǎo)通，負(fù)載電流 oi經(jīng)過 V5流通，電感釋放能量，V 5上的壓降不足以使 V1維持導(dǎo)通而令 V1阻斷。如忽略 V5的壓降，在續(xù)流期間負(fù)載上的整流輸出電壓 0o?u，這一續(xù)流過程一直持續(xù)到 2負(fù)半周期間觸發(fā) V2導(dǎo)通時(shí)為止。當(dāng)在 2u的負(fù)半周 ωt =π+α 時(shí)， Gu觸發(fā) V2導(dǎo)通，電流流經(jīng) VL、R、V 3，負(fù)載上得到與正半周相同波形的整流輸出電壓 o?。這時(shí) V1和 V4因承受反向電壓而處于阻斷狀態(tài)。當(dāng) 2過 2? 進(jìn)入正半周時(shí)，負(fù)載電流又經(jīng) V5形成續(xù)流，V 2恢復(fù)阻斷狀態(tài)。當(dāng)ωt=α 時(shí)，又觸發(fā) V1導(dǎo)通，如此不斷循環(huán)下去。晶閘管和整流二極管的導(dǎo)通角為 ?????，電路的工作波形如圖 27 所示參照電路工作波形圖，可計(jì)算出如下數(shù)量關(guān)系：輸出電壓平均值 O(AV)U)ωd( sin2πα O(AV) ??????UU (225)晶閘管與整流二極管電流的平均值 (AV)I、 ()I與有效值 1VI、 2Oπα O(AV)21()V παt)(1II ??? (226)πα 221t)ωd(III? (227)續(xù)流二極管電流的平均值 5(AV)與有效值 5VOα0 O(AV)5πt)d(2πIII? (228)α0 5t)ω(III?? (229)變壓器二次繞組的有效值 2OOπα 22 παt)d(][1III ???? (2210)單相橋式全控整流電路1）、帶電阻負(fù)載的工作情況單相橋式全控整流電路帶電阻性負(fù)載時(shí)的電路及工作波形如圖 28 所示。晶閘管VT1 和 VT4 為一組橋臂，而 VT2 和 VT3 組成了另一組橋臂。在交流電源的正半周區(qū)間內(nèi)，即 a 端為正，b 端為負(fù)，晶閘管 VT1 和 VT4 會(huì)導(dǎo)通。此時(shí)，電流 id從電源 a 端經(jīng) VT負(fù)載 Rd 及 VT4 回電源 b 端，負(fù)載上得到的電壓 ud 為電源電壓 u2（忽略了 VT1 和 VT4 的導(dǎo)通壓降），方向?yàn)樯险仑?fù)，VT2 和 VT3 則因?yàn)?VT1 和 VT4 的導(dǎo)通而承受反向的電源電壓 u2 不會(huì)導(dǎo)通。因?yàn)槭请娮栊载?fù)載，所以電流 id 也跟隨電壓的變化而變化。當(dāng)電源電壓 u2 過零時(shí)，電流 id 也降低為零，也即兩只晶閘管的陽極電流降低為零，故 VT1 和VT4 會(huì)因電流小于維持電流而關(guān)斷。而在交流電源的負(fù)半周區(qū)間內(nèi)，即 a 端為負(fù)，b 端為正，晶閘管 VT2 和 VT3 是承受正向電壓的，仍在相當(dāng)于控制角 a 的時(shí)刻給 VT2 和 VT3同時(shí)加觸發(fā)脈沖，則 VT2 和 VT3 被觸發(fā)導(dǎo)通。電流 id 從電源 b 端經(jīng) VT負(fù)載 Rd 及VT3 回電源 a 端，負(fù)載上得到的電壓 ud 仍為電源電壓 u2，方向也還為上正下負(fù)，與正半周一致，此時(shí)，VT1 和 VT4 因?yàn)?VT2 和 VT3 的導(dǎo)通承受反向的電源電壓 u2 而處于截止?fàn)顟B(tài)。直到電源電壓負(fù)半周結(jié)束，電壓 u2 過零時(shí)，電流 id 也過零，使得 VT2 和 VT3 關(guān)斷。下一周期重復(fù)上述過程。圖 28 單相橋式全控整流電阻性負(fù)載(a) 電路圖 （b） 波形圖由圖 28（b）可以看出，負(fù)載上得到的直流輸出電壓 ud 的波形與半波時(shí)相比多了一倍，負(fù)載電流 id 的波形與電壓 ud 波形相似。由晶閘管所承受的電壓 ut 可以看出，其導(dǎo)通角為 ，除在晶閘管導(dǎo)通期間不受電壓外，當(dāng)一組管子導(dǎo)通時(shí)，電源電壓 u2 將全部加在未導(dǎo)通的晶閘管上，而在四只管子都不導(dǎo)通時(shí)，設(shè)其漏電阻都相同的話，則每只管子將承受電源電壓的一半。單相全控橋式整流電路帶電阻性負(fù)載電路參數(shù)的計(jì)算：輸出電壓平均值的計(jì)算公式2）、 電感性負(fù)載圖 29 單相橋式全控整流電感性負(fù)載(a) 電路圖 （b） 波形圖圖 29（a）單相橋式全控整流電路帶電感性負(fù)載時(shí)的電路。假設(shè)電感很大，輸出電流連續(xù)，且電路已處于穩(wěn)態(tài)。在電源 u2 正半周時(shí)，在相當(dāng)于 角的時(shí)刻給 VT1 和 VT4 同時(shí)加觸發(fā)脈沖，則 VT1和 VT4 會(huì)導(dǎo)通，輸出電壓仍為 至電源 過零變負(fù)時(shí)，由于電感產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢(shì)會(huì)使 VT1 和 VT4 繼續(xù)導(dǎo)通，而輸出電壓仍為 ，所以出現(xiàn)了負(fù)電壓的輸出。此時(shí)，晶閘管 VT2 和 VT3 雖然已承受正向電壓，但還沒有觸發(fā)脈沖，所以不會(huì)導(dǎo)通。直到在負(fù)半周相當(dāng)于 角的時(shí)刻，給 VT2 和 VT3 同時(shí)加觸發(fā)脈沖，則因 VT2 的陽極電位比 VT1 高，VT3 的陰極電位比 VT4 的低，故 VT2 和 VT3 被觸發(fā)導(dǎo)通，分別替換了 VT1 和 VT4，而 VT1和 VT4 將由于 VT2 和 VT3 的導(dǎo)通承受反壓而關(guān)斷，負(fù)載電流也改為經(jīng)過 VT2 和 VT3 了。根據(jù)上面分析可以看出，單相橋式全控整流電路屬全波整流，負(fù)載在兩個(gè)半波都有電流通過、輸出電壓脈動(dòng)程度比半波時(shí)小、變壓器利用率高、且不存在直流磁化問題；但需要同時(shí)觸發(fā)兩只晶閘管，線路較復(fù)雜。在一般中小容量場(chǎng)合中應(yīng)用較多。 鑒于消毒滅菌設(shè)備應(yīng)用廣泛，既可以用于工業(yè)、醫(yī)療機(jī)構(gòu)、餐飲業(yè)等地的消毒滅菌，也可用與普通家庭。因此選擇單相電源會(huì)更加合適。單相相控整流電路可分為單相半波、單相全波和單相橋式相控流電路，它們所連接的負(fù)載性質(zhì)不同就會(huì)有不同的特點(diǎn)。下面分析各種單相相控整流電路在帶電阻性負(fù)載、電感性負(fù)載和反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載時(shí)的工作情況。 單相半控整流電路的優(yōu)點(diǎn)是：線路簡(jiǎn)單、調(diào)整方便。弱點(diǎn)是：輸出電壓脈動(dòng)沖大，負(fù)載電流脈沖大（電阻性負(fù)載時(shí)），且整流變壓器二次繞組中存在直流分量,使鐵心磁化，變壓器不能充分利用。而單相全控式整流電路具有輸出電流脈動(dòng)小，功率因數(shù)高，變壓器二次電流為兩個(gè)等大反向的半波，沒有直流磁化問題，變壓器利用率高的優(yōu)點(diǎn)。 單相全控式整流電路其輸出平均電壓是半波整流電路 倍，在相同的負(fù)載下流過晶閘管的平均電流減小三分之一；且功率因數(shù)提高了一半。 根據(jù)以上的比較分析因此選擇的方案為單相全控橋式整流電路（負(fù)載為阻感性負(fù)載）。 濾波電路的論證及設(shè)計(jì) 濾波的基本概念 濾波電路利用電抗性元件對(duì)交、直流阻抗的不同，實(shí)現(xiàn)濾波。電容器 C 對(duì)直流開路，對(duì)交流阻抗小，所以 C 應(yīng)該并聯(lián)在負(fù)載兩端。電感器 L 對(duì)直流阻抗小，對(duì)交流阻抗大，因此 L 應(yīng)與負(fù)載串聯(lián)。經(jīng)過濾波電路后，既可保留直流分量，又可濾掉一部分交流分量，改變了交直流成分的比例，減小了電路的脈動(dòng)系數(shù)，改善了直流電壓的質(zhì)量。 電容濾波電路 現(xiàn)以單相橋式整流電容濾波電路為例來說明。電容濾波電路如圖 29 所示，在負(fù)載電阻上并聯(lián)了一個(gè)濾波電容 C。圖 29 電容濾波電路 1）、濾波原理 若 v2處于正半周，二極管 DD 3導(dǎo)通，變壓器次端電壓 v2給電容器 C 充電。此時(shí)C 相當(dāng)于并聯(lián)在 v2上，所以輸出波形同 v2 ，是正弦波。當(dāng) v2到達(dá) ?t=?/2 時(shí)，開始下降。先假設(shè)二極管關(guān)斷，電容 C 就要以指數(shù)規(guī)律向負(fù)載 Ｒ L放電。指數(shù)放電起始點(diǎn)的放電速率很大。在剛過 ?t=?/2 時(shí)，正弦曲線下降的速率很慢。所以剛過 ?t=?/2 時(shí)二極管仍然導(dǎo)通。在超過 ?t=?/2 后的某個(gè)點(diǎn)，正弦曲線下降的速率越來越快，當(dāng)剛超過指數(shù)曲線起始放電速率時(shí)，二極管關(guān)斷。所以在 t2到 t3時(shí)刻，二極管導(dǎo)電， Ｃ 充電， Vi=Vo按正弦規(guī)律變化； t1到 t2時(shí)刻二極管關(guān)斷， Vi=Vo按指數(shù)曲線下降，放電時(shí)間常數(shù)為 RLC。電容濾波過程見圖 210。 圖 210 電容濾波電路波形需要指出的是，當(dāng)放電時(shí)間常數(shù) RLC 增加時(shí)， t1點(diǎn)要右移， t2點(diǎn)要左移，二極管關(guān)斷時(shí)間加長(zhǎng)，導(dǎo)通角減??；反之， RLC 減少時(shí)，導(dǎo)通角增加。顯然。當(dāng) Ｒ L很小，即 IL很大時(shí)，電容濾波的效果不好，見圖 211 濾波曲線中的 2。反之，當(dāng) Ｒ L很大，即 IL很小時(shí)，盡管 C 較小, RLC 仍很大,電容濾波的效果也很好，見濾波曲線中的 3。所以電容濾波適合輸出電流較小的場(chǎng)合。 圖 211 電容濾波的效果 2）、電容濾波電路參數(shù)的計(jì)算 電容濾波電路的計(jì)算比較麻煩，因?yàn)闆Q定輸出電壓的因素較多。工程上有詳細(xì)的曲線可供查閱，一般常采用以下近似估算法：一種是用鋸齒波近似表示，即 另一種是在 RLC=（3?5） 的條件下，近似認(rèn)為 VO=。 3）、外特性 整流濾波電路中，輸出直流電壓 VO隨負(fù)載電流 IO的變化關(guān)系曲線如圖 212 所示。 圖 212 電容濾波外特性曲線名 稱 VO(空載) VO(帶載) 二極管反向最大 電壓 每管平均電流半波整流 IO全波整流、電容濾波 * 橋式整流、電容濾波 * 橋式整流、電感濾波 *使用條件： 電感濾波電路在大電流的情況下，由于負(fù)載電阻 RL 很小。若采用電容濾波電路，則電容容量勢(shì)必很大，而且整流二極管的沖擊電流也非常大，在此情況下應(yīng)采用電感濾波。如圖 213 所示，由于電感線圈的電感量要足夠大，所以一般需要采用有鐵心的線圈。濾波電路工作原理 當(dāng)流過電感的電流變化時(shí)，電感線圈中產(chǎn)生的感生電動(dòng)勢(shì)將阻止電流的變化。當(dāng)通過電感線圈的電流增大時(shí)，電感線圈產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢(shì)與電流方向相反，阻止電流的增加，同時(shí)將一部分電能轉(zhuǎn)化成磁場(chǎng)能存儲(chǔ)于電感之中；當(dāng)通過電感線圈的電流減小時(shí)，自感電動(dòng)勢(shì)與電流方向相同，阻止電流的減小，同時(shí)釋放出存儲(chǔ)的能量，以補(bǔ)償電流的減小。因此經(jīng)電感濾波后，不但負(fù)載電流及電壓的脈動(dòng)減小，波形變得平滑，而且整流二極管的導(dǎo)通角增大。 在電感線圈不變的情況下，負(fù)載電阻愈小，輸出電壓的交流分量愈小。只有在RLωL 時(shí)才能獲得較好的濾波效果。L 愈大，濾波效果愈好。 另外，由于濾波電感電動(dòng)勢(shì)的作用，可以使二極管的導(dǎo)通角接近 π，減小了二極管的沖擊電流，平滑了流過二極管的電流，從而延長(zhǎng)了整流二極管的壽命。 濾波電路的選擇電容濾波電路有一下的優(yōu)點(diǎn)：其適用于小電流負(fù)載；電容濾波電路的外特性比較軟；且電路簡(jiǎn)單、體積小、成本低。但其缺點(diǎn)是采用它時(shí)，整流二極管中將流過較大的沖擊電流。電感濾波的優(yōu)點(diǎn)有：整流二極管的導(dǎo)電角大，峰值電流小，輸出特性較平坦。但其缺點(diǎn)是：存在鐵心，笨重、體積大，易引起電磁干擾，一般只適應(yīng)于低電壓、大電流的圖 213 單相橋式整流電路感濾波電路場(chǎng)合。綜上所述，可知電容濾波器適用于大電壓小電流負(fù)載，而電感濾波器適用于大電流低電壓負(fù)載。本設(shè)計(jì)中電源是要產(chǎn)生高頻高壓電源，因而易使用電容濾波。 DC/AC 逆變電路開關(guān)電源中的一個(gè)重要的能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)是把工頻整流后得到的直流電由電子開關(guān)變換成負(fù)載需要的交流電。實(shí)現(xiàn)這種變換可以有不同的電路結(jié)構(gòu)。逆變器是將直流電變換成交流電的變換器直流變成交流的逆變過程可分為有源逆變和無源逆變。逆變器輸出接到交流電網(wǎng)的逆變稱為有源逆變；逆變器的輸出直接接到交流負(fù)載的逆變稱為無源逆變。本設(shè)計(jì)中所要用到的是無源逆變。 逆變電路的論證及設(shè)計(jì)電源根據(jù)直流電源的性質(zhì)不同，可以分為電流型、電壓型逆變電路。電壓型逆變電路（電路圖如圖 214 所示） 電壓型逆變電路的基本特點(diǎn):1）直流側(cè)并聯(lián)大電容，直流電壓基本無脈動(dòng)。2) 輸出電壓為矩形波，電流波形與負(fù)載有關(guān)。3） 電感性負(fù)載時(shí)，需要提供無功功率。為了有無功功率通道，逆變橋臂需要并聯(lián)二極管。電流型逆變電路（電路圖如圖 215 所示）圖 214 電壓型逆變電路原理圖電流型逆變電路的主要特點(diǎn)是:1）直流側(cè)串聯(lián)有大電感，相當(dāng)于電流源。直流側(cè)電流基本無脈動(dòng)，直流回路呈現(xiàn)高阻抗。2）電路中開關(guān)器件的作用僅是改變直流電流的流通路徑，因此交流側(cè)輸出電流為矩形波，并且與負(fù)載阻抗角無關(guān)。而交流側(cè)輸出電壓波形和相位則因負(fù)載阻抗情況的不同而不同。3）當(dāng)交流側(cè)為阻感負(fù)載時(shí)需要提供無功功率，直流測(cè)電惑起緩沖無功能量的作用。因?yàn)榉答仧o功能量時(shí)直流電流并不反向，因此不必像電壓型逆變電路那樣要給開關(guān)器件反并聯(lián)二極管。從上述可得出直流邊電壓無脈動(dòng)能輸出穩(wěn)定矩形波的電壓型逆變電路更適合本設(shè)計(jì)的需求。 電壓型逆變電路的原理如圖 216 所示，電壓型逆變電路的特點(diǎn)有：共四個(gè)橋臂，可看成兩個(gè)半橋電路組合而成。兩對(duì)橋