不受控制的校正器是什么原理

不受控制的校正器是動力電子中最簡單的AC-DC轉(zhuǎn)換電路之一。 這些電路被稱為“不受控制的 ” , 因為它們使用無節(jié)制的電動電子設(shè)備, 如二極管。 在不受控制的校正器中, AC 到DC 是通過二極管轉(zhuǎn)換的, 它們是被動的電子設(shè)備, 允許電流只流向一個方向。

單相半波和全波整變器是最直接的無控制的整變器類型,通常用于低功率應(yīng)用,效率不是重大關(guān)切問題,而三相半波和全波整變器則用于可獲取三相空調(diào)功率的高功率應(yīng)用,中央調(diào)壓器、電壓復(fù)變器、電壓復(fù)變器和其他無控制的整變器等也在各種應(yīng)用中使用,過濾是不受控制的整變器中的一個關(guān)鍵因素,因為這些電路的輸出通常具有相當(dāng)數(shù)量的AC波紋。使用電容器和導(dǎo)管等過濾器有助于減輕AC波紋,并提供更穩(wěn)定的DC電壓輸出。雖然無控制的整變器的效率比更復(fù)雜、更受控制的整變器要低,但由于其簡單和可靠,它們?nèi)匀皇窃S多有控制的電子功力系統(tǒng)不可或缺的組成部分。

三相二極管整流器的主要電路表層由三個二極管組成,與變壓器二次繞線的三個階段的每一個階段相連。二極管通常在不受控制的橋接安排下配置,并與電壓源的三個階段相連接。二極管對輸入的 AC 電壓進(jìn)行校正,結(jié)果產(chǎn)生DC 電壓。

電路以二極管的特性為基礎(chǔ)運行,二極管是半導(dǎo)體電子裝置,它只允許流向一個方向。當(dāng)二極管的前向偏斜時,當(dāng)其陽極的電壓大于對陰極的電壓時,電路起低阻力作用,使流能通過它。相反,當(dāng)二極管的反向偏向時,即其陰極的電壓大于對陽極的電壓,它起到高度阻力的作用,防止水流流動。二極管的這一特性對整形電路的運作至關(guān)重要。

Single-Phase Half-Wave Rectifiers

單相半波整流器是設(shè)計上簡單的基本不受控制的整流器。 此電路由單二極管和一個連成一個AC源的負(fù)負(fù)阻力器組成。 在AC電壓正半循環(huán)期間,二極管是前向偏移的,進(jìn)行流流動,但負(fù)半循環(huán)期間,二極管變成反向偏移的,沒有流經(jīng)負(fù)負(fù)阻力器。 因此, 橫穿負(fù)載阻力器的輸出壓強(qiáng)正在壓動DC, 輸入的AC的波形只有一半得到利用 。

單階段半波校正裝置與一些缺點有關(guān),其中包括低效率,通常約為40%,這是因為在AC電壓的負(fù)半周期期間,當(dāng)二極管不運行時,一半的輸入功率喪失,此外,校正裝置產(chǎn)生的輸出功率顯示高波紋電壓,這可能對電子設(shè)備構(gòu)成挑戰(zhàn)。

Figure 2: Digression: The efficiency of a half-wave diode rectifier

假設(shè)抵抗者R對面的峰頂電壓是Vmax.

DC平均電壓計算如下:

因此:

AC 電路中的rms 電流以這種方式計算:

輸入的 AC 功率和輸出 DC 功率等于 :

此處:

RS- 變壓器二級刮風(fēng)阻力

rD- 裝載二極管阻力

R - 抗負(fù)負(fù)載

半波校正器的效率定義為負(fù)載與輸入AC電源的DC功率比率:

$$eta = frac{P_{dc}}{P_{ac}} = frac{I_{dc}^{2} cdot R}{I_{rms}^{2} cdot (R_s + r_D + R)} approx frac{I_{dc}^{2} cdot R}{I_{rms}^{2} cdot R} = left(frac{I_{max}}{pi}right)^{2} left(frac{2}{I_{max}}right)^{2} = frac{4}{pi^{2}} = 40.53%$$

盡管效率低,波紋電壓高,但單階段半波整流器在小型電力供應(yīng)或電路中有一些應(yīng)用,在這些電路中,低成本至關(guān)重要,產(chǎn)出波紋電壓可以容忍。

Three-Phase Half-Wave Rectifiers

三階段半波校正裝置用于電力電子應(yīng)用,需要將三階段空調(diào)功率轉(zhuǎn)換為DC功率,比單階段功率要高,因為使用了AC功率的所有三個階段,但DC電壓的輸出仍經(jīng)歷電壓,需要額外過濾,以實現(xiàn)穩(wěn)定的DC電壓。

三階段半波校正裝置的優(yōu)點是簡單,因為它只需要三個二極管,但其輸出電壓低于其他類型的校正裝置,因為三個階段中只有一個階段是一次使用的。

Figure 3: Half-Wave Three-Phase Diode Rectifier

讓我們假設(shè)第五階段的電壓A0°開始于0°。 在0°與30°之間的時間間隔期間,二元D的電壓3陰極最高者(V)C> 五A> 五B因此,二元D3和二極管D1和D2在此之后,在30°至150°的30°至150°之間的時間間隔內(nèi),二極管D的電壓1陽極最高(30°-90°:V)A> 五C> 五B; 90°-150°:VA> 五B> 五C因此,二元D1和二極管D2和D3下圖描述了(負(fù)載的)整流器輸出的電壓波形。

Figure 4: Output Voltage Waveform of Half-Wave Three-Phase Diode Rectifier

如果我們指定峰頂輸入電壓為VP,輸出電壓波形的平均值為:

這可以限制其應(yīng)用,特別是在需要高DC電壓的情況下,三階段半波整流還造成輸入流高度的調(diào)音扭曲,這可能造成諸如電力傳輸和分配系統(tǒng)損失增加以及電磁干擾增加等問題。

三階段半波校正裝置雖然產(chǎn)出電壓較低,但能帶來一些好處,例如由于只使用了三個二極管而簡單和成本較低,然而,其輸入流中高度的調(diào)和扭曲可能導(dǎo)致諸如傳輸和分配系統(tǒng)斷電和電磁干擾等問題,因此,在設(shè)計動力電子系統(tǒng)時,必須考慮不同整化型的利弊之間的權(quán)衡。

Three-Phase Full-Wave Rectifiers

圖5顯示了一個無管制的三相二極管整形電路,它使用由六個二極管組成的全波橋配置,電路輸入與三相電源連接,而輸出與DC載荷連接,電路的功能說明如下。

Figure 5: Uncontrolled Full-Wave Three-Phase Diode Rectifier

讓我們假設(shè)A階段的電壓從0°開始(見下圖)。

Figure 6: Output Voltage Waveform of Full-Wave Three-Phase Diode Rectifier

所以,負(fù)載電壓等于: V負(fù)載=五C- 五級B

所以,負(fù)載電壓等于: V負(fù)載=五A- 五級B

時間從0°到30°
VC> 五A> 五BD 5和D4正在
下層D1FOF (電壓電極五)A低于陰極電壓五C)
下層D2FOF (電壓電極五)B低于陰極電壓五A)
下層D3FOF (電壓電極五)B低于陰極電壓五C)
下層D6FOF (電壓電極五)B低于陰極電壓五C)

2) 30°至90°的時段
VA> 五C> 五BD 1和D4正在
下層D2FOF (電壓電極五)B低于陰極電壓五A)
下層D3FOF (電壓電極五)B低于陰極電壓五A)
下層D5FOF (電壓電極五)C低于陰極電壓五A)
下層D6FOF (電壓電極五)B低于陰極電壓五C)

以上圖中描述了(負(fù)載)整流器輸出的電壓波形。

Other Single-Phase Rectifier Types

在有動力的電子系統(tǒng)中,使用了各種不受控制的校正裝置,其中之一是中央加壓的校正裝置,在低功率環(huán)境下常用。這種校正裝置使用中央加壓變壓器和兩個二極管來創(chuàng)建壓動DC電壓輸出。與此同時,橋梁校正裝置是另一類不受控制的校正裝置,由于它能產(chǎn)生全波校正輸出,因此在很多應(yīng)用中經(jīng)常使用。橋梁校正裝置由四個二極管組成,在橋結(jié)構(gòu)中安排了四個二極管來生成DC輸出。

電壓雙軌整變器是另一種不受控制的整變器,用于需要比典型的整變器高的DC電壓輸出的應(yīng)用中,這種整變器使用兩個二極元和兩個電容器來增加單級AC源的輸出電壓;此外,在特定應(yīng)用中還使用其他不受控制的整變器表層,其中包括高功率DC應(yīng)用的Graetz電路和高壓DC應(yīng)用的Cockcroft-Walton乘數(shù)。這些整變器使用二極管和電容器混合生成高功率或高壓DC輸出。無論使用的是哪一種不受控制的整變器,通常需要過濾來盡量減少輸出波形中存在的波波波。電容器、導(dǎo)管或兩者的結(jié)合用來平滑輸出波形和盡量減少波波波。

Filtering

過濾是設(shè)計不受控制的校正裝置時需要考慮的一個關(guān)鍵因素,因為它有助于平滑輸出電壓和減少波紋電壓。 Ripple 電壓是指經(jīng)校正的AC信號的脈沖性質(zhì)造成的輸出電壓波的微小波動。這些變化可能導(dǎo)致電子系統(tǒng)精確度下降、電磁干擾加劇以及電子部件可靠性降低等問題。

電容器過濾器由與負(fù)載抗力平行連接的電容器組成。隨著電壓的上升,電容器將積累電荷,吸收電路的能量。相反,隨著壓載阻力的下降,電容器將把其儲存的能量排入電路,防止電壓下降過低。減壓的程度取決于過濾電容器的能力值,而更大的電容器值提供更好的過濾性能。

最后,另一種辦法是結(jié)合使用電容器和感應(yīng)器過濾器,稱為LC過濾器。 LC過濾器比僅僅使用電容器或感應(yīng)器過濾器提供更好的過濾性能,盡管它們對于設(shè)計和實施更為復(fù)雜。過濾器類型和設(shè)計的選擇是基于具體的應(yīng)用要求,例如所需的波紋減縮水平、成本和體積限制。

責(zé)任編輯：彭菁