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整流器原理及概述

發布時間:2020-08-28 00:37:28        

導讀:整流器(英文:rectifier)是把交流電轉換成直流電的裝置,可用于供電裝置及偵測無線電信號等。整流器可以由真空管,引燃管,固態矽半導體二極管,***弧等制成。相反,一套把直流電轉換成交流電的裝置,則稱為“逆變器” (inverter)。...

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                                  整流器

 

    整流器(英文:rectifier)是把交流電轉換成直流電的裝置,可用于供電裝置及偵測無線電信號等。整流器可以由真空管,引燃管,固態矽半導體二極管,***弧等制成。相反,一套把直流電轉換成交流電的裝置,則稱為“逆變器” (inverter)。

    在備用UPS中只需要給蓄電池充電,不需要給負載供電,故只有充電機。在雙變換UPS中,此裝置既為逆變器供電,又給蓄電池充電,故稱為整流器/充電機。整流器是一個整流裝置,簡單的說就是將交流(AC)轉化為直流(DC)的裝置。它有兩個主要功能:***,將交流電(AC)變成直流電(DC),經濾波后供給負載,或者供給逆變器;第二,給蓄電池提供充電電壓。因此,它同時又起到一個充電器的作用。

  1.  

 

工作原理

 

整流器

    汽車發電機產生的交流電經過整流器整后變為直流電,但其波形仍然具有不規則的波動,直接影響了車輛點火的準確性;輸出電壓無法保持相對恒定,造成每次火花塞點火的能量差別,容易使車輛引擎抖動,出現換檔頓挫、提速緩慢無力、怠速不穩以及車用空調效率低下等情形。從而大大降低了車載電器設備的性能和使用壽命;再加上高齡汽車的電路系統老化,電路阻阬變高的影響,對車輛的影響也就變得日益明顯。電子整流器的作用是幫助車消除雜波干擾、穩定輸出電壓、提高電源系統的瞬間放電能力、增加扭力輸出、加快油門反應、延長電池使用壽命、縮短汽車引擎啟動時間、提高點火效率等,尤其是對小排量的車,效果比較明顯。

    半導體PN結在正向偏置時電流很大,反向偏置時電流很小。整流二極管就是利用PN結的這種單向導電特性將交流電流變為直流的一種PN結二極管。通常把電流容量在1安以下的器件稱為整流二極管,1安以上的稱為整流器。常用的半導體整流器有硅整流器和硒整流器,產品規格很多,電壓從幾十伏到幾千伏,電流從幾安到幾千安。整流器廣泛用于各種形式的整流電源中。

    大功率整流電源要求整流器的電流容量大、擊穿電壓高、散熱性能好,但這種器件的結面積大、結電容大,因而工作頻率很低,一般在幾十千赫以下。硅材料的禁帶寬度較大,導熱性能良好,適于制作大功率整流器件。在耐高壓的整流裝置中常采用高壓硅堆,它由多個整流器件的管芯串聯組成,其反向耐壓由管芯的耐壓及串聯管芯數決定,***高耐壓可達幾百千伏。如果高頻整流電路用于很高頻率下,當交流電壓的周期與整流器通態到關態的***時間相當時,整流器對高頻電壓不再起整流作用。為適應高頻工作的需要,通常在硅整流器中采用摻金的方法,以縮短注入少數載流子的壽命,從而達到減小***時間的目的。

    為了減小器件因過壓擊穿造成損壞的可能性和提高整流裝置的可靠性,可采用硅雪崩整流器。在這種器件中,當反向電壓超過允許峰值時,在整個PN結上發生均勻的雪崩擊穿,器件可工作在高壓大電流下,故能承受相當大的反向浪涌功率。制作這種器件時要求材料缺陷少,電阻率均勻,結面平整,外露結區還應進行適當保護,避免發生表面擊穿。硒整流器的抗過載容量大,承受反向浪涌功率的能力也較強。

    在以大功率二極管或晶閘管為基礎的兩種基本類型的整流器中,電網的高壓交流功率通過整流器變換為直流功率。提到未來(不久的或遙遠的)的其它類型整流器:以不可控二極管前沿產品為基礎的斬波器、斬波直流/直流變換器或電流源逆變型有源整流器。顯然,這種***新型的整流器在技術上包含較多要開發的內容,但是它能顯示出優點,例如它以非常小的諧波干擾和1的功率因數加載于電網。

 

作用

 

 

   整流器是一個整流裝置,簡單的說就是將交流(AC)轉化為直流(DC)的裝置。它有兩個主要功能:
***,將交流電(AC)變成直流電(DC),經濾波后供給負載,或者供給逆變器;
第二,給蓄電池提供充電電壓。因此,它同時又起到一個充電器的作用。

 

三極管參數

 

 

    三極管的hFE參數與貯存時間ts相關,一般hFE大的三極管ts也較大,過去人們對ts的認識以及ts的測量儀器均較為欠缺,人們更依賴hFE參數來選擇三極管。

整流器在開關狀態下,hFE的選擇通常有以下認識:***、hFE應盡可能高,以便用***少的基極電流得到***大的工作電流,同時給出盡可能低的飽和電壓,這樣就可以同時在輸出和驅動電路中降低損耗。

    但是,如果考慮到開關速度和電流容限,則hFE的***大值就受到限制;第二、中國的廠家曾經傾向于選用hFE較小的器件,例如hFE為10到15,甚至8到10的三極管就一度很受歡迎(后來,由于基極回路流行采用電容觸發線路,hFE的數值有所上升),hFE的數值小則飽和深度小,從而有利于降低晶體管的發熱。

    實際上,晶體管的飽和深度受到Ib、hFE兩個因素的影響,因而通過磁環及繞組參數、基極電阻Rb的調整,也可以降低飽和深度。

 

現狀

 

    如今,業界推出的節能燈和電子鎮流器專用三極管都十分注重對貯存時間的控制。因為貯存時間ts過長,電路的振蕩頻率將下降,整機的工作電流增大易導致三極管的損壞。雖然可以調整扼流圈電感及其他元器件參數來控制整機功率,但ts的離散性,將使產品的一致性差,可靠性下降。例如,在石英燈電子變壓器線路中,貯存時間太大的晶體管可能引起電路在低于輸出變壓器工作極限的頻率振蕩,從而造成每個周期的末端磁芯飽和,這使得晶體管Ic在每個周期出現尖峰,***后導致器件過熱損壞。

   如果同一線路上的兩個三極管貯存時間相差太大,整機工作電流的上下半波將嚴重不對稱,負擔重的那只三極管將容易損壞,線路也將產生更多的諧波和電磁干擾。

實際使用表明,嚴格控制貯存時間ts并恰當調整整機電路,就可以降低對hFE參數的依賴程度。還值得一提的是,在芯片面積一定的情況下,三極管特性、電流特性與耐壓參數是矛盾的,中國市場曾經用BUT11A來做220V40W電子鎮流器,其出發點是BVceo、BVcbo數值高,但是絕大部分電子鎮流器線路中,已經沒有必要過高選擇三極管的電壓參數。

 

基本要求

 

 

1.輸入電流總諧波失真(THD)(總諧波失真THD:交流電流的諧波電流有效值占基波分量有效值的百分比)

6脈沖整流器的輸入電流的THD在6脈沖整流器的滿載輸入電流時應小于33%;采用輸入濾波器可將輸入電流失真減小到10%。

12脈沖整流器的輸入電流的THD在12脈沖整流器的滿載時應小于10%,采用輸入濾波器可將輸入電流總諧波失真減小到5%。

2.交流輸入電流限制

整流器/充電機應有交流輸入電流限制電路,一般將交流輸入電流限制到滿載輸入電流的115%。在發電機組供電時(此時整流器會接收到一個外部低電壓信號,據此判斷為是發電機組供電),應將交流輸入電流限制到滿載輸入電流的100%。

3.蓄電池充電電流限制

整流器/充電機應有蓄電池充電電流限流電路,將蓄電池充電電流限制到UPS額定輸出容量(KW)的15%。在發電機組供電時(當接收到一個外部低電壓信號時),應將蓄電池充電電流限制到零。

4.蓄電池充電電壓溫度補償

當采用遠端溫度檢測器時,整流器/充電機應自動調節蓄電池浮充電壓(一般按−5mv/只/℃)。通常蓄電池的浮充電壓為2.25V/只,終止電壓為1.67V/只,因此DC母線電壓在浮充和終止電壓時分別為N×2.25V,N×1.67V(N為蓄電池的只數)。

5.輸入功率的逐步增加

整流器/充電機應具有將初始功率要求限制到額定負載的20%,并在10秒的時間間隔內逐漸將輸入功率增加到100%額定容量。在冗余UPS系統中,各整流器/充電機的輸入功率的加入時間應延遲5至300秒,以減少對發電機組的影響。

6.輸入隔離開關

整流器/充電機應有輸入隔離開關并有保護。隔離開關應能同時提供滿足負載的電流和蓄電池的再充電電流,并能承受較大的短路電流。

7.DC濾波器

整流器/充電機應有輸出濾波器以將加在蓄電池的紋波電壓減少到***小。整流器的DC輸出電壓的AC紋波電壓應小于浮充電壓(RMS)的1%。濾波器應充分保證整流器/充電機的DC輸出電壓在蓄電池未連接的情況下滿足逆變器的要求。

8.蓄電池的再充電

除了為負載供電外,整流器/充電機應能在10倍于放電時間的時間內,將蓄電池的放電功率***到95%。蓄電池再充電后,整流器/充電機應使蓄電池保持在滿充電狀態,直到下一次放電。

 

二極管整流器

 

  

  所有整流器類別中***簡單的是二極管整流器。在***簡單的型式中,二極管整流器不提供任何一種控制輸出電流和電壓數值的手段。為了適用于工業過程,輸出值必須在一定范圍內可以控制。通過應用機械的所謂有載抽頭變換器可以完成這種控制。作為典型情況,有載抽頭變換器在整流變壓器的原邊控制輸入的交流電壓,因此也就能夠在一定范圍內控制輸出的直流值。通常有載抽頭變換器與串聯在整流器輸出電路中的飽和電抗器結合使用。通過在電抗器中引入直流電流,使線路中產生一個可變的阻抗。因此,通過控制電抗器兩端的電壓降,輸出值可以在比較窄的范圍內控制。

 

晶閘管整流器

 

 

    在設計上非常接近二極管整流器的是晶閘管整流器。因為晶閘管整流器的電參數是可控的,所以不需要有載抽頭變換器和飽和電抗器。因為晶閘管整流器不包含運動部件,所以晶閘管整流器系統的維修減少了。注意到的一個優點是晶閘管整流器的調節速度較二極管整流器快。在過程特性的階躍期間,晶閘管整流器常常調節很快,以致能夠避免過電流。其結果是晶閘管系統的過載能力能夠設計得比二極管系統小。

 

區別

 

 

鎮流器和整流器的區別

   把交流電變成直流電的設備就稱為整流器。按照所采用的整流器件,可分為機械式、電子管式和半導體式幾類。電感鎮流器是一個鐵芯電感線圈,電感的性質是當線圈中的電流發生變化時,則在線圈中將引起磁通的變化,從而產生感應電動勢,其方向與電流的方向相反,因而阻礙著電流變化。

 

倍壓整流器

 

 

    ***簡單的倍壓整流(二倍)方式是利用兩組簡單的半波整流,以指向相反的二極管分別生成兩個正負不同的電源輸出,并分別加以濾波。連接正負兩端可得到交流輸入電壓兩倍的輸出電壓。此種電路稱為德隆電路(德文:Delon-Schaltung)。 如需要的話,此電路也可以提供中間電壓,或當作正負雙電壓的電源來使用。

    上述德隆電路可以衍生出另一種變體:在橋式整流的輸出端使用兩個相串聯的電容器作為濾波電容,在濾波電容的中點與與交流輸入的一端間聯接一個開關。當開關切離時,這個電路會像一個正常的橋式整流;當開關接通時,就會成為前述的德隆電路,產生倍壓整流的作用。 舉例來說,當交流輸入為 100~120V 時,可讓開關為通路;當交流輸入為 220~240V 時,可讓開關為斷路;這樣便使它很容易在世界上任何電源間切換,產生大約 320V (±15%左右) 的直流電壓,以送入一個相對簡單的開關模式電源。

    格賴納赫倍壓電路可以繼續添加二極管和電容器的級聯,而形成多倍電壓的電壓倍增器,稱為考克饒夫-沃爾頓產生器電路(英文: Cockcroft–Walton generator),當時是用于粒子***。 這樣的倍壓電路雖可以提供幾倍于輸入交流峰值的電壓,但電流輸出和電壓穩定度則受到限制。 此類電壓倍增器電路常用來提供高電壓予舊式電視機的陰極射線管(CRT)、光電倍增管、或電蚊拍。

 

整流器應用

 

 

   整流器的主要應用是把交流電源轉為直流電源。 由于所有的電子設備都需要使用直流,但電力公司的供電是交流,因此除非使用電池,否則所有電子設備的電源供應器內部都少不了整流器。

   至于把直流電源的電壓進行轉換則復雜得多。 直流-直流轉換的一種方法是首先將電源轉換為交流(使用一種稱為反用換流器的設備),然后使用變壓器改變該交流電壓,***后再整流回直流電源。

   整流器還用在調幅(AM)無線電信號的檢波。 信號在檢波前可能會先經增幅(把信號的振幅放大),如果未經增幅,則必須使用非常低電壓降的二極管。 使用整流器作解調時必須小心地搭配電容器和負載電阻。 電容太小則高頻成分傳出過多,太大則將***訊號。

   整流裝置也用于提供電焊時所需固定極性的電壓。 這種電路的輸出電流有時需要控制,此時會以可控硅(一種晶閘管)替換橋式整流中的二極管,并以相位控制觸發的方式調整其電壓輸出。

   晶閘管也用于各級鐵路機車系統中,以實現牽引馬達的微調。 可關斷晶閘管(GTO)則可用于從直流電源產生交流,例如在 Eurostar 列車上使用此方式提供三相牽引馬達所需的電源。  

 

冷卻方式

 

 

   整流器常用的冷卻方式有自然冷卻、純風扇冷卻、自然冷卻和風扇冷卻相結合三種。自然冷卻具有無機械故障,可靠性高;無空氣流動,灰塵少,有利于散熱;無噪音等特點。純風扇冷卻具有設備重量輕,成本低。風扇和自然冷卻相結合的技術具有有效減小設備體積和重量,風扇的使用壽命高,風扇故障自適應能力強等特點。  

 

 
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