單相全橋pwm整流電路及工作原理

　　什么是整流電路

　　“整流電路”（rectifying circuit）是把交流電能轉換為直流電能的電路。大多數整流電路由變壓器、整流主電路和濾波器等組成。它在直流電動機的調速、發電機的勵磁調節、電解、電鍍等領域得到廣泛應用。整流電路通常由主電路、濾波器和變壓器組成。20世紀70年代以后，主電路多用硅整流二極管和晶閘管組成。濾波器接在主電路與負載之間，用于濾除脈動直流電壓中的交流成分。變壓器設置與否視具體情況而定。變壓器的作用是實現交流輸入電壓與直流輸出電壓間的匹配以及交流電網與整流電路之間的電隔離。

　　整流電路的作用是將交流降壓電路輸出的電壓較低的交流電轉換成單向脈動性直流電，這就是交流電的整流過程，整流電路主要由整流二極管組成。經過整流電路之后的電壓已經不是交流電壓，而是一種含有直流電壓和交流電壓的混合電壓。習慣上稱單向脈動性直流電壓。

　　整流電路作用原理

　　1.半波整流電路

　　半波整流電路是一種最簡單的整流電路。它由電源變壓器B 、整流二極管D 和負載電阻Rfz ，組成。變壓器把市電電壓（多為220伏）變換為所需要的交變電壓e2，D 再把交流電變換為脈動直流電。 　變壓器砍級電壓e2，是一個方向和大小都隨時間變化的正弦波電壓，它的波形如圖5-2（a）所示。在0～K時間內，e2為正半周即變壓器上端為正下端為負。此時二極管承受正向電壓面導通，e2通過它加在負載電阻Rfz上，在π～2π 時間內，e2為負半周，變壓器次級下端為正；上端為負。這時D承受反向電壓，不導通，Rfz，上無電壓。在2π～3π時間內，重復0～π 時間的過程，而在3π～4π時間內，又重復π～2π時間的過程…這樣反復下去，交流電的負半周就被“削”掉了，只有正半周通過Rfz，在Rfz上獲得了一個單一右向（上正下負）的電壓，如圖5-2（b）所示，達到了整流的目的，但是，負載電壓Usc。以及負載電流的大小還隨時間而變化，因此，通常稱它為脈動直流。

　　這種除去半周、圖下半周的整流方法，叫半波整流。不難看出，半波整流是以“犧牲”一半交流為代價而換取整流效果的，電流利用率很低（計算表明，整流得出的半波電壓在整個周期內的平均值，即負載上的直流電壓Usc =0.45e2，此處注意e2是變壓器二次端口的有效值，而不是最大值。如變壓器得到e2= ，e2取值為20 ）因此常用在高電壓、小電流的場合，而在一般無線電裝置中很少采用。

　　2.全波整流電路

　　如果把整流電路的結構作一些調整，可以得到一種能充分利用電能的全波整流電路。圖5-3 是全波整流電路的電原理圖。

　　全波整流電路，可以看作是由兩個半波整流電路組合成的。變壓器次級線圈中間需要引出一個抽頭，把次組線圈分成兩個對稱的繞組，從而引出大小相等但極性相反的兩個電壓e2a 、e2b ，構成e2a 、D1、Rfz與e2b 、D2、Rfz ，兩個通電回路。

　　全波整流電路的工作原理，可用圖5-4 所示的波形圖說明。在0～π間內，e2a 對Dl為正向電壓，D1 導通，在Rfz 上得到上正下負的電壓；e2b 對D2為反向電壓，D2 不導通。在π-2π時間內，e2b 對D2為正向電壓，D2導通，在Rfz 上得到的仍然是上正下負的電壓；e2a 對D1為反向電壓，D1 不導通。

　　帶平衡電抗器的雙反星型可控整流電路帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路是將整流變壓器的兩組二次繞組都接成星形，但兩組接到晶閘管的同名端相反；兩組二次繞組的中性點通過平衡電控器LB連接在一起。

　　3.橋式整流電路

　　橋式整流電路是使用最多的一種整流電路。這種電路，只要增加兩只二極管口連接成“橋”式結構，便具有全波整流電路的優點，而同時在一定程度上克服了它的缺點。

　　整流電路橋式整流電路的工作原理如下：e2為正半周時，對D1、D3和方向電壓，Dl，D3導通；對D2、D4加反向電壓，D2、D4截止。電路中構成e2、Dl、Rfz 、D3通電回路，在Rfz ，上形成上正下負的半波整流電壓，e2為負半周時，對D2、D4加正向電壓，D2、D4導通；對D1、D3加反向電壓，D1、D3截止。電路中構成e2、D2Rfz 、D4通電回路，同樣在Rfz 上形成上正下負的另外半波的整流電壓。

　　如此重復下去，結果在Rfz ，上便得到全波整流電壓。其波形圖和全波整流波形圖是一樣的。從圖5-6中還不難看出，橋式電路中每只二極管承受的反向電壓等于變壓器次級電壓的最大值，比全波整流電路小一半。

　　三相橋式全控電路TR為三相整流變壓器，其接線組別采用Y/Y-12。VT1~VT6為晶閘管元件，FU1~FU6為快速熔斷器。TS為三相同步變壓器，其接線組別采用△/Y-11。P端為集成化六脈沖觸發電路+24V電源輸出端，接脈沖變壓器一次繞組連接公共端。P1~P6端為集成化六脈沖觸發電路功放管V1~V6集電極輸出端，分別接脈沖變壓器一次繞組的另一端。UC端為移相控制電壓輸入端。

　　三相橋式半控電路三相橋式半控整流電路與三相橋式全控整流電路基本相同，僅將共陽極組VT4，VT6，VT2的晶閘管元件換成了VD4，VD6，VD2整流二極管，以構成三相橋式半控整流電路。

　　整流電路的分類

　　1.單相整流電路

　　圖1a為單相半波可控整流電路。圖中ug為晶閘管的觸發脈沖，其工作過程如下：當u2負半周時，晶閘管不導通。在u2正半周時，不加觸發脈沖之前，晶閘管也不導通，只有加觸發脈沖之后，晶閘管才導通，這時負載Rd上流過電流。在電流為零時刻，晶閘管自動關斷，為下一次觸發導通作好準備，如此循環往復，負載上得到脈動的直流電壓ud。晶閘管從開始承受正向電壓起到開始導通這一角度稱為控制

　　2.相控電路圖

　　角，以α表示。這樣，只要改變控制角α的大小，即改變觸發脈沖出現的時刻，就改變了直流輸出電壓的平均值。觸發脈沖總是在電源周期的同一特定時刻加到晶閘管的控制極上，所以，觸發脈沖和電源電壓在頻率和相位上要配合好，這種協調配合的關系稱為同步。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，其變壓器利用系數較高，直流側脈動的基波頻率為交流基波的二倍，故為小功率場合常用的整流電路之一。 這里，脈波數P的概念很重要。所謂脈波數就是在交流電源的一個周期之內直流側輸出波形的重復次數。通常脈波數越多，直流側輸出越平滑，交流側電流越接近正弦波。為了增加脈波數，可以增加交流側相數，但是， 一般相數增加越多，各相的通電時間變得越短，這樣會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稱續流二極管，若直流電壓變為負值，它成為直流側環流的路徑，維持輸出電壓為零。

　　單相整流電路比較簡單，對觸發電路的要求較低，相位同步問題很簡單，調整也比較容易。但它的輸出直流電壓的紋波系數較大。由于它接在電網的一相上，易造成電網負載不平衡，所以一般只用于4kW以下的中小容量的設備上。如果負載較大，一般都用三相電路。

　　3.三相整流電路

　　當整流容量較大，要求直流電壓脈動較小，對快速性有特殊要求的場合，應考慮采用三相可控整流電路。這是因為三相整流裝置三相是平衡的，輸出的直流電壓和電流脈動小，對電網影響小，且控制滯后時間短。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，電路在任何時刻都必須有兩個晶閘管導通，一個是共陽極組的，另一個是共陰級組的，只有它們同時導通才能形成導電回路。T1、T2、T3、T4、T5、T6的觸發脈沖互差60°。因此，電路每隔60°有一個晶閘管換流，導通次序為1→2→3→4→5→6，每個晶閘管導通120°。在整流電路合閘后，共陰極和共陽級組各有一個晶閘管導通。因此，每個觸發脈沖的寬度應大于60°、小于120°，或用兩個窄脈沖等效地代替大于60°的寬脈沖，即在向某一個晶閘管送出觸發脈沖的同時，向前一個元件補送一個脈沖，稱雙脈沖觸發。整流輸出電壓波形如圖2 所示。當T1、T6導通時，ud=uab；T1、T2導通時，ud=uac；同理，依次為ubc，uba，uca，ucb，均為線電壓的一部分，脈動頻率為300Hz，晶閘管T1上的電壓uT1波形分為三段，在T1導電的120°中，uT1=0（僅管壓降）；當T3導通，T1受反向電壓關斷，uT1=uab；T5導通時，T3關斷，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，輸出電壓交變分量的最低頻率是電網頻率的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。

　　4.多相整流電路

　　隨著整流電路的功率進一步增大（如軋鋼電動機，功率達數兆瓦），為了減輕對電網的干擾，特別是減輕整流電路高次諧波對電網的影響，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

　　5.多相整流電路

　　路。圖3a為兩組三相橋串聯組成的十二相整流電路。為了獲得十二相波形，每個波頭應該錯開30°。所以采用三繞組變壓器，次級的兩個繞組一個接成星形，另一個接成三角形，分別供給兩組三相橋。兩組整流橋串聯后再接到負載。由于兩組整流橋輸出的電壓的相位彼此差30°，因此在負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是兩組三相橋并聯組成大電流的十二相整流電路。兩橋變壓器次級繞組電壓依次相差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，就可以并聯運行。但是兩組整流電壓的瞬時值是不等的，兩組電源間會出現交流環流。為了限止環流，延長晶閘管的導通時間，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，提高脈動頻率，使變壓器初級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，隨著相數的增加，可進一步削弱諧波的影響。但這樣做增加了設備費用，在技術上對精確地得到相同的控制角提出了較嚴格的要求。因而需對方案的技術經濟指標進行全面分析，最后作出選擇。

　　6.選擇整流電路

　　選擇整流電路時，主要從電性能好、結構簡單、經濟實用、對電網影響小等方面考慮，合理選用