整流直流電源的分析

1、整流直流電源的分析姜梅生 (浙江兆正機(jī)電有限公司,325603)1、問題的提出作為接觸器的生產(chǎn)單位，經(jīng)常會(huì)用到直流線圈和直流電源。直流電源一般來說是用交流變直流且未加濾波裝置，又是單相整流，直流質(zhì)量較差，含有較大的交流成份。如果碰到低壓直流，對(duì)產(chǎn)品的動(dòng)作特性影響較大。如動(dòng)作時(shí)應(yīng)為80%Us，有時(shí)卻不能閉合。查找直流的原因，主要有以下三方面：一是直流電源有較大的交流成份，整流系數(shù)低；二是交流側(cè)交流電壓讀數(shù)不是直流側(cè)直流電壓讀數(shù)；三是電壓低，線路壓降較大，影響到產(chǎn)品的線圈電壓。2、幾種常用整流波形分析根據(jù)傅立葉級(jí)數(shù)分析,任何一個(gè)函數(shù)f(t)都可以分解成一系列級(jí)數(shù)之和。例如下面幾種常用整流波形(實(shí)際

2、上是脈動(dòng)的直流)的傅立葉級(jí)數(shù)如下:2.1 單相半波整流單相半波整流的波形如圖1，其直流部份和交流基波（最低次波）波形如圖2。單相半波整流波形的傅立葉級(jí)數(shù)分解如下：直流部分電壓UDC=A/交流部分基波電壓UAC=(A/2)cost分解為傅立葉級(jí)數(shù)后的圖形如圖2。2.2 單相全波整流單相全波整流的波形如圖3，其直流部份和二次波（最低次波）波形如圖4。單相全波整流波形的傅立葉級(jí)數(shù)分解如下：直流部分電壓UDC=2A/交流部分基波電壓UAC=(4A/3)cos2t分解為傅立葉級(jí)數(shù)后的圖形如圖4。2.3 三相（半波）整流三相（半波）整流的波形如圖5，其直流部份和三次波（最低次波）波形如圖6。三相（半波）整

3、流波形的傅立葉級(jí)數(shù)分解如下：直流部分電壓交流部分三次諧波電壓分解為傅立葉級(jí)數(shù)后的圖形如圖6。2.4 三相（全波）整流直流部分電壓UDC=3A/交流部分六次諧波電壓UAC=（6A/5)cos6t以上四種整流方法的交流側(cè)、直流側(cè)有關(guān)參數(shù)見表1。3、關(guān)于平均值和有效值3.1 平均值交流電在半周期內(nèi)，通過電路中導(dǎo)體橫截面的電量Q和某一直流電在同樣時(shí)間內(nèi)通過該電路中導(dǎo)體橫截面的電量相等時(shí)，這個(gè)直流電的數(shù)值就稱為該交流電在半周期內(nèi)的平均值。若以來表示交流電i的平均值，則有：對(duì)正弦交流電流，即i=Imsint，則平均值與峰值的關(guān)系為：正弦交流電的平均值等于峰值的0.637倍。對(duì)正弦交流電來說在上半周期內(nèi)，一

4、定量的電量以某一方向流經(jīng)導(dǎo)體的橫截面，在下半周期內(nèi)，同樣的電量卻以相反的方向流經(jīng)導(dǎo)體的橫截面。因而在一個(gè)周期內(nèi)，流經(jīng)導(dǎo)體橫截面的總電量等于零，所以在一個(gè)周期內(nèi)正弦交流電的電流平均值等于零。如果直接用磁電式電表來測(cè)量交流電流，將發(fā)現(xiàn)電表指針并不發(fā)生偏轉(zhuǎn)。這是因?yàn)榻涣麟娏饕粫?huì)兒正，一會(huì)兒為負(fù)，磁電式電表的指針無法適應(yīng)。如果附有整流器的磁電式電表（例如萬用電表中的交流擋）接入交流電路中，那么在一周期內(nèi)，只有正半周的電流通過電表，負(fù)半周期電流則由于二極管而不通過表。在一周期內(nèi)通過電表的電流平均值為：因?yàn)椋]有電流流過表），所以：即半波整流后交流電的平均值和最大值的關(guān)系為：而交流電的有效值和最大值的關(guān)系

5、為：所以：即正弦交流電經(jīng)半波整流后的平均值只有有效值的0.45倍。3.2 有效值在交流電變化的一個(gè)周期內(nèi),交流電流在電阻R上產(chǎn)生的熱量相當(dāng)于多大數(shù)值的直流電流在該電阻上所產(chǎn)生的熱量,此直流電流的數(shù)值就是該交流電流的有效值例如在同一個(gè)電阻上,分別通以交流電i(t)和直流電I,通電時(shí)間相同,如果它們產(chǎn)生的總熱量相等,則說這兩個(gè)電流是等效的交流電的有效值通常用U或I來表示U表示等效電壓,I表示等效電流設(shè)一電阻R,通以交流電i,在很短的一段時(shí)間dt內(nèi),流經(jīng)電阻R的交流電可認(rèn)為是恒定的,因此在這很短的時(shí)間內(nèi)在R上產(chǎn)生的熱量:在一個(gè)周期內(nèi)交流電在電阻上產(chǎn)生的總熱量:而直流電I在同一時(shí)間T內(nèi)在該電阻上產(chǎn)生的

6、熱量:W=I2RT根據(jù)有效值的定義有:所以有效值:根據(jù)上式,有時(shí)也把有效值稱為“平均根值”對(duì)正弦交流電,有i=Imsint,故:而其中:所以:可見正弦交流電的有效值等于峰值的0.707倍通常,交流電表都是按有效值來刻度的一般不作特別說明時(shí),交流電的大小均是指有效值例如市電220V,就是指其有效值為220V,其峰值為Um=U=220=311V上述分析了交流電的平均值和有效值。其平均值為0.637倍的峰值，有效值為0.707倍的峰值。交流整流之后的直流值也是平均值。該平均值與整流前的交流平均值是一樣的，0.637/0.707=0.9即是整流系數(shù)。在實(shí)測(cè)三相半波整流電流時(shí)直流讀數(shù)高于原邊的交流讀數(shù)，

7、這主要是測(cè)量表的誤差；目前所用的儀表為數(shù)字式萬用表，應(yīng)用磁電式表測(cè)直流，用真空毫伏表測(cè)直流側(cè)的交流成份。如用電動(dòng)式表測(cè)直流側(cè)的電壓，則無法分辨它是交流還是直流。4、直流側(cè)的交流成份對(duì)負(fù)載的影響前面“問題的提出”，整流后的直流質(zhì)量差，含有較大的交流成份，例如半波整流，輸出直流僅為輸入交流有效值的45%，輸出交流成份是輸出直流的1.11倍，對(duì)要求直流質(zhì)量的設(shè)備來說，應(yīng)減少輸出交流成份，提高整流質(zhì)量。從表1中可以看出，單相半波整流質(zhì)量最低，輸出交流成份最大，整流效果最差，三相半波整流輸出交流成份最小，三相全波整流輸出直流值最大。從總的效果看，應(yīng)是三相半波整流效果最好，雖然輸出直流值不是最大，但也超過

8、輸入交流有效值，且輸出交流成份相應(yīng)較小。三相全波整流，雖輸出直流值最大，但輸出交流成份也較大。所以實(shí)際應(yīng)用三相半波整流較多。從接觸器線圈來分析，輸出交流成份對(duì)線圈并無多大的不良影響，因?yàn)榻恢绷魍瑫r(shí)在線圈中產(chǎn)品的磁勢(shì)（安匝數(shù)）是疊加的?？梢哉J(rèn)為：只要保證整流的輸出直流電壓值，應(yīng)該說對(duì)接觸器線圈來說，沒有什么影響。本文開頭說了，輸入交流電壓讀數(shù)不是輸出直流電壓讀數(shù)，而試驗(yàn)臺(tái)上電壓僅有測(cè)輸入交流的電壓表，操作者把此電壓當(dāng)成輸出直流電壓。由于三相半波整流系數(shù)為0.9，直流電壓值要小一點(diǎn)，直流側(cè)交流成份產(chǎn)生的安匝數(shù)則更小。這是因?yàn)榻涣鲿r(shí)電感起主要作用，而電感是與匝數(shù)成平方關(guān)系，這樣交流成份產(chǎn)品的磁勢(shì)（安匝數(shù)）就微乎其微，特別是在大規(guī)格的線圈。從實(shí)際中可知，電阻與起動(dòng)感抗之比在1.60.1之間，起動(dòng)感抗幾乎是電阻的10倍。例如三相半波整流系數(shù)是0.9(從數(shù)值上來看應(yīng)為單相全波整流)，接觸器線圈冷態(tài)閉合為80%Us，則直流只有0.72，交流成份電壓只有0.42（160V/380V）。由于電感大，電流只