斬波型可控整流和交流調壓電路的製作方法

2023-07-12 19:40:36 3

專利名稱：斬波型可控整流和交流調壓電路的製作方法
技術領域：
本發明屬於電力電子科學，涉及單相和多相可控整流調壓電路，單相和多相交流可控調壓電路，尤其涉及到基波電流和電壓的相位和功率因數。
當今的可控整流調壓電路和交流調壓電路都是採用可控器件截去電源波形的前部分，輸出電源的後部分，這類可控整流和交流調壓電路中所使用的可控器件都是採用電源自然換向方式關斷的，因此只能輸出電源波形的後部分，使用這類方法的可控整流和交流調壓電路存在著輸出電壓越低，其基波電流和電壓的相位差越大，功率因數越低，在直流輸出端需要較大的濾波電感和電容，在電網端需要較大的電容進行補償和濾波，這類可控整流電路其輸出端採用大電容濾波時存在著很大的前沿衝擊電流，它們對濾波電容和可控器件的電流上升率都要求很高，損耗和幹擾也會相應增加，為了克服現有這類可控整流和交流調壓電路所存在的缺點，發明者提出將現有的可控整流和交流調壓電路與斬波電路兩者相結合的方法來減少電路中基波電流和相位的相位差，提高功率因數，其方法是使現有可控整流中的可控器件同時擔任整流調壓和斬波雙重任務，使交流可控調壓電路中的可控器件也擔任調壓和斬波的雙重任務，這隻有使原來可控整流和交流調壓電路中的可控器件由自然換相關斷改為強迫關斷才有可能，因此，需要在原來電路中增加一關斷電路才能成為斬波型式的可控整流電路和交流調壓電路，這類電路中的每一個可控器件在承受電源正向電壓周期內，按照給可控器件觸發和控制信號的不同可以實現輸出下列五種受電源電壓幅值調製的波形(在電阻負載或電感負載有續流二極體的情況下)，第一種波形是截去電源源前部分，輸出電源波形後部分，這就是現有可控整流電路和交流調壓電路所能輸出的波形，第二種波形是截去電源後部分，輸出電源波形前部分，第三種是輸出電源波形中間部分，截去電源前後兩部分，第四種是輸出電源波形前後兩部分，截去電源的中間部分，第五種是將電源實現多次斬波，輸出受電源幅值調製的電源斬波後的波形。其斬波頻率遠高於電源頻率，有利於濾波，由輸出波形可知後面四種輸出波形的基波電流和電壓的相位差都小於第一種，即小於傳統的可控整流和交流調壓電路，它們的功率因數也高於傳統的電路。斬波型式的可控整流電路和交流調壓電路的輸出何種電壓波形完全決定於電路中可控器件的觸發和控制方式，一般都會根據需要來選取最適合最經濟的觸發和控制方式，由上可知斬波型可控調壓電路中包含有現今一切單相和多相的可控整流電路和交流調壓電路，其性能又優於現有相對應的可控整流電路和交流調壓電路，它只是在現有相對應的可控整流電路和交流調壓電路中加入斬波電路後所組成的電路。
本發明的目的是要減小現有單相和多相可控整流電路和交流調壓電路中的基波電流和電壓的相位差，減少諧波，減少濾波電感和電容，提高功率因數，特別是低電壓輸出時的功率因素。
本發明是一種使用可控器件實現斬波和可控整流或交流調壓兩者相結合輸出受電源瞬時幅值調製的可控調壓電路。現有的可控整流電路和交流調壓電路有兩大類型。一類是先將電源整流成單向的脈動直流後再串聯可控器件進行可控整流調壓和交流調壓的電路，另一類是電源直接由可控器件整流成可控直流和交流調壓的電路。每一類可控整流和交流調壓電路都有單相和多相，有半波、全波、橋式以及它們以多種形式相結合的可控整流電路和交流調壓電路。斬波型可控整流和交流調壓電路的特徵是在現有的單相和多相可控整流電路和交流調壓電路中至少有一個強迫關斷可控調壓器件的關斷電路，這個關斷電路由關斷電容，關斷可控器件(包括可控矽和電晶體)和關斷電源及其限流阻抗組成。關斷電容連接在可控整流或交流調壓電路中的調壓可控器件與關斷可控器件的兩個陽極(或陰極)之間，關斷可控器件的另一端是陰極(或陽極)就連接在可控整流或交流調壓電路中的調壓可控器件的陰極(或陽極)，而關斷電源通過限流電阻或電感加在關斷可控器件的陰極(接負)與陽極(接正)之間，關斷可控器件若是可關斷的可控器件，就可不用關斷電容，關斷電源及其限流阻抗，而用可關斷器件直接去取代對應的可控整流電路和交流調壓電路中的調壓可控器件即可。通過改變各可控器件上與電源相同步的觸發和控制信號的相位和順序關係就可使斬波型可控整流電流和交流調壓電路輸出多種波形。
結合附圖參閱下面說明，將能很容易地認識實現本發明的上述目的。本發明的很多優點以及本發明同現有可控整流和交流調壓電路的區別。


圖1是本發明單相半波可控整流電路的實施例，它是本發明最重要的基礎可控整流電路，其它的電路都可由它推廣而來。它對應於現有的單相半波可控整流電路，是在現有的單相半波可控整流電路中增加一個關斷電容C，關斷可控矽SCR.和關斷電源的限流電阻R(也可以用電感)，圖中Ⅰ和Ⅱ為兩個直流輸出端(後面圖也相同)，電阻R和電感L為負載，D為續流二極體。當電源上端為正下端為負的半個周期內，根據給可控矽SCR和SCR.的觸發信號的不同，圖1的電路能夠輸出如圖15中(a)、(b)、(c)(d)和(e)五種較典型的電壓波形，不給SCR.觸發信號，只給SCR移相觸發信號就可輸出如圖23(a)所示的現有單相半波可控整流電路的波形。給SCR零觸發信號，再給SCR.一移相觸發信號就可獲得圖15(b)所示的波形。給SCR一個45度觸發信號，再給SCR.一個125度觸發信號就可獲得圖15(c)所示的波形。給SCR一個零觸發信號和移相150度觸發信號，而只給SCR.一個移相30度觸發信號就可得圖15(d)所示的波形。給SCR在零度、55度和125度三個觸發信號，而給SCR.在30度、80度和150度三個觸發信號就可獲得圖15(e)所示的波形。關斷電容C上的充電電壓為SCR和SCR。互為關斷創造了條件，當SCR導通後，電源就會通過R、C和SCR充電，使C上充以上端為正，下端為負的電壓，為SCR的關斷創造了條件，一旦觸發SCR.後SCR立即承受電容C上的反向電壓而關斷，同樣SCR.的導通，電源就會通過負載、C和SCR.充電，使電容C上充以下端為正，上端為負的電壓，為SCR.的關斷準備了條件，一旦SCR被觸發導通後，SCR.立即承受電容C上的反向電壓而關斷。
用兩個圖1所示的單相半波可控整流電路可以組成本發明相對應的單相全波可控整流電路，但是需要四個可控器件，為了節省可控器件，全波可控整流電路中的兩個可控矽可以使用同一個關斷可控矽來輸流關斷它們。
圖2是本發明單相全波可控整流電路的實施例之一，它使用了一個單獨的直流關斷電源U。
限流電阻R、關斷可控矽SCR.關控電容C1和C2來分別關斷可控矽SCR1和SCR2，其工作原理和圖1相類似。圖2所示的電路是對應於現有單相全波可控整流電路的斬波型單相全波可控整流電路之一。現有的單相全波可控整流電路還有一種是單相全式整流後串有一個可控器件的可控整流電路，和它相對應的本發明電路有如圖3所示的單相全波可控整流電路，它比圖2省一個可控矽和一個關斷電源U。但多了一個整流管管壓降，其工作原理如圖1相類似。由於圖3中的SCR.、SCR、C和R只是起到一個同步控制的直流開關的作用，因此，在某些功率不大耐壓要求不高的場合，還可直接用半導體三極體來代替。用半導體三極體代替後，它和開關電源的區別在於本電路在整流管後，開關管前沒有大容量濾波電容，而開關電源直流輸入端有大濾波電容。同時本電路的開關信號必須和電源同步，否則在變壓器上會產生直流磁化，而開關電源觸發控制信號就沒有這種要求。
現有的單相橋式可控整流電路有單相半控橋、單相全控橋和整流橋後串有一隻可控矽的多種可控整流電路。單相橋全可控整流電路也有很多種。所有這些單相可控整流電路，本發明都有與它們相對應的斬波型單相可控整流電路。圖4是本發明與單相半控橋相對應的可控整流電路。圖5是本發明與單相橋式整流後串有可控矽的電路相對應的可控整流電路。圖6是本發明與一種橋全可控整流電路相對應的可控整流電路。圖7是圖5可控整流電路中的直流斬波電路用半導體三極體BG.來代替的一個有控制調節電路的本發明的可控整流調壓電路，調節電位器W就能調節輸出兩端Ⅰ和Ⅱ之間的直流電壓，其輸出電壓波形如圖15(f)所示，它是調節中間截去部分的寬度來調節輸出直流電壓的，BG.基極控制信號如圖15(i)所示。此可控整流電路在電阻負載時，其基波電流和電壓的相位差為零，因此功率因數較高。圖2、3、4、5和6也都能輸出圖15(f)所示的波形，對於圖3和5來說，只要SCR上加圖15(h)所示的觸發信號，而SCR.上加圖15所示的信號就可得到。其它現有可控整流電路按相同的方法都可得到本發明相對應的電路。
現有的多相可控整流電路有很多種，例如有二相式，二相零式，三相半波，三相曲折半波，六相半波，六相曲折半波，帶平衡電杭器雙Y型，三相橋式，帶中心二極體三相橋式，六相橋式等等，每一種現有的多相可控整流電路都可以獲得本發明相對應的多相可控整流電路，它們只要在相對應的可控整流電路中加入可控矽關斷電路即可獲得。圖8是本發明與三相半波可控整流電路相對應的可控整流電路之一。圖9是本發明與六相半波可控整流電路相對應的可控整流電路之一。圖10是本發明與帶平衡電抗器的雙Y型可控整流電路相對應的可控整流電路。圖11是本發明與三相半控橋相對應的可控整流電路之一。這些可控整流電路的共同特徵都有一個關斷可控矽SCR.，在各個整流可控矽和關斷可控矽的陽極之間都連接有一個關斷電容，有一個關斷電源U.，它通過限流電阻或電感加在關斷可控器件的陰極和陽極之間。
本發明與現有可控整流電路的根本區別在於本發明可以使導通的可控矽強迫關斷。因此，本發明還有多種沒有和現有可控整流電路相對應的可控整流電路，那就是各種多相二極體整流電路之後用二個可控矽來實現多相可控整流的電路。如圖12所示的是本發明用二極體三相半波整流的可控整流調壓電路，圖15(j)示出圖12可控整流電路的一種輸出電壓波形，它是在圖15所示的信號觸發SCR.(m)所示的信號觸發SCR.下得到的。圖8的可控矽整流電路也可以得到圖15所示的波形。只不過SCR1、SCR2、SCR3的觸發信號不同而。圖13所示的是本發明二極體三相橋式整流的可控矽整流調壓電路。它可以獲得圖15(l)所示的一種輸出電壓波形。圖13中的關斷電路中增加一個二極體和電感相串聯的支路並聯在關斷可控矽陰陽極之間，它可以回收一部分電容關斷SCR.時的電能，能使限流電阻的功耗減低。本發明其它可控整流調壓電路中的關斷可控矽SCR.上也可以採用相同的方法來節省電能，提高電容C的充電速度。圖13中的可控矽直流開關，也可以用大功率半導體三極體或可關斷可控矽所代替。圖12和13電路與開關電源的區別在於同步觸發信號和濾波電容，以及輸出端直流幅值電壓受電源瞬時電壓調製等。用圖15中(n)、(p)、(q)和(r)所示的觸發信號分別觸發圖11中的可控矽SCR1、SCR2、SCR3和SCR.也可以獲得如圖15(l)所示的輸出電壓波形。以適當方式觸發圖13中的可控矽SCR和SCR。它也可獲得圖15(l)所示的輸出電壓波形。由圖15(j)和(l)輸出電壓波形。可知基波電流和電壓的相位差遠少於現有的三相半波和三橋式可控整流電路(在低電壓輸出時)，因此有較高的功率因數。
現有的交流可控調壓電路有兩種類型，一種類型是用雙向可控矽或者兩個反向相併聯的單向可控矽，它是將可控矽、負載和電源三者直接相串聯來進行交流調壓。另一種類型是用橋式可控整流電路，將它的負載移到交流側，用輸出兩個直流端短路的方式。將電源、負載和輸出兩端短路的橋式可控整流電路三者相串聯來調節單相或者三相負載上的交流電壓。
圖14是本發明與單相用雙向可控矽交流調壓電路相對應的單相交流調壓電路，使用圖15(u)所示的信號觸發KS.而用圖15(v)所示的信號觸發KS.，就可在交流負載R1上獲得如圖15(t)所示的交流電壓波形，其工作原理與單相半波可控整流電路相類似。它用於單相交流電機調壓調速其性能將遠優於現有的單相交流可控矽調壓調速電路。用三個圖14所示的單相交流可控調壓電路可以組成三相三線交流調壓電路(星形或三角形負載)，三相四線Y。型三相交流調壓電路和接成內三角形的交流調壓電路等。這些三相交流調壓電路可用於三相交流電機調壓調速，變壓器交流調壓，電爐等。
將圖4和圖5斬波型單相橋式可控整流調壓電路的兩個直流輸出端Ⅰ和Ⅱ短路，並將負載移到交流側，就可以獲得斬波型可控整流調壓電路相對應的交流調壓電路。將圖7電路中的控制電源單獨供電給BG和BG.，並把負載接在交流電源側，輸出Ⅰ和Ⅱ兩端短路，就可獲得半導體三極體控制的單相交流可控調壓電路，其負載上可獲得如圖15(d)所示，正、負相對稱的波形，它用於單相電機的調壓調速的性能將遠優於現有的交流調速，在功率較大的場合可用巨型晶體複合管GTR，可關斷可控矽GTo等器件。
將圖11和12斬波型三相橋式可控整流調壓電路的兩個直流輸出端Ⅰ和Ⅱ短路，將三相負載移到三相交流側，將圖13關斷電路的電源用另外的電源供給。就可獲得斬波型三相橋式整流後串有可控的整流調壓電路相對於的斬波型三相交流可控調壓電路，這時三相負載是單獨分開的，對三相星形連接的電機和變壓器來說可將三相繞組分開來實現三相交流調壓。
由上述實施例圖可知，本發明的可控整流調壓電路和交流可控調壓電路其數量多於現有的可控整流電路和交流調壓電路，這是由於現有的可控整流調壓電路中的調壓可控矽只能靠電源自然換向((相)關斷，或二極體整流電壓有過零處才能關斷，因此現有的用二極體之後再串調壓可控矽的電路只能應用在單相全波、單相橋式二相式和二相零式電路中，不能用於三相半波，三相橋式，六相半波等整流電路之後，而本發明的調壓可控矽是用關斷可控矽來強迫關斷的，因此它還可用於一切多相整流電路之後實現斬波可控整流調壓。
由圖1～14(除圖3外)可知它們都是在現有的整流或可控整流電路，或交流調壓電路中加以改進而成的電路，都有調壓可控矽(流過輸出電流的單、雙向可控矽)、關斷可控矽、關斷電容、限流阻抗和關斷電路電源。其中圖1、3、5、12和14的關斷電源直接取自電源相同二極體整流電源，因此沒有獨立的關斷電源。所有這些調壓電路不論是單相還是多相，也不管是交流調壓還是直流調壓，它們都有一個共同的特徵調壓可控矽(包括單向和雙向可控矽)串聯於輸出電流迴路中，關斷電容連接在調壓可控矽和關斷可控矽兩個同名極之間，另一同名極為公共連接點，關斷電源通過限流阻抗(電阻或電感)加在關斷可控矽的兩端能使其異通的方向。為減小關斷電源容量和損耗。可以有一個二極體和電感相串聯的支路反向並接在關斷單向可控矽的陰極和陽極之間。在二極體整流電路輸出端可以直接使用半導體三極體。或者可關斷可控矽來代替調壓可控矽、關斷可控矽、以及關斷電容，因此有單相和多相整流電路後直接串聯有一個可關斷可控矽或半導體三極體的可控整流電路，但它們的觸發和控制信號必須與交流電源相同步，其輸出電壓是斬波電源的包絡線電壓波形。
本發明可以廣泛應用於現有一切能使用可控整流電路，和交流可控調壓電路的場合，特別是低電壓輸出(深控)場合，具有功率因數高，諧波電壓低等優點，它們是新一代的可控整流調壓電路和交流可控調壓電路。
權利要求
1.一種斬波型可控調壓(包括交流調壓和直流調壓)電路，其特徵在於在現有的可控調壓(包括可控整流調壓和交流調壓)電路中，參與調壓的可控矽(包括單向和雙向)都有一個強迫其關斷的電路，這個關斷電路由關斷電容、關斷可控矽、關斷電源、限流阻抗、二極體和電感組成。關斷電容連接在調壓可控矽和關斷可控矽兩個同名端之間，關斷可控矽的另一端與調壓可控矽同名端相連接，關斷電源通過限流阻抗加在關斷可控矽能使其導通方向的兩端之間，為提高關斷電容充電速度和減小限流阻抗耗損，可增加一個由二極體和電感串聯的支路反向並且於關斷可控矽的兩端，所有可控矽的觸發極上都接有和電源相同步的觸發信號。
2.一種斬波型可控調壓(包括交流調壓和直流調壓)電路，其特徵在於在現有的整流電路的輸出端直接接有由可控矽、電容、電源、阻抗、電感和二極體所組成的整流斬波調壓電路，電容接在兩個可控矽陽極之間，這兩個可控矽的陰極相連，關斷電源通過限流電阻接在關斷可控矽的陰極和陽極之間，為提高電容充電率的二極體和電感相串聯後，反相併接於關斷可控矽的陰極和陽極之間，在直流調壓時，斬波電路與負載相串聯，並接在整流電路的兩個直流輸出端，在交流調壓時，負載與交流電源相串聯，斬波電路並接於整流電路的兩個直流輸出端，兩個可控矽的觸發極接有與電源相同步的觸發信號。
3.根據權利要求2所述的直流調壓電路，其特徵在於在三相半波整流電路之後接有一個由電阻、電容、二極體、電感和兩個可控矽及其與電源同步的觸發信號組成的斬波電路。
4.根據權利要求2所述的直流調壓電路，其特徵在於在三相橋式整流電路之後接有一個由電阻、電容、二極體、電感和兩個可控矽及其與電源同步的觸發信號組成的暫波電路。
5.根據權利要求2所述的交流調壓電路，其特徵在於有一個三相橋式二極體整流電路和在整流電路之後有一個將整流電路兩端短路的直流斬波電路，三相負載串在三相整流橋和三相電源之間。
6.一種斬波型可控調壓(包括交流和直流)電路，其特徵在於在現有整流電路之後直接連接有一個可關斷可控矽來進行斬波調壓，其觸發信號是與電源相同步的，其輸出電壓為電源的斬波波形。
7.一種斬波型可控調壓(包括交流和直流)電路，其特徵在於在現有整流電路之後直接接有一個半導體三極體進行斬波調壓，半導體三極體基極接有與電源同步的開關控制信號。
8.根據權利要求7所述的直流可控調壓電路，其特徵在於在橋式整流電路之後串有一個三極體的斬波調壓電路，直流負載接在三極體和整流橋之間，三極體基極加有與電源相同步的開關信號。
9.根據權利要求4所述的交流可控調壓電路，其特徵在於在整流橋的兩個輸出端之間連接電晶體集電極和發射極，其基極加有與電源相同步的開關控制信號，交流負載接在電源和整流橋的輸入端之間。
全文摘要
本發明涉及單相和多相可控整流調壓電路、單相和多相交流調壓電路，特別是涉及到基波電流和基波電壓的相位差和功率因數。電路由二極體、可控矽、電晶體、電容、電阻、電感、變壓器和負載組成。其特徵是有一個調壓可控矽的關斷電路，它具有在低電壓輸出時，也能使基波電流和電壓相位差少、功率因數高、諧波少等優點。適用於現有單相和多相可控整流調壓電路，以及單相和多相交流調壓電路所能應用的場合。
文檔編號H02M7/155GK1079082SQ9210352
公開日1993年12月1日 申請日期1992年5月1日 優先權日1992年5月1日
發明者龔秋聲, 蔡方英, 龔穎臻, 龔穎波 申請人:龔秋聲