CN104348371A - 低纹波单相整流器 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了几种低纹波单相整流器拓朴结构，其基本结构是整流器以三相桥代替单相桥；增加移相电路，串接在交流电源线和整流桥的一个整流臂中；使增加的整流输出的波形落在原有单相整流波形的谷部位置以大大减少交流纹波，这样一来，就可以使输出直流电采用由电容量较小的非电解电容器滤波，从而使单相整流器不依赖于寿命短、效率低的电解电容器，本发明可以广泛使用在所有小功率单相整流器或依靠交流输入的其它直流电源设备中。

Description

低纹波单相整流器

技术领域

本发明属于电气变流技术领域，具体地说，是提出一种适合小功率单相交流电源输入、直流功率输出的电子整流器装置。

背景技术

在许多小功率电子设备中，由电网提供的单相交流电必须通过整流器才能得到直流电。但是单相整流后所得到的是含有高交流纹波的直流电，必须由大容量的电解电容器滤波，才能滤除交流纹波，得到较稳定的直流电，通常所需要电容的数值较大，唯有采用电解电容器才能达到设定的滤波效果。但是，电解电容器的损耗大、寿命短，电解液容易干枯，电容量也会随时间推移而减小，以至逐渐失效，因此迫切需要开辟一种低纹波无电解电容器的电子整流器装置。

发明内容

本发明的目的是采用储能元件电路移相整流的方法，通过另一路移相整流波形，以填补原有单相整流后形成的直流电压波形波谷缺口，从而减少交流纹波幅度，所需滤波电容量自然减小，以至用容量较小的非电解电容器就可以达到原定的滤波效果，用以解决电子整流电源对电解电容器的依赖，提高电子整流器装置的整机性能和寿命。

本发明的低纹波单相整流器是这样实现的，一种由整流桥和滤波器构成的整流器装置，其特征为，在原有单相整流桥中，增加一个桥臂，成为三相桥(1)；储能元件构成移相电路(2)作为移相器件，串接在交流电源线和整流桥(1)所增加的一个整流桥臂中；整流桥输出的直流电由电容量较小的非电解电容器(3)滤波。

本发明的单相整流器靠储能元件的作用，将单相电压改变为比该单相电压超前或滞后的电压。这个移相后的电压，经整流后必定落在原有整流波形的波谷区，所以使原有整流后的波形的交流纹波明显降低，也就可以用较小容量的非电解电容器旁路频率较高的整流纹波电流，而不需要用电容量相对较大的滤波电容器。消除了整流器对电解电容器的依赖，提高了整流器的可靠性和寿命。

附图说明

图1、传统的单相整流器线路和波形图。

图2、本发明的采用移相电容器C的整流器及其波形图。

图3、移相电容器C容量变化对纹波的影响图。

图4、采用移相电感器L的整流器线路图。

图5、采用单相电改变为三相电的移相电路拓朴及原理图。

具体实施方式

图1为传统的单相整流器线路和波形图。图1a)为输入整流器的交流电压波形，图1c)为经整流器整流后的直流电压波形，图1b)则为单相整流桥线路图。

从图1c)的波形发现，如果整流器后面没有滤波电容，那么从波峰(正弦半波的最大值)到零电压的波谷，其交流纹波的脉动电压是非常高的，也就是说，必须采用容量足够大的电解电容作滤波处理，才可以克服该大波谷，得到比较稳定的直流电压输出。

本发明的思路，就是将原有单相电压作移相处理，将移相后的电压整流后叠加在原有单相整流电压中，由于移相整流电压位于原有整流波形的波谷区，很明显，其合成整流波形中的交流纹波就可以大幅减小。

如果增加储能元件电感器和/或电容器，改变原有单相波形的相位，那么该移相波整流后将全部或部分落在原有单相整流波形的波谷区域，使输出成为低纹波量的直流电，它所需要的滤波电容量自然会小很多。

图2为本发明的采用移相电容器C的整流器及其波形图。

图2a)为整流器输入端的交流电压Ua的波形图。图2b)为本发明的整流器线路图，图中，D1-D4四个二极管与图1相同，但还需要增加一条整流臂，该整流臂由两个二极管D5和D6同向串联，D5和D6的方向与原有整流器其他二臂相同，将D5和D6的中间连接处接到移相电容器C的一端，C的另一端则接交流电的一端。本发明的整流器(1)是由6个整流二极管D1-D6组成的三相桥，移相电路(2)则由移相电容器C构成，移相电容C必须为能流过交流电的非电解电容器。

图3为移相电容器C容量变化对纹波的影响图。这是一张示范图，传统的单相整流波形，如图1c)所示，为一将正弦波的负向波形搬到正向的二倍工频的脉动直流电。图3所示为在原单相整流波形的基础上多增加的一块波形，这块波形就是本发明所披露的“增加的移相整流波形”，图中从左至右移相电容C的容量依此增大，即C’＜C”＜C”’，可以看出，随着电容量逐步增大，谷区被移相波形补偿的部分越来越大，纹波将越来越小，所需要的滤波电容容量也将随之减小。总的说来，移相电容容量远小于滤波电容容量，而即使是很小的移相电容容量，其填充谷区的效果也比同容量的滤波电容强得多。

图4所示为，移相电路(2)由电感器L替代电容器C构成的另一种移相电路(2)。

图2或图4中的直流输出端，均并联有非电解电容器构成的滤波电容器(图中未画出)。

图2或图4所示的移相电路实质上可以看作将原有的交流输入的单相电扩展为二相电，所以利用了所增加的另一相电的整流波形中的峰值恰好填补在原有整流波形中的谷区，具有最佳的补偿效果，使直流纹波中的交流成分的最低波从二倍工频上升为四倍工频。但按图中线路结构，均无法满足90°电角度移相的理想要求，且移相电源来自原有交流电压，而移相电路有一定压降，所以移相后的电压低于原有交流电压，致使直流纹波中的交流成分的最低波还是二倍工频，当然其谐波量比不加移相电路的传统单相整流器要小得多。

本发明的发明点就在于，采用了容量相对较小的储能元件，例如移相电容器或移相电感器，将原有单相电压改变为比该电压超前或滞后的电压。用移相电压整流波形的波峰区，填补在原有单相整流波形的波谷区，有效减小了交流纹波的幅度，交流纹波明显降低，也就可以用小容量的非电解电容器旁路频率较高的整流纹波电流，而不需要用电容量相对较大的电解电容器滤波。消除了整流器对电解电容器的依赖，提高了整个整流器的可靠性和寿命。

因为将单相电改变为二相电，需要移相90°电角度，在简单电路设计上，是难以达到理想移相目标的。众所周知，三相整流器输出直流电中的纹波远小于单相整流，且纹波的基波频率三倍于单相，更易于滤除。为了达到更好的移相填谷的效果，可以将原有的单相电改变为三相电，那么，移相角度大约在30°左右就够了，同时电压也容易达到平衡。

图5a)为将单相电改变为三相电后的移相整流器电路拓朴。图中，移相电路(2)同时采用电容器C和电感器L。输入交流电AC的二端为S和R，其中R接在三相桥式整流器的一臂，即D1和D2二极管的中间，S端同时接移相电容器C和移相电感器L的一端，移相电容器C的另一端仍接入三相桥式整流器的第三臂，即D5和D6二极管的中间点P，移相电感器L的另一端接入三相桥式整流器的第二臂，即D3和D4二极管的中间点Q。

下面通过图5b)的电压矢量分析，了解图5a)线路是如何将单相电改变为三相电的原理。在图5b)中，假设输入交流电Ua用线段SR表示，处于零度电角位置，通过电容器C1的移相，电压PR超前于电压SR。同理，通过电感器L1的移相，电压QR滞后于电压SR，将R、P、Q三点接入三相桥式整流器(2)，在一定的负荷条件下，选择C和L的参数，确定了P、Q、R三点的位置，则本发明的电路拓朴，与一个真正的三相电接入三相桥式整流桥的效果应该是一样的。从理论分析可以得出结论，很明显经过该三相桥式整流器输出的直流电含有最低为六倍工频的交流纹波，其交流成份应该比图2图4的拓朴结构小得多。图5c)为理想参数下的整流后各相交流电波形图。对于这样的交流纹波，滤波电路(3)中的电容器C2更可相应减少容量，采用较小容量的非电解电容器有更大的可能性和实用性。

当然，P、Q点的位置，在电容C和电感L确定后，还会随负载电流的大小和性质的不同而变化，所以理想平衡三相的条件只是在某一负载的状况下才能实现，这与真正三相电输入的情况还是有所区别的。

但即使不处于理想平衡状态，由于与单相整流波形相比，本发明的线路所产生的整流输出直流电波形中的交流纹波成份小得多，这就为取消必须采用的较大容量的电解电容器创造了条件，也就是说，可以用相对容量小得多的非电解电容器，如图5a)中的滤波电容(3)中的电容器C2即为非电解电容。

非电解电容器的种类非常多，有薄膜电容器、纸介、瓷介、纳米等电容器，但以薄膜电容器用得较多。薄膜电容器的种类非常多，例如聚酯膜电容器、金属化薄膜电容器等，采用薄膜电容等电容器代替电解电容器比电解电容器的稳定性、可靠性和寿命高得多。总的说来，这些非电解电容器，效率高、损耗小、不易发热、适用温度范围广，对交流电的阻抗小，不存在电解液干枯问题等许多优点。

Claims (5)

1.一种低纹波单相整流器装置，整流器由整流桥和滤波器构成，其特征为，在原有单相整流桥中，增加一个桥臂，成为三相桥(1)；储能元件构成移相电路(2)作为移相器件，串接在交流电源线和整流桥(1)所增加的一个整流桥臂中；整流桥输出的直流电由电容量较小的非电解电容器(3)滤波。

2.权利要求1所述的低纹波单相整流器装置，其特征为，移相电路(2)则由移相电容器C构成，移相电容C必须为能流过交流电的非电解电容器。

3.权利要求1所述的低纹波单相整流器装置，其特征为，移相电路(2)由电感器L替代电容器C构成。

4.权利要求1所述的低纹波单相整流器装置，其特征为，整流器(1)采用三相桥式·整流；移相电路(2)同时采用电容器C和电感器L；输入交流电AC的二端为S和R，其中R接在三相桥式整流器的一臂，即D1和D2二极管的中间，S端同时接移相电容器C和移相电感器L的一端，移相电容器C的另一端仍接入三相桥式整流器的第三臂，即D5和D6二极管的中间点P，移相电感器L的另一端接入三相桥式整流器的第二臂，即D3和D4二极管的中间点Q；滤波电路(3)中的电容器C2采用非电解电容器。

5.权利要求4所述的低纹波单相整流器装置，其特征为，滤波电路(3)中的电容器C2为薄膜电容器中的一种或数种，例如聚酯膜电容器、金属化薄膜电容器等，也可以是瓷介、纸介或纳米电容器等非薄膜电容器。