整流器

整流器

整流器(英文:rectifier)是把交流電轉換成直流電的裝置,可用於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,固態矽半導體二極體,汞弧等製成。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:第一,將交流電(AC)變成直流電(DC),經濾波後供給負載,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。

基本信息

工作原理

整流器整流器
汽車發電機產生的交流電經過整流器整後變為直流電,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恆定,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。整流二極體就是利用PN結的這種單嚮導電特性將交流電流變為直流的一種PN結二極體。通常把電流容量在1安以下的器件稱為整流二極體,1安以上的稱為整流器。常用的半導體整流器有矽整流器和硒整流器,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。整流器廣泛用於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。矽材料的禁頻寬度較大,導熱性能良好,適於製作大功率整流器件。在耐高壓的整流裝置中常採用高壓矽堆,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,最高耐壓可達幾百千伏。如果高頻整流電路用於很高頻率下,當交流電壓的周期與整流器通態到關態的恢復時間相當時,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,通常在矽整流器中採用摻金的方法,以縮短注入少數載流子的壽命,從而達到減小恢復時間的目的。
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,可採用矽雪崩整流器。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。製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。
在以大功率二極體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:以不可控二極體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,這種最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的功率因數載入於電網。

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:

第一,將交流電(AC)變成直流電(DC),經濾波後供給負載,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。

三極體參數

整流器整流器
三極體的hFE參數與貯存時間ts相關,一般hFE大的三極體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參數來選擇三極體。

在開關狀態下,hFE的選擇通常有以下認識:第一、hFE應儘可能高,以便用最少的基極電流得到最大的工作電流,同時給出儘可能低的飽和電壓,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的最大值就受到限制;第二、中國的廠家曾經傾向於選用hFE較小的器件,例如hFE為10到15,甚至8到10的三極體就一度很受歡迎(後來,由於基極迴路流行採用電容觸發線路,hFE的數值有所上升),hFE的數值小則飽和深度小,從而有利於降低電晶體的發熱。

實際上,電晶體的飽和深度受到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。

發展現狀

目前,業界推出的節能燈和電子鎮流器專用三極體都十分注重對貯存時間的控制。因為貯存時間ts過長,電路的振盪頻率將下降,整機的工作電流增大易導致三極體的損壞。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,貯存時間太大的電晶體可能引起電路在低於輸出變壓器工作極限的頻率振盪,從而造成每個周期的末端磁芯飽和,這使得電晶體Ic在每個周期出現尖峰,最後導致器件過熱損壞(圖3)。

如果同一線路上的兩個三極體貯存時間相差太大,整機工作電流的上下半波將嚴重不對稱,負擔重的那隻三極體將容易損壞,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並恰當調整整機電路,就可以降低對hFE參數的依賴程度。還值得一提的是,在晶片面積一定的情況下,三極體特性、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,但是目前絕大部分電子鎮流器線路中,已經沒有必要過高選擇三極體的電壓參數。

基本要求

整流器整流器
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脈衝整流器的輸入電流的THD在6脈衝整流器的滿載輸入電流時應小於33%;採用輸入濾波器可將輸入電流失真減小到10%。

12脈衝整流器的輸入電流的THD在12脈衝整流器的滿載時應小於10%,採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

當採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%,並在10秒的時間間隔內逐漸將輸入功率增加到100%額定容量。在冗餘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並有保護。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,並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最小。整流器的DC輸出電壓的AC紋波電壓應小於浮充電壓(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線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倍於放電時間的時間內,將蓄電池的放電功率恢復到95%。蓄電池再充電後,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。

二極體整流器

所有整流器類別中最簡單的是二極體整流器。在最簡單的型式中,二極體整流器不提供任何一種控制輸出電流和電壓數值的手段。為了適用於工業過程,輸出值必須在一定範圍內可以控制。通過套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範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範圍內控制。

晶閘管整流器

在設計上非常接近二極體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體整流器快。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體系統小。

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。

按照所採用的整流器件,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,則線上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

最簡單的倍壓整流(二倍)方式是利用兩組簡單的半波整流,以指向相反的二極體分別生成兩個正負不同的電源輸出,並分別加以濾波。連線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體和電容器的級聯,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),當時是用於粒子加速器。 這樣的倍壓電路雖可以提供幾倍於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。

整流器套用

整流器整流器
整流器的主要套用是把交流電源轉為直流電源。 由於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。

至於把直流電源的電壓進行轉換則複雜得多。 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),然後使用變壓器改變該交流電壓,最後再整流回直流電源。

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體。 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,太大則將抑制訊號。

整流裝置也用於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,此時會以可控矽(一種晶閘管)替換橋式整流中的二極體,並以相位控制觸發的方式調整其電壓輸出。

晶閘管也用於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)則可用於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。

通信電源

以下科技名詞按拼音字母排序,排名不分先後

▪ 基礎電源▪ 交流配電設備▪ 直流配電設備▪ 電池

▪ 蓄電池▪ 不間斷供電系統▪ 遠距離供電系統▪ 架裝電源

▪ 接地系統▪ 太陽能電池供電系統▪ 風力發電機▪ 燃氣渦輪發電機

▪ 柴油發電機組▪ 溫差發電器▪ 換流設備▪ 整流器

▪ 逆變器▪ 直流變換器▪ 晶閘管整流設備▪ 初充電

▪ 均衡充電▪ 浮充電壓▪ 限流特性▪ 軟起動性能

▪ 音響噪聲▪ 波形失真率▪ 並聯冗餘系統

高壓直流輸電

▪ 高壓直流輸電系統▪ 兩端高壓直流輸電系統▪ 多端高壓直流輸電系統▪ 背靠背換流站

▪ 高壓直流背靠背系統▪ 單向高壓直流系統▪ 雙向高壓直流系統▪ 高壓直流系統極

▪ 單極高壓直流系統▪ 雙極高壓直流系統▪ 單極大地回線高壓直流系統▪ 雙極大地回線高壓直流系統

▪ 單極金屬回線高壓直流系統▪ 雙極金屬回線高壓直流系統▪ 高壓直流換流站▪ 變頻站

▪ 高壓直流輸電線路▪ 高壓直流輸電線路極線▪ 接地極▪ 接地極線路

▪ 換流站主接線▪ 換流變壓器▪ 網側繞組▪ 閥側繞組

▪ 直流電抗器▪ 直流電抗器避雷器▪ 直流接地開關▪ 直流電流互感器

▪ 直流分壓器▪ 直流衝擊電容器▪ 直流阻尼電路▪ 直流母線避雷器

▪ 直流線路避雷器▪ 直流濾波器▪ 交流濾波器▪ 高壓直流換流站接地網

▪ [直流]中性母線電容器▪ [直流]中性母線避雷器▪ 直流斷路器▪ 金屬回線轉換斷路器

散熱方式

通信開關電源冷卻技術的設計首先要是滿足行業各項技術性能要求。為更加適應通信機房的特殊環境使用環境,要求其冷卻方式對環境溫度變化適應性強。目前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,有利於散熱;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。

自然冷卻

自然冷卻方式是開關電源早期的傳統冷卻方式,這種方式主要是依靠大的金屬散熱器來進行直接的熱傳導式散熱。換熱量Q=KA△t(K換熱係數,A換熱面積,△t溫度差)。當整流器輸出功率增大時,其功率元件的溫度會上升,△t溫度差也增加,所以當整流器A換熱面積足夠時,其散熱是沒有時間滯後,功率元件的溫差小,其熱應力與熱衝擊小。但這種方式的主要缺點就是散熱片體積和重量大。變壓器的繞制為儘可能降低溫升,防止溫度的上升影響其工作性能,所以其材料選擇的裕量較大,變壓器的體積和重量也大。整流器的材料成本高,維護更換不方便。由於其對環境的潔淨度要求不高,目前對於小容量通信電源,在些小型專業通信網還有部分套用,如電力、石油、廣電、軍隊、水利、國安、公安等。

風扇冷卻

隨著風扇製造技術的發展,風扇的工作穩定性和使用壽命有較大的進步,其平均無故障時間是5萬小時。採用風扇散熱後可以減去笨重的散熱器,使得整流器的體積和重量大大改善,原材料成本也大大降低。隨市場競爭的加劇,市場價格的下滑,這種技術已成為當前的主要潮流。這種方式的主要缺點是風扇的平均無故障時間較整流器10萬小時時間短,若風扇故障後對電源的故障率影響大。所以為保證風扇的使用壽命,風扇的轉速是隨設備內的溫度變化而變化的。其散熱量Q=Km△t(K換熱係數,m換熱空氣品質,△t溫度差)。m換熱空氣品質是和風扇的轉速相關,當整流器輸出功率增大時,其功率元件的溫度會上升,而功率元件溫度的變化到整流器能將這種變化檢測到,再到增加風扇的轉速以加強散熱,在時間上是有很大滯後的。如果負載經常突變,或者市電輸入波動大,就會造成功率元件出現快速的冷熱變化,這種突變的半導體溫度差產生的熱應力與熱衝擊,會導致元件的不同材料部分產生應力裂紋。使之過早失效。

風扇和自然冷卻相結合

由於環境溫度的變化和負載的變化,電源工作時的耗散熱能,採用風扇和自然冷卻方式相結合可以更快的將熱能散發出去。這種方式在增加風扇散熱的同時,可以減少散熱器面積,使得功率元件工作在相對穩定的溫度場條件下,使用壽命不會因為外部條件變換受影響。這樣不僅克服純風扇冷卻對的功率元件散熱調節滯後的缺點,也了避免風扇使用壽命低影響整流器的整體可靠性。尤其在機房的環境溫度很不穩定的情況下,採用風冷和自冷相結合的冷卻技術具有更好的冷卻性能。這種方式整流器的材料成本在純風扇冷去和自然冷卻兩種方式之間,重量低,維護方便。尤其在採用智慧型風冷和自冷技術時,可以讓整流器在低負載工作條件下,模組溫升小,模組風扇處於低速運轉狀態。在高負載工作條件下,模組升溫。模組升溫超過55℃。風扇轉速隨溫度變化線性增長。風扇故障在位檢測,風扇故障後,風扇故障限流輸出,同時故障報警。由於風扇運轉數度與負載大小相關,使得風扇的使用壽命比純風冷時要長,其可靠性也大大提高。通信開關電源採用風扇和自然冷卻相結合的冷卻方式,既能在環境溫度高的情況下,有效的降低整流器內部的工作溫度,延長器件使用壽命,又能在環境溫度低及負載低的情況下,整流器的風扇降低轉速工作,延長風扇的使用壽命。採用散熱器散熱,其器件間距及爬電距離可相對較遠,在高濕度的情況下,,安全性能高。整流器體積較小、重量較輕,使維護工作變得輕鬆。為保證通信開關電源的整流器的可靠穩定工作,減少其工作溫升是一項關鍵技術。採用智慧型風冷和自冷相結合技術。具有對環境適應性更強,使用壽命長,可靠穩定等技術優勢。

核電站相關知識

核電是一種新型的清潔型能源,但由於種種原因,人們對核電心存顧慮,讓我們共同揭開核電站神秘的面紗,消除核電的顧慮。

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