整流杂谈(三)

maychang

整流杂谈(三) [复制链接]

 

在《整流杂谈(二)》中，我们谈到了全波整流电容滤波电路，如图01。

并且分析了全波整流电容滤波的电流波形，如图02。黑色曲线是绕组电动势(为负部分没有画出)波形，红色曲线是绕组中电流波形

对黑色曲线，我们能够根据其峰值计算出其有效值和平均值。但对红色曲线，很难计算，因为红色曲线的形状和滤波电容的容量、负载、绕组的直流电阻，甚至与变压器漏感等等有关。即使这些参数我们都知道，也很难写出红色曲线随时间变化的函数，更不用说对此函数积分了。

容易计算的是矩形波。矩形波的顶和底都是常数，不需要积分，只需要算术计算即可得到有效值和平均值。

最简单的矩形波就是直流。直流可以看成占空比为1的PWM波。对占空比为1的PWM波即直流来说，峰值、有效值和平均值是一回事：

对占空比为0.5、0.25、0.125和0.0625的PWM波，我们分别计算其有效值和平均值如下。各图中峰值均假定为1。有效值用蓝色，平均值用红色表示。

我们看到：占空比为0.5时，平均值也是峰值的0.5倍，但有效值却不是0.5倍，而是0.7071倍。占空比为1(直流)时有效值与平均值相同，但占空比为0.5时有效值却比平均值要大。

占空比为0.25时，有效值已经是平均值的2倍。占空比小到0.0625时，有效值达到了平均值的4倍！

在电工学中，把有效值和平均值之比称为波形系数。

从上面几幅图我们归纳出一条规律：波形越是窄而高，有效值和平均值之比就越大，换句话说波形系数越大。这条规律不仅对矩形波适用，对图02中红色的电流波形也适用。

由此立即可以看出：电容滤波电路中电源提供的电流有效值要比平均值大得多。

图02中的红色电流波形，与图04到图07对比，因为无法准确计算(没办法积分)，只能目测估计。图02目测有效值大约是平均值的二倍多，也就是说图02中红色电流波形的波形系数比2大一些，可能有2.2～2.5。

这条规律有什么用呢？

图01中，通过负载ZL的电流和变压器二次中心抽头K点的电流，平均值相同，但两电流有效值却并不相同。通过K点电流的有效值比通过负载ZL的有效值大得多。

而变压器绕组的发热量是与电流有效值平方正比的。

所以，变压器标称容量为100VA，千万别以为全波整流电容滤波后可以输出100W的直流功率。事实上，全波整流电容滤波输出40～45W直流功率时，变压器发热的程度已经和变压器二次不整流带100W纯电阻负荷时差不多。也就是说，对二次全波整流电容滤波的整流电路来说，变压器容量只能折合一半甚至不到一半来使用。

很多新手看到电子设备耗电的直流功率只有20W左右，老工程师却要使用标称容量50VA甚至更大的工频变压器，心中不免暗生疑惑：怎么留这么大的余量呢？

现在我们明白了：老工程师并没有为工频变压器留很多余量，这么大容量的变压器用在全波直流电容滤波电路上，它只能得到比标称容量小得多的直流功率。

所以，新手在设计工频变压器全波整流电容滤波的直流电源时，千万注意：别把直流输出功率当成变压器容量。你要是这么设计，工作一段时间后变压器就会烫手的。更麻烦的是：发现变压器非常烫，认为电路有问题，可查来查去也没有发现哪个元件损坏。不是书上的全波整流电容滤波电路有问题，是你的设计计算有问题。

maychang

正在减肥的肥伟 发表于 2016-3-3 10:35
还有没有整流杂谈（四）？

有的。准备写到“整流杂谈(五)”。

chunyang

过去，在变压器电源为主流的时候，很多电器里的变压器都没有留够余量，基本上就是1：1。于是，变压器过热损坏很常见，尤其是负载变化比较大的电器，如当年的收录机之类。1980s，俺经常修电器，这种情况遇到过不少。

正在减肥的肥伟

还有没有整流杂谈（四）？

正在减肥的肥伟

maychang 发表于 2016-3-3 11:21
有的。准备写到“整流杂谈(五)”。

三代魔王

谢谢分享。。。

hk6108

实际上，变压器的利用率也许还得打个折，因负载与平波电容是同时吃电的，
负载存在，平波电容才有『交流通道』，负载阻抗会影响平波电容的充放电强度，
我猜测，当平波电容的「折合容抗」跟负载阻抗相等时，变压器的利用率是最高的了吧？

hk6108

即使是全波（双半波，半桥式倍压，全桥）整流，变压器的利用率依然低得可怜，而且，非正弦电流还会增加铁损！
变压器是个双向沟通的器件，作为电源与负载的中介，你可以经它取电，也可以经它卖电，负载导致的畸变，不会只由变压器独扛，而是会『发泄』到电网里，一个小区（十几至百多户吧），假设每户都有一套100瓦的半导体功放音响（用的都是电容平波，变压器要多少瓦才够用？！），假如让所有住户的机子一齐满功率输出，大概已让街道变电站够受的，甚至不胜负荷而跳闸了吧？

maychang

hk6108 发表于 2016-3-14 20:14
实际上，变压器的利用率也许还得打个折，因负载与平波电容是同时吃电的，
负载存在，平波电容才有『交流通 ...

这个，我没有考虑过，需要仔细计算一下才能够确定。
不过，电容的容抗跟负载阻抗相等，纹波会非常大(相对于通常见到的设计来说)，这一点是肯定的。因此这种情况很难遇到。

maychang

hk6108 发表于 2016-3-14 21:40
即使是全波（双半波，半桥式倍压，全桥）整流，变压器的利用率依然低得可怜，而且，非正弦电流还会增加铁损 ...

没错，负载导致的畸变对电网来说很不利，所以对大功率用电器必须要加入功率因数控制(PFC)。

hk6108

以电瓶为电源，设负荷电流恒为 1A，要求一整天不掉压，那么，这电瓶的容量至少得有24安时，倘若咱们想让它在一刻钟内恢复全部容量，那就得以 100A 充电！
电容平波的情况跟这类似，电源不管交直流，能带多少负荷 是受制于最大瞬时电流的，瞬时负荷愈大或愈偏离电压进程规律，电源的自身损耗及容量架空就愈严重；可控硅整流，如果只用一种方式（自然或强制换相）或大量採用同一方式的电路同时运行，同样会造成电源的不合理使用。

hk6108

maychang 发表于 2016-3-15 16:42
没错，负载导致的畸变对电网来说很不利，所以对大功率用电器必须要加入功率因数控制(PFC)。

针对电容平波模式，有这么一种可使功率因数改善的方法，当然，功效有限。

maychang

hk6108 发表于 2016-3-15 19:47
针对电容平波模式，有这么一种可使功率因数改善的方法，当然，功效有限。

不错，是有这么一种改善功率因数的方法，其功效也确实比较有限。
所以现在较大功率的开关电源，是用有源方法来改善功率因数，即PFC。本质上，PFC是一个在电源输入处改善功率因数的专用开关电源。

hk6108

maychang 发表于 2016-3-15 22:42
所以现在较大功率的开关电源，是用有源 ...

APFC，可理解为可控整流的进化版，
白炽灯，是纯电阻，改变可控硅的导通角，就可调光，虽无储能器件，但这样调光也会衍生「相移功因」，
在APFC中，管子的开关会把市电周波N等分，这样，理论上 不管你带的负载是甚么，工频「相移功因」都是1，滤波元件的作用只是把高频脉波轧平，对工频「相移功因」同样没有影响。

hk6108

整流，操控的是流向与流量，但一般而言，单说整流（而不是 整流电源）的话，指的是狭义的整流，也就是负载电流方向的规划。
整流的分类，有几种二分法，从元件功能看，有不控与可控，从电路拓扑看，有串联与并联，从电源利用率看，有半波与全波，另外有一些特殊的方式，如倍量（倍压，倍流）整流与同步（增强型开关的正向开通或耗尽型开关的反向阻断需要驱动）整流。

mengshouwen

学习了，很好的论点！

waytodeath

张老师：您上面说“图01中，通过负载ZL的电流和变压器二次中心抽头K点的电流，平均值相同，但两电流有效值却并不相同。通过K点电流的有效值比通过负载ZL的有效值大得多。”，后生就看到这里感觉没看懂，为何平均值相同？怎么理解？

maychang

waytodeath 发表于 2016-12-30 13:51
张老师：您上面说“图01中，通过负载ZL的电流和变压器二次中心抽头K点的电流，平均值相同，但两电流有效值 ...

“为何平均值相同？怎么理解？ ”
负载ZL和变压器二次中心抽头K点联接，另有电容一端也与此点联接。电容充电和放电使得负载两端电压比较平稳。注意电容充电电量和放电电量是相等的(一个周期后恢复到原状态)，所以通过负载电流平均值和K点电流平均值相等。但正是因为电容充电放电，通过负载电流的有效值和K点电流有效值不相等：电容充电放电的电流由变压器绕组供给，K点处电流所含有的交流成份远比负载中要大。

waytodeath

maychang 发表于 2016-12-30 14:30
“为何平均值相同？怎么理解？ ”
负载ZL和变压器二次中心抽头K点联接，另有电容一端也与此点联接。电容 ...

明白了~！从电量的角度，或者说电荷量的角度解释就明白啦！我是想到了电容上的电荷量才明白的。电容冲进去的电荷量和放出去的电荷量是相同的，而I=dq/dt，所以电流的平均值也相同，谢谢张老师！

PowerAnts

hk6108 发表于 2016-3-14 21:40
即使是全波（双半波，半桥式倍压，全桥）整流，变压器的利用率依然低得可怜，而且，非正弦电流还会增加铁损 ...

变压器铁损与绕组电流及绕组电流的谐波分量无直接关系, 唯一的联系是电流谐波引起初级电压失真, 失真的电压再引起励磁电流失真, 不过网电压失真一般都很小, 用示波器看整流变压器的电压电流波形, 电压波形只是八九十度那儿被啃了一口.