脈動(dòng)直流的紋波系數(shù)

俞 豐

(紹興市承天電器有限公司電源研發(fā)中心，浙江紹興 312000)

引 言

在電鍍生產(chǎn)過(guò)程中，需要用到各種電源設(shè)備，如可控硅整流器、硅整流器和高頻開(kāi)關(guān)電源等設(shè)備。電鍍行業(yè)中的某些鍍種對(duì)整流器輸出的脈動(dòng)直流要求其交流成分越小越好，即紋波系數(shù)盡可能小。因此對(duì)可控硅整流器與高頻開(kāi)關(guān)電源如何降低與計(jì)算波紋系數(shù)，對(duì)高頻電源的紋波系數(shù)作了討論，使電鍍行業(yè)在選用電源設(shè)備時(shí)，根據(jù)鍍種的要求選擇。

1 脈動(dòng)直流

1.1 整流電源輸出的直流電壓都是脈動(dòng)直流

交流電通過(guò)具有單向?qū)щ娦缘恼鞴苷骱?，輸出的直流電與理想的直流電波形不一樣。以三相橋式整流電路示意圖為例，見(jiàn)圖1、圖2和圖3。

圖1 三相橋式整流電路圖

圖2 整流變壓器二次側(cè)線電壓

圖3 直流輸出側(cè)電壓

從圖1～圖3中可以看出，三相橋式整流電路直流輸出的電壓波形，它的輸出電壓方向不變，但大小有變化。把這種方向不變，大小在變化的直流電壓稱(chēng)作為脈動(dòng)直流。一切通過(guò)整流器輸出的直流電都是脈動(dòng)直流。

1.2 脈動(dòng)直流電壓的描述

脈動(dòng)直流可簡(jiǎn)單地描述為一個(gè)恒穩(wěn)的直流電壓與一個(gè)交流電壓的疊加處理，圖4為脈動(dòng)直流電壓波形。

圖4 脈動(dòng)直流電壓波形

在電鍍生產(chǎn)中實(shí)際需要的是圖4(a)恒穩(wěn)的直流電壓，而不希望輸出波形中具有交流成分，或盡可能減小交流成分。為了描述輸出直流波形的優(yōu)劣，引入了輸出電壓紋波系數(shù)這個(gè)物理量。

輸出電壓紋波系數(shù)γ=輸出電壓交流分量有效值(Urms)/輸出直流電壓平均值(U0)。γ越小，表示輸出電壓越接近理想的恒穩(wěn)直流。這在電鍍行業(yè)中對(duì)某些鍍種工藝要求是一個(gè)重要的參數(shù)。

上述分析過(guò)程其實(shí)是整流過(guò)程中最理想的狀態(tài)下的現(xiàn)象，即整流過(guò)程中波形不畸變。而整流的實(shí)際輸出波形一定會(huì)畸變?；兊牟ㄐ卧诶碚撋贤ㄟ^(guò)傅立葉級(jí)數(shù)分解?？烧J(rèn)為圖4(b)是由許多諧波組成的交流成分，簡(jiǎn)稱(chēng)紋波電壓。

1.3 紋波電壓的危害［1］

任何整流器在整流過(guò)程中，由于波形的畸變都會(huì)在電網(wǎng)側(cè)產(chǎn)生諧波，而諧波會(huì)造成嚴(yán)重的電網(wǎng)污染。

1)諧波會(huì)嚴(yán)重降低電源的效率;

2)較強(qiáng)的諧波會(huì)造成浪涌電壓或浪涌電流導(dǎo)致燒毀用電設(shè)備;

3)諧波會(huì)干擾數(shù)字電路的邏輯關(guān)系;

4)諧波會(huì)帶來(lái)噪音干擾，使通訊影像設(shè)備系統(tǒng)不能正常工作。

1.4 紋波電壓的抑制方法

紋波電壓的抑制方法，盡可能采用多相整流電路，加大濾波電路中電容容量，或采用效果更好的LC濾波電路。抑制了紋波電壓即能有效降低脈動(dòng)直流的交流成分，也就降低了脈動(dòng)直流的紋波系數(shù)。

2 可控硅整流器如何抑制電壓紋波系數(shù)

2.1 可控硅整流器的電壓紋波系數(shù)與整流電路的相數(shù)有關(guān)

各類(lèi)可控硅整流電路輸出的脈動(dòng)直流中電壓紋波系數(shù)γ與整流電路的相數(shù)有關(guān)系，電路輸出的脈動(dòng)頻率與電壓紋波系數(shù)γ的關(guān)系列于表1。

從表1分析可知，整流電路輸出頻率越高(即輸出相數(shù)越多)它的紋波系數(shù)越低。

表1 可控硅整流電路輸出的脈動(dòng)頻率與電壓紋波系數(shù)γ的關(guān)系

不論采用何種整流形式，可控硅全導(dǎo)通時(shí)只要輸出頻率(相數(shù))相同，它的電壓紋波系數(shù)也相同。

上述結(jié)論的條件是輸出電壓為基波脈動(dòng)頻率，而實(shí)際上在此交流成分中尚具有其他的諧波電壓甚至還具有少量的13次以上的高次諧波。尤其是5、7、9等奇次諧波對(duì)紋波系數(shù)的影響最大。因此實(shí)際紋波系數(shù)遠(yuǎn)大于表1顯示的理論值。

在電鍍工藝中為了保障鍍層的光亮度、硬度和覆蓋能力，整流器輸出的脈動(dòng)直流的紋波系數(shù)要求盡可能小。為了達(dá)到此目的，除選擇六相整流電路外還應(yīng)在輸出電路中加接LC濾波電路。

2.2 加裝LC濾波電路能有效降低紋波系數(shù)

圖5 所示為諧波吸收電路原理圖。

根據(jù)電工學(xué)理論，濾波電路對(duì)n次諧波(ωn=nω。)的阻抗為:

式中，Z表示第n次諧波的阻抗;R表示濾波器的直流阻抗，R的阻抗很小可忽略不計(jì)，nω0L為電抗器的感抗，1/(nω0C)為電容器的容抗。

圖5 諧波吸收電路原理圖

圖5 (a)濾波器是利用L.C諧振原理構(gòu)成的。由圖5(b)可知，在諧振點(diǎn)K處感抗與容抗相等。即nω0L=1/(nω0C)由此可得諧振次數(shù)在諧振點(diǎn)K處Z=R，因R很小n次諧波電流主要經(jīng)R分流。因此只要將濾波器的諧波頻率設(shè)定為與需要濾除的諧波頻率一致，則該次諧波被消除。如何選擇恰當(dāng)?shù)腖.C值，使濾波器高效且低成本是關(guān)鍵。

科學(xué)地選擇濾波器的電抗器的電感量L及電解電容的電容量C，它能有效濾除相關(guān)的諧波分量從而降低紋波系數(shù)。但在此過(guò)程中必須考慮濾波器的成本，以及電解電容器的安全性與使用壽命。

3 高頻開(kāi)關(guān)電源紋波系數(shù)的描述及測(cè)量

3.1 電源輸出脈動(dòng)直流的調(diào)節(jié)方法

高頻開(kāi)關(guān)電源輸出的脈動(dòng)直流的含義與可控硅整流電源輸出的脈動(dòng)直流的含義基本一樣，都符合1.2節(jié)中對(duì)脈動(dòng)直流的描述。但兩者又有原則上的差異。由于高頻開(kāi)關(guān)電源采用PWM脈寬調(diào)制技術(shù)，對(duì)輸出電壓的調(diào)制與可控硅整流電源調(diào)制方法不一樣。

可控硅整流電源通過(guò)調(diào)節(jié)可控硅移相角的方式來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓，如圖6(a);而高頻開(kāi)關(guān)電源采用調(diào)節(jié)脈寬(ton)來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓，如圖6(b)。

圖6 可控硅電源與高頻電源調(diào)節(jié)輸出電壓的方式

從圖6可知，可控硅整流電源通過(guò)調(diào)節(jié)移相角使脈動(dòng)直流輸出電壓的平均值與幅值都會(huì)改變。而高頻電源通過(guò)調(diào)節(jié)脈寬來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓的平均值，但是不能改變它的脈沖幅值。這是兩種電源輸出脈動(dòng)直流的重要差異。因此如何來(lái)描述高頻輸出脈動(dòng)直流的紋波系數(shù)，值得探討。

3.2 高頻電源紋波系數(shù)計(jì)算辦法

為了能尋找較便捷的方法來(lái)描述高頻開(kāi)關(guān)電源輸出脈動(dòng)直流的紋波系數(shù)做了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)對(duì)象高頻電源1000A/12V;實(shí)驗(yàn)?zāi)康母哳l電源的紋波系數(shù)的測(cè)量;測(cè)量?jī)x器為數(shù)字萬(wàn)用表和示波器。

表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析:

1)根據(jù)表2數(shù)據(jù)分別計(jì)算出高頻電源電壓紋波系數(shù)。

計(jì)算得到的高頻開(kāi)關(guān)電源輸出脈動(dòng)直流的紋波系數(shù)是不可思議的，這顯然是錯(cuò)誤的。引起錯(cuò)誤的原因主要是萬(wàn)用電表只能測(cè)量工頻狀態(tài)下的交流電壓，頻率在1000Hz以上的交變電壓測(cè)量值只能作參考，更何況高頻開(kāi)關(guān)電源輸出的脈動(dòng)直流的頻率高達(dá)數(shù)萬(wàn)Hz，因此萬(wàn)用電表不能測(cè)量高頻脈動(dòng)直流中的交流電壓。

2)采用萬(wàn)用電表測(cè)量的脈動(dòng)直流的直流電壓U0基本與整流電源上電壓表顯示的數(shù)值一致，這說(shuō)明萬(wàn)用電表直流檔測(cè)量的直流電壓U0是可靠的。

3)根據(jù)示波器測(cè)量的交流電壓峰值Um－U0可計(jì)算高頻脈動(dòng)直流中的紋波系數(shù)。圖7是高頻脈動(dòng)直流輸出波形示意圖。

圖7 高頻脈動(dòng)直流輸出波形示意圖

表3 高頻電源紋波系數(shù)的計(jì)算

圖7 中Um為脈動(dòng)直流的峰值電壓(可在示波器上讀出);U0為輸出直流電壓平均值(可用萬(wàn)用表直流電壓檔測(cè)量);Um－U0=Vm為脈動(dòng)直流中交流成分的峰值電壓;脈動(dòng)直流中交流電壓有效值，由此可計(jì)算出高頻開(kāi)關(guān)電源輸出脈動(dòng)直流的紋波系數(shù)

根據(jù)表2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄，可以計(jì)算出高頻電源在不同工作狀態(tài)下的紋波系數(shù)。表3為高頻電源波紋系數(shù)的統(tǒng)計(jì)。

從表3計(jì)算結(jié)果可知，高頻電源輸出脈動(dòng)直流中的紋波系數(shù)與電源輸出電壓無(wú)關(guān)，基本保持一個(gè)恒定的值，即高頻電源輸出脈動(dòng)直流中的交流成分基本保持不變。

3.3 LC濾波器能有效降低脈動(dòng)直流中的交流成分

LC濾波器能有效降低高頻電源輸出脈動(dòng)直流中的交流成分，高頻電源輸出電路如圖8所示。

圖8 高頻電源輸出電路示意圖

從圖8分析可知，高頻電源輸出脈動(dòng)直流中交流成分，主要產(chǎn)生于三相整流部分以及高頻整流輸出部分。根據(jù)2.2節(jié)的方法，正確選擇 L1、C1與L2、C2的參數(shù)，即可有效降低高頻脈動(dòng)直流中的交流成分。

從討論可知，高頻開(kāi)關(guān)電源與可控硅電源輸出的脈動(dòng)直流的紋波系數(shù)測(cè)量手段不一樣，高頻電源需用萬(wàn)用電表直流檔與示波器相結(jié)合才可測(cè)量紋波系數(shù)，而可控硅電源只需萬(wàn)用電表即可測(cè)量紋波系數(shù)。

由于高頻電源輸出的脈動(dòng)直流的脈動(dòng)頻率高達(dá)數(shù)萬(wàn)Hz，因此LC濾波器中的L與C都可取較小值，即相應(yīng)的電抗器與電容器都可降低容量從而有效降低濾波器的制作難度與成本。

由此可見(jiàn)降低高頻電源輸出的脈動(dòng)直流的紋波系數(shù)遠(yuǎn)比降低可控硅電源的紋波系數(shù)容易得多。

4 結(jié)束語(yǔ)

電鍍行業(yè)中并非所有鍍種都有低紋波的工藝要求。其實(shí)對(duì)電源有低紋波工藝要求的鍍種只是少數(shù)，如鍍鉻、鍍銅等，極大部分鍍種對(duì)紋波系數(shù)無(wú)要求或較低要求。

有些鍍種例如貴金屬、接插件或印制版等電鍍要求電源輸出的直流電壓具有脈沖性，因它可以大幅度提高電鍍速率，改善平滑度以及增加硬度與耐磨性。

由此可見(jiàn)對(duì)電源的低紋波要求需根據(jù)鍍種的工藝而定。

［1］王兆安.諧波抑制和無(wú)功功率補(bǔ)償［M］.第2版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005:40-51，151-152.