专利名称：斩波型可控整流和交流调压电路的制作方法
技术领域：
本发明属于电力电子科学，涉及单相和多相可控整流调压电路，单相和多相交流可控调压电路，尤其涉及到基波电流和电压的相位和功率因数。
当今的可控整流调压电路和交流调压电路都是采用可控器件截去电源波形的前部分，输出电源的后部分，这类可控整流和交流调压电路中所使用的可控器件都是采用电源自然换向方式关断的，因此只能输出电源波形的后部分，使用这类方法的可控整流和交流调压电路存在着输出电压越低，其基波电流和电压的相位差越大，功率因数越低，在直流输出端需要较大的滤波电感和电容，在电网端需要较大的电容进行补偿和滤波，这类可控整流电路其输出端采用大电容滤波时存在着很大的前沿冲击电流，它们对滤波电容和可控器件的电流上升率都要求很高，损耗和干扰也会相应增加，为了克服现有这类可控整流和交流调压电路所存在的缺点，发明者提出将现有的可控整流和交流调压电路与斩波电路两者相结合的方法来减少电路中基波电流和相位的相位差，提高功率因数，其方法是使现有可控整流中的可控器件同时担任整流调压和斩波双重任务，使交流可控调压电路中的可控器件也担任调压和斩波的双重任务，这只有使原来可控整流和交流调压电路中的可控器件由自然换相关断改为强迫关断才有可能，因此，需要在原来电路中增加一关断电路才能成为斩波型式的可控整流电路和交流调压电路，这类电路中的每一个可控器件在承受电源正向电压周期内，按照给可控器件触发和控制信号的不同可以实现输出下列五种受电源电压幅值调制的波形(在电阻负载或电感负载有续流二极管的情况下)，第一种波形是截去电源源前部分，输出电源波形后部分，这就是现有可控整流电路和交流调压电路所能输出的波形，第二种波形是截去电源后部分，输出电源波形前部分，第三种是输出电源波形中间部分，截去电源前后两部分，第四种是输出电源波形前后两部分，截去电源的中间部分，第五种是将电源实现多次斩波，输出受电源幅值调制的电源斩波后的波形。其斩波频率远高于电源频率，有利于滤波，由输出波形可知后面四种输出波形的基波电流和电压的相位差都小于第一种，即小于传统的可控整流和交流调压电路，它们的功率因数也高于传统的电路。斩波型式的可控整流电路和交流调压电路的输出何种电压波形完全决定于电路中可控器件的触发和控制方式，一般都会根据需要来选取最适合最经济的触发和控制方式，由上可知斩波型可控调压电路中包含有现今一切单相和多相的可控整流电路和交流调压电路，其性能又优于现有相对应的可控整流电路和交流调压电路，它只是在现有相对应的可控整流电路和交流调压电路中加入斩波电路后所组成的电路。
本发明的目的是要减小现有单相和多相可控整流电路和交流调压电路中的基波电流和电压的相位差，减少谐波，减少滤波电感和电容，提高功率因数，特别是低电压输出时的功率因素。
本发明是一种使用可控器件实现斩波和可控整流或交流调压两者相结合输出受电源瞬时幅值调制的可控调压电路。现有的可控整流电路和交流调压电路有两大类型。一类是先将电源整流成单向的脉动直流后再串联可控器件进行可控整流调压和交流调压的电路，另一类是电源直接由可控器件整流成可控直流和交流调压的电路。每一类可控整流和交流调压电路都有单相和多相，有半波、全波、桥式以及它们以多种形式相结合的可控整流电路和交流调压电路。斩波型可控整流和交流调压电路的特征是在现有的单相和多相可控整流电路和交流调压电路中至少有一个强迫关断可控调压器件的关断电路，这个关断电路由关断电容，关断可控器件(包括可控硅和晶体管)和关断电源及其限流阻抗组成。关断电容连接在可控整流或交流调压电路中的调压可控器件与关断可控器件的两个阳极(或阴极)之间，关断可控器件的另一端是阴极(或阳极)就连接在可控整流或交流调压电路中的调压可控器件的阴极(或阳极)，而关断电源通过限流电阻或电感加在关断可控器件的阴极(接负)与阳极(接正)之间，关断可控器件若是可关断的可控器件，就可不用关断电容，关断电源及其限流阻抗，而用可关断器件直接去取代对应的可控整流电路和交流调压电路中的调压可控器件即可。通过改变各可控器件上与电源相同步的触发和控制信号的相位和顺序关系就可使斩波型可控整流电流和交流调压电路输出多种波形。
结合附图参阅下面说明，将能很容易地认识实现本发明的上述目的。本发明的很多优点以及本发明同现有可控整流和交流调压电路的区别。
图1是本发明单相半波可控整流电路的实施例，它是本发明最重要的基础可控整流电路，其它的电路都可由它推广而来。它对应于现有的单相半波可控整流电路，是在现有的单相半波可控整流电路中增加一个关断电容C，关断可控硅SCR.和关断电源的限流电阻R(也可以用电感)，图中Ⅰ和Ⅱ为两个直流输出端(后面图也相同)，电阻R和电感L为负载，D为续流二极管。当电源上端为正下端为负的半个周期内，根据给可控硅SCR和SCR.的触发信号的不同，图1的电路能够输出如图15中(a)、(b)、(c)(d)和(e)五种较典型的电压波形，不给SCR.触发信号，只给SCR移相触发信号就可输出如图23(a)所示的现有单相半波可控整流电路的波形。给SCR零触发信号，再给SCR.一移相触发信号就可获得图15(b)所示的波形。给SCR一个45度触发信号，再给SCR.一个125度触发信号就可获得图15(c)所示的波形。给SCR一个零触发信号和移相150度触发信号，而只给SCR.一个移相30度触发信号就可得图15(d)所示的波形。给SCR在零度、55度和125度三个触发信号，而给SCR.在30度、80度和150度三个触发信号就可获得图15(e)所示的波形。关断电容C上的充电电压为SCR和SCR。互为关断创造了条件，当SCR导通后，电源就会通过R、C和SCR充电，使C上充以上端为正，下端为负的电压，为SCR的关断创造了条件，一旦触发SCR.后SCR立即承受电容C上的反向电压而关断，同样SCR.的导通，电源就会通过负载、C和SCR.充电，使电容C上充以下端为正，上端为负的电压，为SCR.的关断准备了条件，一旦SCR被触发导通后，SCR.立即承受电容C上的反向电压而关断。
用两个图1所示的单相半波可控整流电路可以组成本发明相对应的单相全波可控整流电路，但是需要四个可控器件，为了节省可控器件，全波可控整流电路中的两个可控硅可以使用同一个关断可控硅来输流关断它们。
图2是本发明单相全波可控整流电路的实施例之一，它使用了一个单独的直流关断电源U。
限流电阻R、关断可控硅SCR.关控电容C1和C2来分别关断可控硅SCR1和SCR2，其工作原理和图1相类似。图2所示的电路是对应于现有单相全波可控整流电路的斩波型单相全波可控整流电路之一。现有的单相全波可控整流电路还有一种是单相全式整流后串有一个可控器件的可控整流电路，和它相对应的本发明电路有如图3所示的单相全波可控整流电路，它比图2省一个可控硅和一个关断电源U。但多了一个整流管管压降，其工作原理如图1相类似。由于图3中的SCR.、SCR、C和R只是起到一个同步控制的直流开关的作用，因此，在某些功率不大耐压要求不高的场合，还可直接用半导体三极管来代替。用半导体三极管代替后，它和开关电源的区别在于本电路在整流管后，开关管前没有大容量滤波电容，而开关电源直流输入端有大滤波电容。同时本电路的开关信号必须和电源同步，否则在变压器上会产生直流磁化，而开关电源触发控制信号就没有这种要求。
现有的单相桥式可控整流电路有单相半控桥、单相全控桥和整流桥后串有一只可控硅的多种可控整流电路。单相桥全可控整流电路也有很多种。所有这些单相可控整流电路，本发明都有与它们相对应的斩波型单相可控整流电路。图4是本发明与单相半控桥相对应的可控整流电路。图5是本发明与单相桥式整流后串有可控硅的电路相对应的可控整流电路。图6是本发明与一种桥全可控整流电路相对应的可控整流电路。图7是图5可控整流电路中的直流斩波电路用半导体三极管BG.来代替的一个有控制调节电路的本发明的可控整流调压电路，调节电位器W就能调节输出两端Ⅰ和Ⅱ之间的直流电压，其输出电压波形如图15(f)所示，它是调节中间截去部分的宽度来调节输出直流电压的，BG.基极控制信号如图15(i)所示。此可控整流电路在电阻负载时，其基波电流和电压的相位差为零，因此功率因数较高。图2、3、4、5和6也都能输出图15(f)所示的波形，对于图3和5来说，只要SCR上加图15(h)所示的触发信号，而SCR.上加图15所示的信号就可得到。其它现有可控整流电路按相同的方法都可得到本发明相对应的电路。
现有的多相可控整流电路有很多种，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，带平衡电杭器双Y型，三相桥式，带中心二极管三相桥式，六相桥式等等，每一种现有的多相可控整流电路都可以获得本发明相对应的多相可控整流电路，它们只要在相对应的可控整流电路中加入可控硅关断电路即可获得。图8是本发明与三相半波可控整流电路相对应的可控整流电路之一。图9是本发明与六相半波可控整流电路相对应的可控整流电路之一。图10是本发明与带平衡电抗器的双Y型可控整流电路相对应的可控整流电路。图11是本发明与三相半控桥相对应的可控整流电路之一。这些可控整流电路的共同特征都有一个关断可控硅SCR.，在各个整流可控硅和关断可控硅的阳极之间都连接有一个关断电容，有一个关断电源U.，它通过限流电阻或电感加在关断可控器件的阴极和阳极之间。
本发明与现有可控整流电路的根本区别在于本发明可以使导通的可控硅强迫关断。因此，本发明还有多种没有和现有可控整流电路相对应的可控整流电路，那就是各种多相二极管整流电路之后用二个可控硅来实现多相可控整流的电路。如图12所示的是本发明用二极管三相半波整流的可控整流调压电路，图15(j)示出图12可控整流电路的一种输出电压波形，它是在图15所示的信号触发SCR.(m)所示的信号触发SCR.下得到的。图8的可控硅整流电路也可以得到图15()所示的波形。只不过SCR1、SCR2、SCR3的触发信号不同而。图13所示的是本发明二极管三相桥式整流的可控硅整流调压电路。它可以获得图15(l)所示的一种输出电压波形。图13中的关断电路中增加一个二极管和电感相串联的支路并联在关断可控硅阴阳极之间，它可以回收一部分电容关断SCR.时的电能，能使限流电阻的功耗减低。本发明其它可控整流调压电路中的关断可控硅SCR.上也可以采用相同的方法来节省电能，提高电容C的充电速度。图13中的可控硅直流开关，也可以用大功率半导体三极管或可关断可控硅所代替。图12和13电路与开关电源的区别在于同步触发信号和滤波电容，以及输出端直流幅值电压受电源瞬时电压调制等。用图15中(n)、(p)、(q)和(r)所示的触发信号分别触发图11中的可控硅SCR1、SCR2、SCR3和SCR.也可以获得如图15(l)所示的输出电压波形。以适当方式触发图13中的可控硅SCR和SCR。它也可获得图15(l)所示的输出电压波形。由图15(j)和(l)输出电压波形。可知基波电流和电压的相位差远少于现有的三相半波和三桥式可控整流电路(在低电压输出时)，因此有较高的功率因数。
现有的交流可控调压电路有两种类型，一种类型是用双向可控硅或者两个反向相并联的单向可控硅，它是将可控硅、负载和电源三者直接相串联来进行交流调压。另一种类型是用桥式可控整流电路，将它的负载移到交流侧，用输出两个直流端短路的方式。将电源、负载和输出两端短路的桥式可控整流电路三者相串联来调节单相或者三相负载上的交流电压。
图14是本发明与单相用双向可控硅交流调压电路相对应的单相交流调压电路，使用图15(u)所示的信号触发KS.而用图15(v)所示的信号触发KS.，就可在交流负载R1上获得如图15(t)所示的交流电压波形，其工作原理与单相半波可控整流电路相类似。它用于单相交流电机调压调速其性能将远优于现有的单相交流可控硅调压调速电路。用三个图14所示的单相交流可控调压电路可以组成三相三线交流调压电路(星形或三角形负载)，三相四线Y。型三相交流调压电路和接成内三角形的交流调压电路等。这些三相交流调压电路可用于三相交流电机调压调速，变压器交流调压，电炉等。
将图4和图5斩波型单相桥式可控整流调压电路的两个直流输出端Ⅰ和Ⅱ短路，并将负载移到交流侧，就可以获得斩波型可控整流调压电路相对应的交流调压电路。将图7电路中的控制电源单独供电给BG和BG.，并把负载接在交流电源侧，输出Ⅰ和Ⅱ两端短路，就可获得半导体三极管控制的单相交流可控调压电路，其负载上可获得如图15(d)所示，正、负相对称的波形，它用于单相电机的调压调速的性能将远优于现有的交流调速，在功率较大的场合可用巨型晶体复合管GTR，可关断可控硅GTo等器件。
将图11和12斩波型三相桥式可控整流调压电路的两个直流输出端Ⅰ和Ⅱ短路，将三相负载移到三相交流侧，将图13关断电路的电源用另外的电源供给。就可获得斩波型三相桥式整流后串有可控的整流调压电路相对于的斩波型三相交流可控调压电路，这时三相负载是单独分开的，对三相星形连接的电机和变压器来说可将三相绕组分开来实现三相交流调压。
由上述实施例图可知，本发明的可控整流调压电路和交流可控调压电路其数量多于现有的可控整流电路和交流调压电路，这是由于现有的可控整流调压电路中的调压可控硅只能靠电源自然换向((相)关断，或二极管整流电压有过零处才能关断，因此现有的用二极管之后再串调压可控硅的电路只能应用在单相全波、单相桥式二相式和二相零式电路中，不能用于三相半波，三相桥式，六相半波等整流电路之后，而本发明的调压可控硅是用关断可控硅来强迫关断的，因此它还可用于一切多相整流电路之后实现斩波可控整流调压。
由图1～14(除图3外)可知它们都是在现有的整流或可控整流电路，或交流调压电路中加以改进而成的电路，都有调压可控硅(流过输出电流的单、双向可控硅)、关断可控硅、关断电容、限流阻抗和关断电路电源。其中图1、3、5、12和14的关断电源直接取自电源相同二极管整流电源，因此没有独立的关断电源。所有这些调压电路不论是单相还是多相，也不管是交流调压还是直流调压，它们都有一个共同的特征调压可控硅(包括单向和双向可控硅)串联于输出电流回路中，关断电容连接在调压可控硅和关断可控硅两个同名极之间，另一同名极为公共连接点，关断电源通过限流阻抗(电阻或电感)加在关断可控硅的两端能使其异通的方向。为减小关断电源容量和损耗。可以有一个二极管和电感相串联的支路反向并接在关断单向可控硅的阴极和阳极之间。在二极管整流电路输出端可以直接使用半导体三极管。或者可关断可控硅来代替调压可控硅、关断可控硅、以及关断电容，因此有单相和多相整流电路后直接串联有一个可关断可控硅或半导体三极管的可控整流电路，但它们的触发和控制信号必须与交流电源相同步，其输出电压是斩波电源的包络线电压波形。
本发明可以广泛应用于现有一切能使用可控整流电路，和交流可控调压电路的场合，特别是低电压输出(深控)场合，具有功率因数高，谐波电压低等优点，它们是新一代的可控整流调压电路和交流可控调压电路。
权利要求
1.一种斩波型可控调压(包括交流调压和直流调压)电路，其特征在于在现有的可控调压(包括可控整流调压和交流调压)电路中，参与调压的可控硅(包括单向和双向)都有一个强迫其关断的电路，这个关断电路由关断电容、关断可控硅、关断电源、限流阻抗、二极管和电感组成。关断电容连接在调压可控硅和关断可控硅两个同名端之间，关断可控硅的另一端与调压可控硅同名端相连接，关断电源通过限流阻抗加在关断可控硅能使其导通方向的两端之间，为提高关断电容充电速度和减小限流阻抗耗损，可增加一个由二极管和电感串联的支路反向并且于关断可控硅的两端，所有可控硅的触发极上都接有和电源相同步的触发信号。
2.一种斩波型可控调压(包括交流调压和直流调压)电路，其特征在于在现有的整流电路的输出端直接接有由可控硅、电容、电源、阻抗、电感和二极管所组成的整流斩波调压电路，电容接在两个可控硅阳极之间，这两个可控硅的阴极相连，关断电源通过限流电阻接在关断可控硅的阴极和阳极之间，为提高电容充电率的二极管和电感相串联后，反相并接于关断可控硅的阴极和阳极之间，在直流调压时，斩波电路与负载相串联，並接在整流电路的两个直流输出端，在交流调压时，负载与交流电源相串联，斩波电路並接于整流电路的两个直流输出端，两个可控硅的触发极接有与电源相同步的触发信号。
3.根据权利要求2所述的直流调压电路，其特征在于在三相半波整流电路之后接有一个由电阻、电容、二极管、电感和两个可控硅及其与电源同步的触发信号组成的斩波电路。
4.根据权利要求2所述的直流调压电路，其特征在于在三相桥式整流电路之后接有一个由电阻、电容、二极管、电感和两个可控硅及其与电源同步的触发信号组成的暂波电路。
5.根据权利要求2所述的交流调压电路，其特征在于有一个三相桥式二极管整流电路和在整流电路之后有一个将整流电路两端短路的直流斩波电路，三相负载串在三相整流桥和三相电源之间。
6.一种斩波型可控调压(包括交流和直流)电路，其特征在于在现有整流电路之后直接连接有一个可关断可控硅来进行斩波调压，其触发信号是与电源相同步的，其输出电压为电源的斩波波形。
7.一种斩波型可控调压(包括交流和直流)电路，其特征在于在现有整流电路之后直接接有一个半导体三极管进行斩波调压，半导体三极管基极接有与电源同步的开关控制信号。
8.根据权利要求7所述的直流可控调压电路，其特征在于在桥式整流电路之后串有一个三极管的斩波调压电路，直流负载接在三极管和整流桥之间，三极管基极加有与电源相同步的开关信号。
9.根据权利要求4所述的交流可控调压电路，其特征在于在整流桥的两个输出端之间连接晶体管集电极和发射极，其基极加有与电源相同步的开关控制信号，交流负载接在电源和整流桥的输入端之间。
全文摘要
本发明涉及单相和多相可控整流调压电路、单相和多相交流调压电路，特别是涉及到基波电流和基波电压的相位差和功率因数。电路由二极管、可控硅、晶体管、电容、电阻、电感、变压器和负载组成。其特征是有一个调压可控硅的关断电路，它具有在低电压输出时，也能使基波电流和电压相位差少、功率因数高、谐波少等优点。适用于现有单相和多相可控整流调压电路，以及单相和多相交流调压电路所能应用的场合。
文档编号H02M7/155GK1079082SQ9210352
公开日1993年12月1日 申请日期1992年5月1日 优先权日1992年5月1日
发明者龚秋声, 蔡方英, 龚颖臻, 龚颖波 申请人:龚秋声