脉动直流的纹波系数

2014-09-26俞丰

电镀与精饰 2014年5期

俞丰

(绍兴市承天电器有限公司电源研发中心，浙江绍兴 312000)

引言

在电镀生产过程中，需要用到各种电源设备，如可控硅整流器、硅整流器和高频开关电源等设备。电镀行业中的某些镀种对整流器输出的脉动直流要求其交流成分越小越好，即纹波系数尽可能小。因此对可控硅整流器与高频开关电源如何降低与计算波纹系数，对高频电源的纹波系数作了讨论，使电镀行业在选用电源设备时，根据镀种的要求选择。

1 脉动直流

1.1 整流电源输出的直流电压都是脉动直流

交流电通过具有单向导电性的整流管整流后，输出的直流电与理想的直流电波形不一样。以三相桥式整流电路示意图为例，见图1、图2和图3。

图1 三相桥式整流电路图

图2 整流变压器二次侧线电压

图3 直流输出侧电压

从图1～图3中可以看出，三相桥式整流电路直流输出的电压波形，它的输出电压方向不变，但大小有变化。把这种方向不变，大小在变化的直流电压称作为脉动直流。一切通过整流器输出的直流电都是脉动直流。

1.2 脉动直流电压的描述

脉动直流可简单地描述为一个恒稳的直流电压与一个交流电压的叠加处理，图4为脉动直流电压波形。

图4 脉动直流电压波形

在电镀生产中实际需要的是图4(a)恒稳的直流电压，而不希望输出波形中具有交流成分，或尽可能减小交流成分。为了描述输出直流波形的优劣，引入了输出电压纹波系数这个物理量。

输出电压纹波系数γ=输出电压交流分量有效值(Urms)/输出直流电压平均值(U0)。γ越小，表示输出电压越接近理想的恒稳直流。这在电镀行业中对某些镀种工艺要求是一个重要的参数。

上述分析过程其实是整流过程中最理想的状态下的现象，即整流过程中波形不畸变。而整流的实际输出波形一定会畸变。畸变的波形在理论上通过傅立叶级数分解。可认为图4(b)是由许多谐波组成的交流成分，简称纹波电压。

1.3 纹波电压的危害［1］

任何整流器在整流过程中，由于波形的畸变都会在电网侧产生谐波，而谐波会造成严重的电网污染。

1)谐波会严重降低电源的效率;

2)较强的谐波会造成浪涌电压或浪涌电流导致烧毁用电设备;

3)谐波会干扰数字电路的逻辑关系;

4)谐波会带来噪音干扰，使通讯影像设备系统不能正常工作。

1.4 纹波电压的抑制方法

纹波电压的抑制方法，尽可能采用多相整流电路，加大滤波电路中电容容量，或采用效果更好的LC滤波电路。抑制了纹波电压即能有效降低脉动直流的交流成分，也就降低了脉动直流的纹波系数。

2 可控硅整流器如何抑制电压纹波系数

2.1 可控硅整流器的电压纹波系数与整流电路的相数有关

各类可控硅整流电路输出的脉动直流中电压纹波系数γ与整流电路的相数有关系，电路输出的脉动频率与电压纹波系数γ的关系列于表1。

从表1分析可知，整流电路输出频率越高(即输出相数越多)它的纹波系数越低。

表1 可控硅整流电路输出的脉动频率与电压纹波系数γ的关系

不论采用何种整流形式，可控硅全导通时只要输出频率(相数)相同，它的电压纹波系数也相同。

上述结论的条件是输出电压为基波脉动频率，而实际上在此交流成分中尚具有其他的谐波电压甚至还具有少量的13次以上的高次谐波。尤其是5、7、9等奇次谐波对纹波系数的影响最大。因此实际纹波系数远大于表1显示的理论值。

在电镀工艺中为了保障镀层的光亮度、硬度和覆盖能力，整流器输出的脉动直流的纹波系数要求尽可能小。为了达到此目的，除选择六相整流电路外还应在输出电路中加接LC滤波电路。

2.2 加装LC滤波电路能有效降低纹波系数

图5 所示为谐波吸收电路原理图。

根据电工学理论，滤波电路对n次谐波(ωn=nω。)的阻抗为:

式中，Z表示第n次谐波的阻抗;R表示滤波器的直流阻抗，R的阻抗很小可忽略不计，nω0L为电抗器的感抗，1/(nω0C)为电容器的容抗。

图5 谐波吸收电路原理图

图5 (a)滤波器是利用L.C谐振原理构成的。由图5(b)可知，在谐振点K处感抗与容抗相等。即nω0L=1/(nω0C)由此可得谐振次数在谐振点K处Z=R，因R很小n次谐波电流主要经R分流。因此只要将滤波器的谐波频率设定为与需要滤除的谐波频率一致，则该次谐波被消除。如何选择恰当的L.C值，使滤波器高效且低成本是关键。

科学地选择滤波器的电抗器的电感量L及电解电容的电容量C，它能有效滤除相关的谐波分量从而降低纹波系数。但在此过程中必须考虑滤波器的成本，以及电解电容器的安全性与使用寿命。