城市轨道交通电工电子技术及应用 单元9 直流电源

题图9-3 复习与思考9-5
想一想 当交流电网电压有效值U2下降时，分析图9-11串 联型直流稳压电路的稳压过程。 知识链接 集成稳压器 集成稳压器是把一个完整的稳压电路制作在 一片半导体芯片上，形成具有稳压功能的固体集 成电路。 集成稳压器具有体积小、价格低、使用 方便、工作可靠、稳压精度高等特点，广泛应用 于各种仪器、仪表等电子设备中。常见的有 W78××和W79××系列的三端集成稳压器。
当输入电压U2进入负半周时间内，D2、D4在短 时间内不能导通，在U2电压高于UC绝对值时，D2、 D4导通，电源向负载提供电流，并再一次对电容进 行充电，重复上一个循环。当电容进行不断地充、 放电时，负载上得到如图9-6所示的波形。该波形 与整流后的波形相比脉动幅度减小，波形更为平 滑。电容容量越大，放电越慢。一般电容取得较 大时，输出电压按下式估算：
(3).滤波电路—滤波电路将脉动直流中的交流成 分滤除，减少交流成分，增加直流成分。 (4).稳压电路—消除电网电压、负载变化对输出 电压的影响
2.电源变压器分类
线性稳压电路 直流稳压电源 非线性稳压电路
二.整流电路
整流电路的任务是将交流电变换成直流电
1.单相桥式整流电路的工作原理
图9-2 单相桥式整流电路
图9-6 单相桥式整流电容滤波电路波形
电容滤波电路中电容的选用
输出电流 Io(A) 电解电容量 C(μF) 0.05以 下 200 0.05～ 0.1 200～ 500 0.1～ 0.5 500 0.5～1 1000 1 2000 2 3000
2.其他形式的滤波电路
(1).电感滤波电路 利用储能元件电感器L的电流不能突变的性质，把 电感Ｌ与整流电路的负载相串联，也可以起到滤 波的作用。
滤波就是保留脉动电压的直流成分，尽可能滤 除它的不同频率的交流成分，使波形更为平滑。 电感元件和电容元件可以起到滤波的作用。
1.电容滤波电路
单相桥式整流电容滤波电路的工作原理如下： 当接入电容C时，在输入电压U2正半周时间内，二 极管D1、D3导通，D2、D4截止。整流电流分两路， 一路经二极管D1、D3向负载RL提供电流，另一路 向电容器C充电，如图9-6中ab段，充电时间 τ=RLC。当电容电压被充至最大值时，输入电压 U2按正弦规律下降，而电容电压下降速度较慢， 使得U2<UC，此时D1、D3反向截止。电源不能给负 载提供电流，电容器C向负载RL放电，如图9-6中 bcd段。
交流电源电压 电源变压器 U1 U2 整流电路 UR 滤波电路 UF 稳压电路 负载 UO
U1 o t
U2 o t
o t
UF o t
UO o t
图9-1 直流稳压电源结构图
(1).电源变压器—电源变压器也称整流变压器。 由于所需要的直流电压比电网的交流电压在数值 上相差较大，因此利用变压器降压得到比较合适 的交流电压再进行转换。有些电源利用其他方式 进行降压，而不用变压器。 (2).整流电路—整流电路是将工频交流电转换为 脉动直流电。
(3).稳压管稳压电路的工作原理 a.电路图 稳压管稳压电路如图9-10所示。V为稳压管， 起电流调整作用；R为限流电阻，起电压调整作
u1
u2
UI
UO
图9-10 硅稳压管整流稳压电路
b.电路的稳压过程 UO↓→IZ↓→IR↓→UR↓→UO↑ c.应用 小功率场合。
2.串联型可调直流稳压电路
(1).电路组成 串联型可调直流稳压电路如图9-11所示，其输入端 接整流、滤波电路的输出端。该电路由四部分组 成 a.取样电路—由R1、R2、RP组成的电阻分压电路 b.基准电压—由稳压管VDZ与R3串联组成。 c.比较放大电路—由运算放大器完成。 d.调整电路—由调整管V组成。
9-4
如题图9-2所示。试标出输出电压Uo1、Uo2的 极性，画出输出电压的波形。并求出Uo1、Uo2的 平均值。
Tr u1 a u21 u22 b D4 D3 D1 D2 RL1 Uo1 RL2 Uo2
题图9-2复习与思考9-4
9-5 如题图9-3所示的单相桥式整流电容滤波电路。 用交流电压表测得变压器副边电压U2=20V。现在用 直流电压表测量RL两端的电压Uo，如果出现下列几 种情况时，试分析哪些是合理的？哪些表明出了 故障？并指出原因。 （1）Uo = 28V；（2）Uo = 24V；（3）Uo= 18V； （4）Uo= 9V
题图9-1 复习与思考9-2
9-3 （1）设一半波整流电路和一桥式整流电路的输出 电压平均值和所带负载大小完全相同，均不加滤 波，试问两个整流电路中整流二极管的电流平均 值和最高反向电压是否相同？ （2）单相桥式整流电路中，若某一整流管发生开 路，短路，或反接三种情况，电路中将会发生什 么问题？ （3）在某一特殊场合，将单相桥式整流电路，不 经变压器直接接入交流电源，试问：若负载RL一 端接“地”，结果如何？ （4）电容滤波和电感滤波电路的特性有什么区别 ？各适用于什么场合？
3.直流稳压电路在城市轨道交通供 电系统中的应用
1 2 3 2 1
1—发电厂（站） 2—升 压变压器 3—电力网 4—主降压变压站 5—直流牵引变电所 6—馈电线 7—接触 网 8—行走轨道 9—回流线
4
5
9 6 7
8
图9-12 城市轨道交通直流电力牵引供电系统
直流牵引变电所从双电 源受电，经整流机组变 压器降压，分相后，按 一定整流接线方式由大 功率硅整流器把三相交 流电变换为与直流牵引 网相应电压等级的直流 电，向电动车组供电， 图9-13所示的是直流牵 引变电所的接线原理图 。
L ~ u2 RL UO
图9-7 桥式整流电感滤波
(2).复式滤波电路
在滤波电容C之前一个电感L构成了LC滤波电路。 (如图9-8a）所示。这样可使输出至负载RL上的 电压的交流成分进一步降低。该电路适用于高频 或负载电流较大并要求脉动很小的电子设备中。
a）LC型滤波器
b）πLC滤波器
c）πRC型滤波器
V + IC IB UI － ∞ + + UZ VDZ － + － R3 R1 RP R2 Io RL + UO －
图9-11串联型直流稳压电路
(2).稳压原理 当交流电网电压U2升高时 有U2↑→UI↑→UO↑→运放反相输入电压U-↑→ （UZ-U-）↓→VB↓→IB↓→IC↓→UCE↑→UO↓ 当交流电网电压不变，负载RL变小时，有 RL↓→IO↑→UO↓→运放反相输入电压U-↓→（ UZ-U-）↑→VB↑→IB↑→IC↑→UCE↓→UO↑
桥式整流电路的优点是输出电压高，输出电压脉 动小，每只整流二极管通过的电流小，管子所承 受的最大反向电压较低；每半周内变压器二次绕 组都有电流流过，电源变压器得到充分的利用， 效率较高。因此，这种电路在半导体整流电路中 得到了广泛的应用。电路的缺点是二极管用的较 多。 需要特别指出的是，二极管作为整流元件，要根 据不同的整流方式和负载大小加以选择。如选择 不当，则或者不能安全工作，甚至烧了管子；或 者大材小用，造成浪费。
110KV
B-1
B-2
图9-13 直流牵引变电所接线图
自我检测九
9-1 （1）为什么稳压管的动态电阻愈小，则稳 压愈好？ （2）利用稳压管或二极管的正向导通区是否也可 以稳压？ （3）用两个稳压值相等的稳压管反向串联起来使 用可获得较好的温度稳定性，这是为什么？
9-2 如题图9-1所示电路中，稳压管DZ1的稳定电压 为8V，DZ2的稳定电压为10V，正向压降均为0.7V， 试求图中输出电压Uo。
知识链接
常见的几种整流电路 常见的几种整流电路的电路图、整流电压的波形 及计算公式，见表9-1。
类型
电路
整流电压的波形
整流电压 平均值
每管电流 平均值
每管承受 最高反压
单相 半波
0.45U2
单相 全波
0.9 U
2
单相 桥式
0.9 U
2
三相 半波
1.17 U
2
三相 桥式
2.34 U
2
三.滤波电路
2.单相桥式整流电路的性能指标
(1).输出电压平均值Uo
uo 0.9u2
I L 0.9 U2 RL
(2).流过负载的电流平均值IL
(3).每只二极管的电流平均值IV
U IV 0.45 2 RL
(4).二极管承受的最大反向电压URM
U RM
2U 2
例9-1 设计一个单相桥式整流电路，要求输出电 压为120V，电流为3A。试求整流变压器次级绕组 的电压，并选择合适的整流二极管。 解：根据单相桥式整流电路公式得： U2=UL/0.9=120/0.9=133V 流过二极管的平均电流：IV=1/2IL=1/2×3=1.5A 二极管承受的最大反向电压：V 查阅晶体管手册，可选2CZ56E型二极管四只，其最 大整流电流为3A，最大反向电压为300V。
单相桥式整流电路的工作原理如下：u2为正 半周时，a点电位高于b点电位，二极管D1、D3承 受正向电压而导通，D2、D4承受反向电压而截止。 此时电流的路径为：a→D1→RL→D3→b。u2为负 半周时，b点电位高于a点电位，二极管D2、D4承 受正向电压而导通，D1、D3承受反向电压而截止。 此时电流的路径为：b→D2→RL→D4→a。上述工 作状态如图9-3所示。
+ u1 －
a ⊕ + u2 － － VD3 b
VD1 RL + uo －
+ u1 －
a － VD4 + u2 － ⊕ b
RL VD2
+ uo －
a)
图9-3 单相桥式整流电路工作过程图
b)
如此重复下去，结 果在RL上便得到全波 整流电压。利用图 9-2可得单向整流电 路波形如图9-4所示 。