交-直-交變頻器直流電路類型波形及效率分析

0 引言

應(yīng)用變頻器的最重要的目的之一，就是為了節(jié)能，因此變頻器本身就應(yīng)效率高。而達(dá)到效率高，要求除制作變頻器要選擇飽和壓降小的元器件和PWM開(kāi)關(guān)頻率選擇最佳值之外，還要對(duì)變頻器電路中的直流電路進(jìn)行選擇，這也是重要的一環(huán)。本文通過(guò)對(duì)拓?fù)潆娐奉愋?、波形諧波、功率因數(shù)基本原理進(jìn)行分析比較，找出最佳效率的理論根據(jù)，這樣實(shí)踐就可放心大膽了，生產(chǎn)和使用就有科學(xué)根據(jù)了。

1 交- 直- 交變頻器直流電路常用的幾種拓?fù)湫褪郊安ㄐ?/p>

1.1 三相半波整流電路

三相半波整流是整流的基礎(chǔ)，其拓?fù)潆娐啡鐖D1所示。整流用三個(gè)共陰極晶閘管以便控制負(fù)載電壓，其平均值為

半波整流的直流電流波形如圖2所示。當(dāng)負(fù)載是阻性時(shí)，電流iD和負(fù)載電壓波形相同，當(dāng)負(fù)載為感性時(shí)，電流變平，最后固定不變。

半波整流的交流電流波形如圖3所示。一般被用來(lái)設(shè)計(jì)電力變壓器，有

顯然，電力變壓器一次側(cè)容量必須超過(guò)整流器額定容量的21%，二次側(cè)容量必須超過(guò)整流器額定容量的48%。因此，對(duì)整個(gè)整流器，變壓器容量要比直流負(fù)載的容量大35%。之所以變壓器二次容量大于一次容量，是變壓器二次繞組中存在

直流分量，所以帶變壓器的整流器效率很低。

1.2 6脈波或雙星整流

圖4 為帶有變壓器的晶閘管6 脈波整流，不考慮換相重疊，每個(gè)晶閘管在一個(gè)周期內(nèi)只導(dǎo)通60毅。直流電壓要比半波整流器高，其平均值為

由于6脈波不存在3 次諧波，所以直流電壓脈動(dòng)小于半波整流器，平滑電抗器LD也小于3脈波(半波)整流器。其交流電流如圖5所示。二次繞組電流中存在直流成分，磁勢(shì)由于二次側(cè)為雙星接法相互抵消了一次，只有一個(gè)晶閘管被觸發(fā)，一次繞組為三角形聯(lián)結(jié)，電流波形對(duì)稱，導(dǎo)通角為60毅。

電源電流也具有對(duì)稱波形，但是導(dǎo)通角為120毅。

變壓器額定值與半波整流器相似，有

因此，變壓器的一次容量必須超過(guò)額定容量的28%，二次容量必須超過(guò)額定容量的55%，變壓器平均視在功率是負(fù)載功率PD的1.41 倍。由于晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間短，變壓器利用率不是特別好。

1.3 帶自耦變壓器的雙星整流

兩個(gè)并列連接的半波整流器，可以提供大的直流電流。既能達(dá)到好的平衡，又能消除諧波的最優(yōu)辦法如圖6 所示。兩個(gè)整流器平移180毅，它們的二次側(cè)中性點(diǎn)通過(guò)中點(diǎn)自耦變壓器連接，自耦變壓器接在兩個(gè)二次側(cè)的中性點(diǎn)之間，它的中點(diǎn)接在負(fù)載的地上，兩組并聯(lián)運(yùn)行。其交流電流波形如圖5 所示。

變壓器額定值是

額定功率的平均值是1.26PD，優(yōu)于前述整流器(半波整流器為1.35，6 脈波整流器為1.41)，因而變壓器能夠很好利用。自耦變壓器實(shí)現(xiàn)并聯(lián)連接，整流器可以輸出大電流;串聯(lián)連接可以輸出高電壓。

1.4 三相全波整流(Graetz 橋)

全波整流器如圖7 所示。三個(gè)共陰極SCR產(chǎn)生相對(duì)中性點(diǎn)的正電壓，三個(gè)共陽(yáng)極SCR 產(chǎn)生相對(duì)中性點(diǎn)的負(fù)電壓。其結(jié)果是直流電壓是半波整流器的兩倍。全橋的每一半是一個(gè)3 脈波整流器組。這種全橋連接，在每半周內(nèi)交流電流都在變壓器二次繞組中流動(dòng)，兩個(gè)直流分量在二次繞組內(nèi)大小相等方向相反相互抵消，避免了變壓器磁心飽和。此種不需任何特殊變壓器，像6脈波整流器一樣工作。其負(fù)載平均電壓為

該拓?fù)渲忻總€(gè)半波橋電壓uDpos 和uDneg、總的瞬時(shí)直流電壓uD和全橋上一個(gè)晶閘管的陽(yáng)-陰極電壓uAK如圖8 所示。uAK的最大值是姨3 Umax，與半波整流器和自耦變壓器整流器的值相同。整流器的電流波形如圖9 所示，假定LD 足夠大，以保持直流電流平滑。輸入電流和所有繞組電流波形完全對(duì)稱。其變壓器額定值是

2 整流器的功率因數(shù)

整流是非線形，不是正弦電流，電源每相傳輸?shù)膶?shí)際功率應(yīng)是

3 諧波

整流器線路換相的電流不是正弦波形。例如，Graetz整流器產(chǎn)生的電流有如下諧波分量

如果整流器變壓器的一次或二次三相繞組采用三角形聯(lián)結(jié)，那么交流側(cè)的電流波形由相位差是120毅的兩個(gè)矩形波相減得到。一次“a”相電流的傅里葉級(jí)數(shù)是

4 效率

綜上所述，可以得出三相半波整流電路電力變壓器在一次側(cè)容量必須超過(guò)21%，在二次側(cè)容量必須超過(guò)48%;6 脈波或雙星整流變壓器在一次側(cè)容量必須超過(guò)額定28%，在二次側(cè)容量必須超過(guò)額定55%;帶自耦變壓器的雙星整流變壓器一次側(cè)容量必須超過(guò)5%，二次側(cè)容量超過(guò)48%;

三相全波整流(Graetz橋)容量只超過(guò)5%即可，很明顯，變壓器利用率最好。

所以決定整流器效率的因素有：

1)在拓?fù)潆娐分杏凶儔浩鞅葻o(wú)變壓器的效率要低如用圖6 帶自耦變壓器的雙星整流器制作的多重化高壓大功率頻器(如圖10)比無(wú)變壓器直接串聯(lián)的高壓大功率變頻器(如圖11)效率要低(如圖12)。

2)拓?fù)潆娐返拿}波和波形從式(19)看出電流失真的增加使Ia也增加，使功率因數(shù)變壞，整流器效率低;從式(23)及表1 看出諧波大，電壓失真大，整流器效率低。