交-直-交變頻器直流電路類型波形及效率分析

0 引言

應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效率高。而達到效率高，要求除制作變頻器要選擇飽和壓降小的元器件和PWM開關頻率選擇最佳值之外，還要對變頻器電路中的直流電路進行選擇，這也是重要的一環(huán)。本文通過對拓撲電路類型、波形諧波、功率因數(shù)基本原理進行分析比較，找出最佳效率的理論根據(jù)，這樣實踐就可放心大膽了，生產和使用就有科學根據(jù)了。

1 交- 直- 交變頻器直流電路常用的幾種拓撲型式及波形

1.1 三相半波整流電路

三相半波整流是整流的基礎，其拓撲電路如圖1所示。整流用三個共陰極晶閘管以便控制負載電壓，其平均值為

半波整流的直流電流波形如圖2所示。當負載是阻性時，電流iD和負載電壓波形相同，當負載為感性時，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。一般被用來設計電力變壓器，有

顯然，電力變壓器一次側容量必須超過整流器額定容量的21%，二次側容量必須超過整流器額定容量的48%。因此，對整個整流器，變壓器容量要比直流負載的容量大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，每個晶閘管在一個周期內只導通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，磁勢由于二次側為雙星接法相互抵消了一次，只有一個晶閘管被觸發(fā)，一次繞組為三角形聯(lián)結，電流波形對稱，導通角為60毅。

電源電流也具有對稱波形，但是導通角為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額定容量的28%，二次容量必須超過額定容量的55%，變壓器平均視在功率是負載功率PD的1.41 倍。由于晶閘管的導通時間短，變壓器利用率不是特別好。

1.3 帶自耦變壓器的雙星整流

兩個并列連接的半波整流器，可以提供大的直流電流。既能達到好的平衡，又能消除諧波的最優(yōu)辦法如圖6 所示。兩個整流器平移180毅，它們的二次側中性點通過中點自耦變壓器連接，自耦變壓器接在兩個二次側的中性點之間，它的中點接在負載的地上，兩組并聯(lián)運行。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。三個共陰極SCR產生相對中性點的正電壓，三個共陽極SCR 產生相對中性點的負電壓。其結果是直流電壓是半波整流器的兩倍。全橋的每一半是一個3 脈波整流器組。這種全橋連接，在每半周內交流電流都在變壓器二次繞組中流動，兩個直流分量在二次繞組內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。其負載平均電壓為

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