交流電與直流電相互轉(zhuǎn)換原理

袁 晨

交流電與直流電是我們?nèi)粘Ｉa(chǎn)生活中電力使用的兩種基本方式，在實(shí)際應(yīng)用過程中需要兩種進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換，本文從交流電與直流電的基本概念出發(fā)，重點(diǎn)分析了兩者相互轉(zhuǎn)換的電路與變換原理，以此深入闡述了交流電與直流電的轉(zhuǎn)換過程，為電力初學(xué)者了解交直流電概念及相互轉(zhuǎn)換原理提供參考。

1.引言

眾所周知，交流電與直流電是人們?nèi)粘Ｉ钪械膬煞N基本用電方式，如照明、動(dòng)力用電大部分都屬于交流電，相反，電腦、手機(jī)等采用的又是直流電，而在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，大型發(fā)電機(jī)所發(fā)出來的都是高壓交流電，因此在電力使用過程中，必須通過一定的手段進(jìn)行電力變換，如升壓降壓、交直流轉(zhuǎn)換等，才能滿足不同負(fù)載用戶對電力特性的要求。

本文正是從對交流電與直流電的認(rèn)識角度出發(fā)，通過查找資料分析總結(jié)交流電與直流電的特性，并主要針對交流電與直流電相互轉(zhuǎn)換過程進(jìn)行深入學(xué)習(xí)總結(jié)，就其兩者的轉(zhuǎn)換過程及應(yīng)用進(jìn)行總結(jié)，以此拓展對電力應(yīng)用的了解和為進(jìn)一步深入學(xué)習(xí)電氣工程技術(shù)奠定基礎(chǔ)。

2.交流電與直流電概述

2.1 交流電

一般來說，電廠發(fā)電機(jī)所發(fā)出的是交流電，如高中所學(xué)交流發(fā)電機(jī)所發(fā)出的正弦交流電便是典型的交流電，其大小和方向都隨時(shí)間發(fā)生變化，如圖1所示的是常用的正弦交流電。除此之外，在應(yīng)用過程中，只要電流方向發(fā)生變化，都可統(tǒng)稱為交流電，如圖2所示三角波交流電與圖3所示的方波交流電。

圖1 正弦交流電

圖2 三角波交流電

圖3 方波交流電

交流電主要用于發(fā)電與配電方面。與直流電相比，交流電在機(jī)械能、化學(xué)能等其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能的效率比直流電高。另外，交流電較容易通過變壓器進(jìn)行升壓與降壓，能夠在遠(yuǎn)距離輸電時(shí)較快的轉(zhuǎn)換為高壓交流電。

2.2 直流電

高中所學(xué)的恒定電流是直流電的一種，通常其電流大小和方向都不發(fā)生改變，如恒壓電壓源、恒流電流源。但在實(shí)際應(yīng)用過程中常常是以另外一種形式存在，即電流大小會(huì)隨時(shí)間變化，但是方向一直保持不變，這就是所謂的脈動(dòng)直流電，如常用干電池在使用過程中路端電壓會(huì)逐漸減少，但方向保持不變。如圖4所示的恒定直流電，圖5所示的脈動(dòng)直流電。

圖4 恒定直流電

圖5 脈動(dòng)直流電

3.交流電轉(zhuǎn)換直流電的過程分析

正如2.2所述，在一些場合必須使用直流電，在交流電轉(zhuǎn)換為直流電過程中，最為關(guān)鍵的部件是整流器，考慮到實(shí)際交流變直流

過程會(huì)由于電路特性不同而采用不同的電路連接方式，本文主要以電阻性負(fù)載和單相半波可控整流電路為例進(jìn)行變換過程分析。

3.1 變換電路

在生產(chǎn)實(shí)際中屬于電阻性的負(fù)載有如照明加熱裝置、電解電鍍裝置等，也就是高中電路圖中的純電阻元件，純電阻元件的根本特點(diǎn)是電路兩端電壓與電流是同相位的，且波形一致，滿足U = IR關(guān)系。圖6為一個(gè)帶電阻性負(fù)載的單相半波可控整流電路，其中變壓器T起變換電壓和電氣隔離的作用，在變換電路引入整流變壓器T后將能使整流電路輸入、輸出電壓間獲得合理的匹配，以提高整流電路的性能指標(biāo)，尤其是整流電路的功率因數(shù)。

圖6 電阻性負(fù)載的單相半波可控整流電路

3.2 變換原理

在深入闡述單相半波可控整流變換原理之前，需要了解下觸發(fā)角α與導(dǎo)通角θ，如表1所示。

表1 觸發(fā)角α與導(dǎo)通角θ概念

在圖6中，主要是通過控制晶閘管VT的觸發(fā)角α與導(dǎo)通角θ來實(shí)現(xiàn)對輸出直流電壓的控制，這就是經(jīng)典采用相位控制方法來控制直流輸出電壓的大小。

圖6所示，在整流電路中，當(dāng)外部電源u1處于正向時(shí)，經(jīng)過整流變壓器T得正向電壓u2，由于u2是一個(gè)正弦電壓，隨著角度的增大，當(dāng)時(shí)，恰好導(dǎo)通晶閘管VT，回路導(dǎo)通使得在負(fù)載R兩端得到與變壓器T兩端一致的電壓u2。由于晶閘管VT具有單向?qū)ㄌ匦?，?dāng)時(shí)，晶閘管VT兩端正向電壓為零，導(dǎo)致無法通過電流，進(jìn)而回路電流為零，負(fù)載R兩端電壓為零。同理當(dāng)外部電源u1處于負(fù)向時(shí)，晶閘管VT兩端電壓極性相反，晶閘管VT處于關(guān)斷狀態(tài)，回路電路繼續(xù)保持為零，負(fù)載R兩端電壓為零，直到下一個(gè)周期滿足晶閘管VT導(dǎo)通為止。

圖7 電阻性負(fù)載的單相半波可控整流波形

正是由于是純電阻負(fù)載，最后在負(fù)載R上得到實(shí)際輸出電壓ud和電路實(shí)際電流id的波形相位相同，形狀一致?？梢?，對于單相半波可控整流電路來說，只需要通過改變實(shí)際的觸發(fā)角α，便可控制負(fù)載R兩端的直流輸出電壓ud的波形，實(shí)現(xiàn)對負(fù)載R的輸出電壓的平均值進(jìn)行控制。由于圖6所述的晶閘管VT只在電壓部分正向角度才能導(dǎo)通，負(fù)載R得到的輸出電壓ud極性不變，但電壓電流的瞬時(shí)值是變化的，屬于脈動(dòng)直流形式，因此這是經(jīng)典的半波整流方式。相應(yīng)的整流過程波形如圖7所示。

3.2 變換關(guān)系

從圖7可知，在單相半波可控整流電阻性負(fù)載電路中：

根據(jù)有效值計(jì)算關(guān)系可以計(jì)算整流后直流輸出電壓平均值Ud(見式(1))與輸出電流平均值Td(見式(2))。

除此之外，還有很多其他整流方式，如按照整流電路劃分還有全波整流電路和橋式整流電路，按組成電路還有不可控電路、半控電路、全控電路等。

4.直流電轉(zhuǎn)換交流電的過程分析

同樣，在一些特殊情況下需要將直流電變成交流電，如將安全直流電源轉(zhuǎn)換成特定要求的交流電源，以供一些特定安全設(shè)備在緊急情況下使用，其轉(zhuǎn)換過程稱其為逆變，對應(yīng)的電路稱為逆變電路。如果逆變后的交流電接入電網(wǎng)，這種逆變方式稱為有源逆變，如特高壓直流輸電、太陽能發(fā)電等；反之，如果逆變后的交流電直接與負(fù)載相連，則稱這種逆變方式為無源逆變，如有的變頻器、安全應(yīng)急電源等。為便于敘述，本文主要以單項(xiàng)橋式逆變電路進(jìn)行逆變過程分析。

4.1 變換電路

圖8所示的是單項(xiàng)橋式逆變電路實(shí)現(xiàn)直流電變交流電的功能，其中是逆變電路的四個(gè)開關(guān)，其一般都是由一些復(fù)雜的電力電子器件組合而成。

圖8 單項(xiàng)橋式逆變電路

4.2 變換原理

從圖8所示的單項(xiàng)橋式逆變電路可知，基本的逆變過程為：當(dāng)開關(guān)S1與S4閉合，S2與S3斷開時(shí)，負(fù)載R兩端得到輸出電壓u0=ud；相反，當(dāng)開關(guān)S1與S4斷開，S2與S3閉合時(shí)，負(fù)載R兩端得到輸出電壓u0= —ud?？梢?，如果切換開關(guān)S1與S4和S2與S3以某個(gè)特定頻率fs切換時(shí)，則在負(fù)載R兩端將獲得如圖9所示的交變方波電壓，交流電壓的周期TS=1/ fs?？梢?，通過該單項(xiàng)橋式逆變電路便可實(shí)現(xiàn)直流電壓ud交流電壓u0的轉(zhuǎn)換，但是在負(fù)載R兩端得到的輸出電壓u0含有各次諧波，如果想得到較完美的正弦波電壓，則需要進(jìn)一步對交流方波電壓通過特定頻率的濾波器濾波處理。

圖9 單項(xiàng)橋式逆變電路進(jìn)行逆變波形

4.3 變換關(guān)系

為進(jìn)一步分析逆變關(guān)系，本文特定以電壓型單項(xiàng)橋式逆變電路展開定量分析，如圖10所示，此處，且足夠大，能實(shí)現(xiàn)對電壓的保持功能。

圖10 電壓型半橋逆變電路

則對應(yīng)輸出電壓有效值為：

由傅里葉分析，輸出電壓瞬時(shí)值為：

5.結(jié)論

交流電與直流電的相互轉(zhuǎn)換是電力變換的基本過程，從我國特高壓直流輸電過程中需要的交直流變換到一般電子信息產(chǎn)品的電源轉(zhuǎn)換，都伴隨著交流電與直流電相互變換技術(shù)。整流器作為交流電到直流電的轉(zhuǎn)換裝置，有兩個(gè)基本功能，即將交流電變成直流電，并經(jīng)過濾波后供給負(fù)載或逆變器，同時(shí)也可以給蓄電池提供充電電壓，起到充電器的作用。而逆變器作為直流電到交流電的轉(zhuǎn)換裝置，主要是滿足生產(chǎn)生活中對特定電壓頻率和特定功能需要，與整流器功能恰好相反。隨著近些年特高壓直流輸電技術(shù)的發(fā)展，特高壓的交流電與直流電變換技術(shù)要求越來越高，性能也將越來越好。