电力电子技术——交流直流变换器

发表于 2023-10-01 更新于 2023-11-16 本文字数： 2.1k 阅读时长 ≈ 2 分钟

有关电力电子技术交流直流变换器部分的简要笔记

电力电子技术

交流直流变换器

交流直流变换器，AC to DC converter，又称整流电路，是最早出现的电力电子电路，目的是将交流电转化为直流电。

按组成器件可以分为不可控、半控、全控电路三种。

按电路结构可以分为桥式和零式电路两种。

按交流输入相数可以分为单相和三相电路。

单相半波不可控整流

回忆模电的半波整流电路，考虑当电压正向时，二极管导通；电压反向时，二极管截止。

理想波形如下

仿真电路如下

那么仿真波形如下

如果此时带感性负载，则整流时会存在一定延时，即

为避免出现延时的情况，我们在这之上添加一个二极管为其续流。

理想电路图

仿真图如下

在续流二极管的作用下，电感的反馈电压被截止，波形又回归良好

单相全波不可控整流

半波整流虽然效果很好，但效率太低，一个周期的电能只有半个周期被利用上，我们希望整个周期都能被利用上，那么可以使用桥式整流方式。

在桥式整流中，每次只有两个二极管导通，分别是1、4和2、3轮流导通。

仿真电路图如下所示

仿真波形如下所示

单相半波半控整流

理论电路和波形图如下所示

其中 VT 是晶闸管。

我们使用晶闸管的开关特性（通过一个信号触发晶闸管导通，直到出现反向电压使其截止，故称为半控）来控制电压的输出，从而可以控制输出电压的有效值。

其中 \(\alpha\) 是晶闸管的控制角，代表了晶闸管在一定相位内是正在等待控制信号的；\(\theta\) 是晶闸管的导通角，代表了晶闸管导通的相位大小，其中满足 \[ \alpha+\theta=180\degree \] 仿真电路图如下

其中控制信号采用 pulse generator（矩形信号发生器）模块实现，调整其周期（Period）与电压周期一致，占空比（Pulse Width）与晶闸管的控制无关，延迟相位（Phase delay）设置为 \(\alpha/360\degree\times T\)，其中 \(T\) 是设定的周期，\(\alpha\) 是控制角。

输出波形如下

在面对电感性负载时，会出现明显的延迟信号

同样的，我们可以为其添加续流二极管，使电感的反馈电压被续流二极管截止。

仿真电路图如下

仿真波形如下

但需要注意，此时输出电流发生了一定的变化，如果提高电感大小，那么变化将会与理论一致。

}电源电压正半波 \(u_2>0\)，晶闸管电压 \(u_{AK}>0\)。\(\omega t=\alpha\)，触发晶闸管导通，负载上有输出电压和电流，续流二极管VDR承受反向电压而处于断态。

}电源电压负半波 \(u_2<0\)，通过续流二极管VDR使晶闸管承受反向电压而关断。电感的感应电压使VDR承受正向电压导通续流，负载两端的电压仅为续流二极管的管压降。如果电感足够大，续流二极管一直导通到下一周期晶闸管导通，使 \(u_d\) 连续。

电感性负载加续流二极管后，输出电压波形与电阻性负载波形相同，续流二极管可以起到提高输出电压的作用。在大电感负载时负载电流波形连续且近似一条直线，流过晶闸管的电流波形和流过续流二极管的电流波形是矩形波。

单相全波半控整流

同理，我们希望能利用整个周期的电能而非半个周期的电能，故在此基础上升级为桥式电路。

同样的，同一时间内只有 VT1、VT3 或 VT2、VT4 导通。

仿真电路图如下

仿真波形如下

在电源电压u2正半波，晶闸管VT1、VT4承受正向电压。假设四个晶闸管的漏电阻相等，则在0～α区间由于四个晶闸管都不导通，uAK1，4=1/2 u2。在ωt=α处触发晶闸管VT1、VT4导通，电流沿a→VT1→R→VT4→b流通，此时负载上输出电压ud=u2。电源电压反向施加到晶闸管VT2、VT3上，处于关断状态，到ωt=π时，因电源电压过零，晶闸管VT1、VT4阳极电流也下降为零而关断。

在电源电压负半波，晶闸管VT2、VT3承受正向电压，在π～π+α区间，uAK2，3=1/2 u2，在ωt=π+α处触发晶闸管VT2、VT3，元件导通，电流沿b→VT3→R→VT2→a流通，电源电压沿正半周期的方向施加到负载电阻上，负载上有输出电压 ud=-u2。此时电源电压反向施加到晶闸管VT1、VT4上，使其处于关断状态。到ωt=2π，电源电压再次过零，VT2、VT3阳极电流也下降为零而关断。

0～180º。α=0º时，输出电压最高；α=180º时，输出电压最小。晶闸管承受最大反向电压Um是相电压峰值，晶闸管承受最大正向电压是Um/2。

当变为电感性负载时，显然会出现延迟现象