交直交变频器直流电路类型波形及效率分析

交直交变频器直流电路类型波形及效率分析吴忠智1，吴加林2（1北京中瑞电子系统工程设计院，北京100039）（2成都佳灵电气制造公司，四川成都610043）摘要要变频器的功能之一是降低能耗，因此变频器本身就应该节能，就应该是能耗低效率高的产品。探讨了交直交变频器的直流电路，从类型、波形、功率因数和效率方面分析，论述了怎样的形式才是节能的、效率高的，以提供生产和应用变频器的单位参考。关键字整流电路；波形；效率；节能ACDCACINVERTERTYPEOFWAVEFORMANDEFFICIENCYOFDCCIRCUITANALYSISABSTRACTONEFUNCTIONOFTHEFREQUENCYCONVERTERTOREDUCEPOWERCONSUMPTION,THECONVERTERITSELFSHOULDBESAVING,ITSHOULDBEHIGHENERGYINEFFICIENTPRODUCTSOFTHEACDCDCACINVERTERCIRCUIT,FROMTHETYPEOFWAVEFORM,POWERFACTORANDEFFICIENCYANALYSIS,DISCUSSEDHOWTHEFORMISTHEENERGYSAVING,HIGHEFFICIENCY,ANDTOPROVIDEPRODUCTIONANDAPPLICATIONOFTHEFREQUENCYCONVERTERUNITFORREFERENCEKEYWORDSRECTIFIERCIRCUITWAVEEFFICIENCYENERGY0引言应用变频器的最重要的目的之一，就是为了节能，因此变频器本身就应效率高。而达到效率高，要求除制作变频器要选择饱和压降小的元器件和PWM开关频率选择最佳值之外，还要对变频器电路中的直流电路进行选择，这也是重要的一环。本文通过对拓扑电路类型、波形谐波、功率因数基本原理进行分析比较，找出最佳效率的理论根据，这样实践就可放心大胆了，生产和使用就有科学根据了。1交直交变频器直流电路常用的几种拓扑型式及波形11三相半波整流电路三相半波整流是整流的基础，其拓扑电路如图1所示。整流用三个共阴极晶闸管以便控制负载电压，其平均值为半波整流的直流电流波形如图2所示。当负载是阻性时，电流ID和负载电压波形相同，当负载为感性时，电流变平，最后固定不变。半波整流的交流电流波形如图3所示。一般被用来设计电力变压器，有显然，电力变压器一次侧容量必须超过整流器额定容量的21，二次侧容量必须超过整流器额定容量的48。因此，对整个整流器，变压器容量要比直流负载的容量大35。之所以变压器二次容量大于一次容量，是变压器二次绕组中存在直流分量，所以带变压器的整流器效率很低。126脉波或双星整流图4为带有变压器的晶闸管6脉波整流，不考虑换相重叠，每个晶闸管在一个周期内只导通60毅。直流电压要比半波整流器高，其平均值为由于6脉波不存在3次谐波，所以直流电压脉动小于半波整流器，平滑电抗器LD也小于3脉波（半波）整流器。其交流电流如图5所示。二次绕组电流中存在直流成分，磁势由于二次侧为双星接法相互抵消了一次，只有一个晶闸管被触发，一次绕组为三角形联结，电流波形对称，导通角为60毅。电源电流也具有对称波形，但是导通角为120毅。变压器额定值与半波整流器相似，有因此，变压器的一次容量必须超过额定容量的28，二次容量必须超过额定容量的55，变压器平均视在功率是负载功率PD的141倍。由于晶闸管的导通时间短，变压器利用率不是特别好。13带自耦变压器的双星整流两个并列连接的半波整流器，可以提供大的直流电流。既能达到好的平衡，又能消除谐波的最优办法如图6所示。两个整流器平移180毅，它们的二次侧中性点通过中点自耦变压器连接，自耦变压器接在两个二次侧的中性点之间，它的中点接在负载的地上，两组并联运行。其交流电流波形如图5所示。变压器额定值是额定功率的平均值是126PD，优于前述整流器（半波整流器为135，6脉波整流器为141），因而变压器能够很好利用。自耦变压器实现并联连接，整流器可以输出大电流；串联连接可以输出高电压。14三相全波整流（GRAETZ桥）全波整流器如图7所示。三个共阴极SCR产生相对中性点的正电压，三个共阳极SCR产生相对中性点的负电压。其结果是直流电压是半波整流器的两倍。全桥的每一半是一个3脉波整流器组。这种全桥连接，在每半周内交流电流都在变压器二次绕组中流动，两个直流分量在二次绕组内大小相等方向相反相互抵消，避免了变压器磁心饱和。此种不需任何特殊变压器，像6脉波整流器一样工作。其负载平均电压为该拓扑中每个半波桥电压UDPOS和UDNEG、总的瞬时直流电压UD和全桥上一个晶闸管的阳阴极电压UAK如图8所示。UAK的最大值是姨3UMAX，与半波整流器和自耦变压器整流器的值相同。整流器的电流波形如图9所示，假定LD足够大，以保持直流电流平滑。输入电流和所有绕组电流波形完全对称。其变压器额定值是2整流器的功率因数整流是非线形，不是正弦电流，电源每相传输的实际功率应是3谐波整流器线路换相的电流不是正弦波形。例如，GRAETZ整流器产生的电流有如下谐波分量如果整流器变压器的一次或二次三相绕组采用三角形联结，那么交流侧的电流波形由相位差是120毅的两个矩形波相减得到。一次“A”相电流的傅里叶级数是4效率综上所述，可以得出三相半波整流电路电力变压器在一次侧容量必须超过21，在二次侧容量必须超过48；6脉波或双星整流变压器在一次侧容量必须超过额定28，在二次侧容量必须超过额定55；带自耦变压器的双星整流变压器一次侧容量必须超过5，二次侧容量超过48；三相全波整流（GRAETZ桥）容量只超过5即可，很明显，变压器利用率最好。所以决定整流器效率的因素有1）在拓扑电路中有变压器比无变压器的效率要低如用图6带自耦变压器的双星整流器制作的多重化高压大功率频器（如图10）比无变压器直接串联的高压大功率变频器（如图11）效率要低（如图12）。2）拓扑电路的脉波和波形从式（19）看出电流失真的增加使IA也增加，使功率因数变坏，整流器效率低；从式（23）及表1看出谐波大，电压失真大，整流器效率低。作者简介吴忠智（1933），男，教授级高工，1955年四川大学工学院电机系毕业。毕业后先后在电子工业部第十、十一设计研究院从事自动化、电磁兼容、变频器应用设计研究工作，任自动化室主任。1982、1984年两次在美国考察访问学习，并参加国际电气电子工程师学会（IEEE），为高级会员。1997、1998年在美国修订EMC标准。撰写电磁兼容、变频器专著8本，中英论文80余篇，分别获省市科协、国防科工委优秀论文奖。退休后在变频器生产厂家任总工，是成都佳灵电气制造有限公司终生名誉总工，任电子科技大学博士生论文同行专家评定导师，是北京中瑞电子系统工程设计院顾问。吴加林（1953），男，高级工程师，大学毕业。中国变频技术开拓者，享受政府津贴的变频技术专家，中国优秀民营企业家，成都佳灵电气制造有限公司总裁。多项国家火炬计划项目及国家重点创