交-直-交变频器直流电路类型波形及效率分析

0 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

1.1 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。

1.2 6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1.41 倍。由于晶闸管的导通时间短，变压器利用率不是特别好。

1.3 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1.26PD，优于前述整流器(半波整流器为1.35，6 脉波整流器为1.41)，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。

1.4 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3 Umax，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。