论述整流、逆变、斩波、交交变换四种功率变换器的工作原理

论述整流、逆变、斩波、交交变换四种功率变换器的工作原理

整流、逆变、斩波、交交功率变换器是能将电力从交流转换为直流、直流转换为直流、直流转换为交流、交流转换为交流（交流控制器），变频率交流转换为交流（周波变换器）的四种类型的电力电子变换器。变换器被广泛用于加热和灯光控制，交流和直流电源，电化学过程，直流和交流电极驱动，静态无功补偿，有源谐波滤波等等。

一、整流功率变换器的工作原理

整流器的主要应用是把交流电源转为直流电源。常见的有二极管整流变换器和晶闸管整流变换器。

二极管整流器不提供任何一种控制输出电流和电压数值的手段。为了适用于工业过程，输出值必须在一定范围内可以控制。通过应用机械的所谓有载抽头变换器可以完成这种控制。作为典型情况，有载抽头变换器在整流变压器的原边控制输入的交流电压，因此也就能够在一定范围内控制输出的直流值。通常有载抽头变换器与串联在整流器输出电路中的饱和电抗器结合使用。通过在电抗器中引入直流电流，使线路中产生一个可变的阻抗。因此，通过控制电抗器两端的电压降，输出值可以在比较窄的范围内控制。

其原理图1如下。

晶闸管(Thyristor)是晶体闸整流管的简称，又称作可控硅整流器(Silicon Controlled Rectifier——SCR)，以前被简称为可控硅。由于其能承受的电压和电流容量仍然是目前电力电子器件中最高的，而且工作可靠，因此在大容量的应用场合仍然具有比较重要的地位。

可控硅是四层三端结构元件，共有三个PN结，其等效图解如图2所示

当阳极A加上正向电压时，BG1和BG2管均处于放大状态。此时，如果从控制极G输入一个正向触发信号，BG2便有基流ib2流过，经BG2放大，其集电极电流ic2=β2ib2。因为BG2的集电极直接与BG1的基极相连，所以ib1=ic2。此时，电流ic2再经BG1放大，于是BG1的集电极电流ic1=β1ib1=β1β2ib2。这个电流又流回到BG2的基极，表成正反馈，使ib2不断增大，如此正向馈循环的结果，两个管子的电流剧增，可控硅使饱和导通。

由于BG1和BG2所构成的正反馈作用，所以一旦可控硅导通后，即使控制极G的电流消失了，可控硅仍然能够维持导通状态，由于触发信号只起触发作用，没有关断功能，所以这种可控硅是不可关断的。

二、逆变功率变换器的工作原理:

逆变功率变换器的基本作用是将直流电源转换为交流电源。

其原理是逆变电路中由六个开关组成了一个三相桥式电路。交替打开和关断这六个开关，就可以在输出端得到相位上各相差120°（电气角）的三相交流电源。该交流电源的频率由开关频率决定，而幅值则等于直流电源的幅值。为了改变该交流电源的相序从而达到改变异步电动机转向的目的，只要改变各个开关打开和关断的顺序即可。

在图3给出的逆变电路的原理图中，当位于同一桥臂上的两个开关同时处于开通状态时将会出现短路现象，并烧毁换流器件。所以在实际的逆变功率变换器中还设有各种相应的辅助电路，以保证逆变电路的正常工作和在发生意外情况时对换流器件进行保护。

在由逆变功率变换器所完成的将直流电源转换为交流电源的过程中，在实际的逆变电路中采用半导体器件作为开关器件。半导体开关器件的种类很多，如晶闸管、晶体管、GTO、IGBT等。

三、斩波功率变换器的工作原理：

斩波变换器是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为DC/DC变换。

其原理是利用功率组件对固定电压的电源做适当切割以达成负载端电压改变目的。若其输出电压较输入电源电压低，称为降压式(Buck )直流斩波器，若其输出电压较输入电源电压高，则称为升压式(Boost)直流斩波器;

如图4(a)所示为直流斩波器基本电路图，图4(b)所示为负载电压波形，可看出当直流斩波器导通(Ton)时，负载端之电压Vo等于电源电压Vs，当直流斩波器截止(Toff)时，负载端之电压Vo为0，适当的控制直流斩波器可使直流电源断续的出现在负载侧，只要控制直流斩波器的导通时间，即可改变负载的平均电压。

常见改变方式为 1.周期T固定，导通时间Ton改变，称脉波宽度调变(Pulse-width Modulation PWM)。2.导通时间Ton固定，周期T改变，称频率调变(Frequency Modulation FM)。 3.周期T及导通时间Ton 同时改变，即波宽调变及频率调变混合使用。

在实际应用中，因直流斩波器常需在负载端接上滤波电感及滤波电容，若频率改变过大对电感及电容影响大，因此多数采用脉波宽度调变。

用直流斩波器代替变阻器可节约电能(20~30)%。直流斩波器不仅能起调压的作用(开关电源)，同时还能起到有效地抑制电网侧谐波电流噪声的作用。

四、交交变换器的工作原理

交-交变换器是把电网固定频率的交流电，经过功率半导体电路变换成另一种频率和电压的交流电的变换。

通过电力电子变换装置把一种交流电直接变成另一种同频率不同电压交流电的变换称之为交流调压。交流调压器的控制方式有三种：

a)整周波通断控制 b) 相位控制 c) 斩波控制

相位控制交流调压又称相控调压，是交流调压中的基本控制方式，应用最广。交流调压器的输出仍是同频率的交流电，原则上可应用于一切需要调压的交流负载上，也可通过变压器再调压。交流调压器是通过改变电压波形来实现调压的，因此输出的电压波形不再是完整的正弦波，谐波分量较大。从调压器输入端所观察到的调压器及其负载的总体功率因数也随着输出电压的降低而降低。但这种交流调压器控制方便、体积小、投资省，因此广泛应用于需调温的工频加热、灯光调节及风机、泵类负载的异步电机调速等场合。

通过电力电子变换装置把一种交流电直接变换成另一种不同频率交流电的变换称之为交-交变频，也有称之为周波变换器、周期变换器。

其原理由两组三相可控整流电路反并联组成的可逆电路，其输出电压和电流的方向及大小是可以任意改变的。若使其输出的电压或电流以一定的频率正负交替变化，这就得到了一个单相交-交变频器。若以这样的三个单相交-交变频器互差120 工作，就构成了一个三相交-交变频器。

这种技术一般用在大型功率装置上。可以实现交流电诸参数（相数、相位、幅值、频率）的变换。和传统的变换器相比，它具有如下优点：不需要中间直流储能环节；能够四象限运行；具有优良的输入电流波形和输出电压波形；可自由控制的功率因数。