交流電與直流電相互轉換原理

袁 晨

交流電與直流電是我們日常生產生活中電力使用的兩種基本方式，在實際應用過程中需要兩種進行相互轉換，本文從交流電與直流電的基本概念出發，重點分析了兩者相互轉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換過程，為電力初學者了解交直流電概念及相互轉換原理提供參考。

1.引言

眾所周知，交流電與直流電是人們日常生活中的兩種基本用電方式，如照明、動力用電大部分都屬于交流電，相反，電腦、手機等采用的又是直流電，而在實際工業生產中，大型發電機所發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行電力變換，如升壓降壓、交直流轉換等，才能滿足不同負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識角度出發，通過查找資料分析總結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換過程進行深入學習總結，就其兩者的轉換過程及應用進行總結，以此拓展對電力應用的了解和為進一步深入學習電氣工程技術奠定基礎。

2.交流電與直流電概述

2.1 交流電

一般來說，電廠發電機所發出的是交流電，如高中所學交流發電機所發出的正弦交流電便是典型的交流電，其大小和方向都隨時間發生變化，如圖1所示的是常用的正弦交流電。除此之外，在應用過程中，只要電流方向發生變化，都可統稱為交流電，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

交流電主要用于發電與配電方面。與直流電相比，交流電在機械能、化學能等其他形式的能轉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行升壓與降壓，能夠在遠距離輸電時較快的轉換為高壓交流電。

2.2 直流電

高中所學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生改變，如恒壓電壓源、恒流電流源。但在實際應用過程中常常是以另外一種形式存在，即電流大小會隨時間變化，但是方向一直保持不變，這就是所謂的脈動直流電，如常用干電池在使用過程中路端電壓會逐漸減少，但方向保持不變。如圖4所示的恒定直流電，圖5所示的脈動直流電。

圖4 恒定直流電

圖5 脈動直流電

3.交流電轉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，在交流電轉換為直流電過程中，最為關鍵的部件是整流器，考慮到實際交流變直流

過程會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載和單相半波可控整流電路為例進行變換過程分析。

3.1 變換電路

在生產實際中屬于電阻性的負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關系。圖6為一個帶電阻性負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，尤其是整流電路的功率因數。

圖6 電阻性負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，需要了解下觸發角α與導通角θ，如表1所示。

表1 觸發角α與導通角θ概念

在圖6中，主要是通過控制晶閘管VT的觸發角α與導通角θ來實現對輸出直流電壓的控制，這就是經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，當外部電源u1處于正向時，經過整流變壓器T得正向電壓u2，由于u2是一個正弦電壓，隨著角度的增大，當時，恰好導通晶閘管VT，回路導通使得在負載R兩端得到與變壓器T兩端一致的電壓u2。由于晶閘管VT具有單向導通特性，當時，晶閘管VT兩端正向電壓為零，導致無法通過電流，進而回路電流為零，負載R兩端電壓為零。同理當外部電源u1處于負向時，晶閘管VT兩端電壓極性相反，晶閘管VT處于關斷狀態，回路電路繼續保持為零，負載R兩端電壓為零，直到下一個周期滿足晶閘管VT導通為止。

圖7 電阻性負載的單相半波可控整流波形

正是由于是純電阻負載，最后在負載R上得到實際輸出電壓ud和電路實際電流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，只需要通過改變實際的觸發角α，便可控制負載R兩端的直流輸出電壓ud的波形，實現對負載R的輸出電壓的平均值進行控制。由于圖6所述的晶閘管VT只在電壓部分正向角度才能導通，負載R得到的輸出電壓ud極性不變，但電壓電流的瞬時值是變化的，屬于脈動直流形式，因此這是經典的半波整流方式。相應的整流過程波形如圖7所示。

3.2 變換關系

從圖7可知，在單相半波可控整流電阻性負載電路中：

根據有效值計算關系可以計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換成特定要求的交流電源，以供一些特定安全設備在緊急情況下使用，其轉換過程稱其為逆變，對應的電路稱為逆變電路。如果逆變后的交流電接入電網，這種逆變方式稱為有源逆變，如特高壓直流輸電、太陽能發電等；反之，如果逆變后的交流電直接與負載相連，則稱這種逆變方式為無源逆變，如有的變頻器、安全應急電源等。為便于敘述，本文主要以單項橋式逆變電路進行逆變過程分析。

4.1 變換電路

圖8所示的是單項橋式逆變電路實現直流電變交流電的功能，其中是逆變電路的四個開關，其一般都是由一些復雜的電力電子器件組合而成。

圖8 單項橋式逆變電路

4.2 變換原理

從圖8所示的單項橋式逆變電路可知，基本的逆變過程為：當開關S1與S4閉合，S2與S3斷開時，負載R兩端得到輸出電壓u0=ud；相反，當開關S1與S4斷開，S2與S3閉合時，負載R兩端得到輸出電壓u0= —ud?？梢姡绻袚Q開關S1與S4和S2與S3以某個特定頻率fs切換時，則在負載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?，通過該單項橋式逆變電路便可實現直流電壓ud交流電壓u0的轉換，但是在負載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 單項橋式逆變電路進行逆變波形

4.3 變換關系

為進一步分析逆變關系，本文特定以電壓型單項橋式逆變電路展開定量分析，如圖10所示，此處，且足夠大，能實現對電壓的保持功能。

圖10 電壓型半橋逆變電路

則對應輸出電壓有效值為：

由傅里葉分析，輸出電壓瞬時值為：

5.結論

交流電與直流電的相互轉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品的電源轉換，都伴隨著交流電與直流電相互變換技術。整流器作為交流電到直流電的轉換裝置，有兩個基本功能，即將交流電變成直流電，并經過濾波后供給負載或逆變器，同時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換裝置，主要是滿足生產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的發展，特高壓的交流電與直流電變換技術要求越來越高，性能也將越來越好。