交流电与直流电相互转换原理

袁 晨

交流电与直流电是我们日常生产生活中电力使用的两种基本方式，在实际应用过程中需要两种进行相互转换，本文从交流电与直流电的基本概念出发，重点分析了两者相互转换的电路与变换原理，以此深入阐述了交流电与直流电的转换过程，为电力初学者了解交直流电概念及相互转换原理提供参考。

1.引言

众所周知，交流电与直流电是人们日常生活中的两种基本用电方式，如照明、动力用电大部分都属于交流电，相反，电脑、手机等采用的又是直流电，而在实际工业生产中，大型发电机所发出来的都是高压交流电，因此在电力使用过程中，必须通过一定的手段进行电力变换，如升压降压、交直流转换等，才能满足不同负载用户对电力特性的要求。

本文正是从对交流电与直流电的认识角度出发，通过查找资料分析总结交流电与直流电的特性，并主要针对交流电与直流电相互转换过程进行深入学习总结，就其两者的转换过程及应用进行总结，以此拓展对电力应用的了解和为进一步深入学习电气工程技术奠定基础。

2.交流电与直流电概述

2.1 交流电

一般来说，电厂发电机所发出的是交流电，如高中所学交流发电机所发出的正弦交流电便是典型的交流电，其大小和方向都随时间发生变化，如图1所示的是常用的正弦交流电。除此之外，在应用过程中，只要电流方向发生变化，都可统称为交流电，如图2所示三角波交流电与图3所示的方波交流电。

图1 正弦交流电

图2 三角波交流电

图3 方波交流电

交流电主要用于发电与配电方面。与直流电相比，交流电在机械能、化学能等其他形式的能转化为电能的效率比直流电高。另外，交流电较容易通过变压器进行升压与降压，能够在远距离输电时较快的转换为高压交流电。

2.2 直流电

高中所学的恒定电流是直流电的一种，通常其电流大小和方向都不发生改变，如恒压电压源、恒流电流源。但在实际应用过程中常常是以另外一种形式存在，即电流大小会随时间变化，但是方向一直保持不变，这就是所谓的脉动直流电，如常用干电池在使用过程中路端电压会逐渐减少，但方向保持不变。如图4所示的恒定直流电，图5所示的脉动直流电。

图4 恒定直流电

图5 脉动直流电

3.交流电转换直流电的过程分析

正如2.2所述，在一些场合必须使用直流电，在交流电转换为直流电过程中，最为关键的部件是整流器，考虑到实际交流变直流

过程会由于电路特性不同而采用不同的电路连接方式，本文主要以电阻性负载和单相半波可控整流电路为例进行变换过程分析。

3.1 变换电路

在生产实际中属于电阻性的负载有如照明加热装置、电解电镀装置等，也就是高中电路图中的纯电阻元件，纯电阻元件的根本特点是电路两端电压与电流是同相位的，且波形一致，满足U = IR关系。图6为一个带电阻性负载的单相半波可控整流电路，其中变压器T起变换电压和电气隔离的作用，在变换电路引入整流变压器T后将能使整流电路输入、输出电压间获得合理的匹配，以提高整流电路的性能指标，尤其是整流电路的功率因数。

图6 电阻性负载的单相半波可控整流电路

3.2 变换原理

在深入阐述单相半波可控整流变换原理之前，需要了解下触发角α与导通角θ，如表1所示。

表1 触发角α与导通角θ概念

在图6中，主要是通过控制晶闸管VT的触发角α与导通角θ来实现对输出直流电压的控制，这就是经典采用相位控制方法来控制直流输出电压的大小。

图6所示，在整流电路中，当外部电源u1处于正向时，经过整流变压器T得正向电压u2，由于u2是一个正弦电压，随着角度的增大，当时，恰好导通晶闸管VT，回路导通使得在负载R两端得到与变压器T两端一致的电压u2。由于晶闸管VT具有单向导通特性，当时，晶闸管VT两端正向电压为零，导致无法通过电流，进而回路电流为零，负载R两端电压为零。同理当外部电源u1处于负向时，晶闸管VT两端电压极性相反，晶闸管VT处于关断状态，回路电路继续保持为零，负载R两端电压为零，直到下一个周期满足晶闸管VT导通为止。

图7 电阻性负载的单相半波可控整流波形

正是由于是纯电阻负载，最后在负载R上得到实际输出电压ud和电路实际电流id的波形相位相同，形状一致。可见，对于单相半波可控整流电路来说，只需要通过改变实际的触发角α，便可控制负载R两端的直流输出电压ud的波形，实现对负载R的输出电压的平均值进行控制。由于图6所述的晶闸管VT只在电压部分正向角度才能导通，负载R得到的输出电压ud极性不变，但电压电流的瞬时值是变化的，属于脉动直流形式，因此这是经典的半波整流方式。相应的整流过程波形如图7所示。

3.2 变换关系

从图7可知，在单相半波可控整流电阻性负载电路中：

根据有效值计算关系可以计算整流后直流输出电压平均值Ud(见式(1))与输出电流平均值Td(见式(2))。

除此之外，还有很多其他整流方式，如按照整流电路划分还有全波整流电路和桥式整流电路，按组成电路还有不可控电路、半控电路、全控电路等。

4.直流电转换交流电的过程分析

同样，在一些特殊情况下需要将直流电变成交流电，如将安全直流电源转换成特定要求的交流电源，以供一些特定安全设备在紧急情况下使用，其转换过程称其为逆变，对应的电路称为逆变电路。如果逆变后的交流电接入电网，这种逆变方式称为有源逆变，如特高压直流输电、太阳能发电等；反之，如果逆变后的交流电直接与负载相连，则称这种逆变方式为无源逆变，如有的变频器、安全应急电源等。为便于叙述，本文主要以单项桥式逆变电路进行逆变过程分析。

4.1 变换电路

图8所示的是单项桥式逆变电路实现直流电变交流电的功能，其中是逆变电路的四个开关，其一般都是由一些复杂的电力电子器件组合而成。

图8 单项桥式逆变电路

4.2 变换原理

从图8所示的单项桥式逆变电路可知，基本的逆变过程为：当开关S1与S4闭合，S2与S3断开时，负载R两端得到输出电压u0=ud；相反，当开关S1与S4断开，S2与S3闭合时，负载R两端得到输出电压u0= —ud。可见，如果切换开关S1与S4和S2与S3以某个特定频率fs切换时，则在负载R两端将获得如图9所示的交变方波电压，交流电压的周期TS=1/ fs。可见，通过该单项桥式逆变电路便可实现直流电压ud交流电压u0的转换，但是在负载R两端得到的输出电压u0含有各次谐波，如果想得到较完美的正弦波电压，则需要进一步对交流方波电压通过特定频率的滤波器滤波处理。

图9 单项桥式逆变电路进行逆变波形

4.3 变换关系

为进一步分析逆变关系，本文特定以电压型单项桥式逆变电路展开定量分析，如图10所示，此处，且足够大，能实现对电压的保持功能。

图10 电压型半桥逆变电路

则对应输出电压有效值为：

由傅里叶分析，输出电压瞬时值为：

5.结论

交流电与直流电的相互转换是电力变换的基本过程，从我国特高压直流输电过程中需要的交直流变换到一般电子信息产品的电源转换，都伴随着交流电与直流电相互变换技术。整流器作为交流电到直流电的转换装置，有两个基本功能，即将交流电变成直流电，并经过滤波后供给负载或逆变器，同时也可以给蓄电池提供充电电压，起到充电器的作用。而逆变器作为直流电到交流电的转换装置，主要是满足生产生活中对特定电压频率和特定功能需要，与整流器功能恰好相反。随着近些年特高压直流输电技术的发展，特高压的交流电与直流电变换技术要求越来越高，性能也将越来越好。