陳榮

摘要：交流到直流的變換即整流是電力電子技術(shù)中最基本的變換技術(shù)，在實(shí)際工程中應(yīng)用十分廣泛。傳統(tǒng)整流技術(shù)的教學(xué)由于知識(shí)點(diǎn)比較抽象，缺乏背景支撐，學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣不高，動(dòng)力不強(qiáng)。為此嘗試在整流技術(shù)教學(xué)過程中，先引入電解與電鍍、靜電除塵等實(shí)際生產(chǎn)過程，展示生產(chǎn)工藝對電源的需求，再將整流電路逐一展開，建立并加深對該知識(shí)點(diǎn)的理解與掌握。教學(xué)實(shí)踐表明，該教學(xué)方法效果明顯，師生互動(dòng)踴躍，學(xué)生反映良好。

關(guān)鍵詞：電解電鍍；靜電除塵；電源；整流技術(shù)；案例教學(xué)

“電力電子技術(shù)”課程闡述了四大變換技術(shù)及其控制方法，分別是AC/DC、AC/AC、DC/AC、DC/DC，而其中以AC/DC變換技術(shù)（整流）的原理與控制最為基本，已經(jīng)出版并廣泛使用的大多數(shù)教材都是從此開始講授并逐步展開的。因此，AC/DC變換是電力電子變換技術(shù)最基本的內(nèi)容，該變換技術(shù)所涉及的應(yīng)用領(lǐng)域包括電解、電鍍、電機(jī)傳動(dòng)、靜電除塵等需要提供直流電源的場所，應(yīng)用范圍十分廣泛，學(xué)好該技術(shù)對將來的應(yīng)用至關(guān)重要。

當(dāng)前課程講授時(shí)所采取的方式大多是從單相半波整流電路開始，到單相橋式全控、半控、全波以及三相半波、三相橋式全控、半控，再到多相整流電路的構(gòu)成與工作原理，分析各種整流電路的輸出電壓電流波形、晶閘管兩端的電壓波形、電流平均值有效值、諧波與功率因數(shù)等。這些知識(shí)都是實(shí)際電路工作工程過程中所呈現(xiàn)的，作為學(xué)員或使用者必須知道或掌握的內(nèi)容，但由于缺少工程背景的支撐，沒有實(shí)際應(yīng)用對象支持，學(xué)生把這些內(nèi)容當(dāng)成如高等數(shù)學(xué)類的抽象知識(shí)來學(xué)習(xí)，導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)趣味不濃，學(xué)習(xí)積極性不高。由于AC/DC變換在現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，日常生活、工業(yè)現(xiàn)場隨處可見，因此，為提高學(xué)生學(xué)習(xí)該技術(shù)的積極性，增強(qiáng)學(xué)習(xí)的趣味性，可以將現(xiàn)實(shí)裝置及其需求引入課堂，換一種方法來學(xué)習(xí)AC/DC變換，探討整流電路的工作原理、構(gòu)成與分析。

一、電解電鍍及靜電除塵的應(yīng)用場景

1.電解應(yīng)用

在自然界中，絕大多數(shù)化學(xué)元素均以與其他元素構(gòu)成化合物的形態(tài)出現(xiàn)，如氯（Cl）、氫（H）、鋁（Al）、鐵（Fe）、銅（Cu）等，真正以游離態(tài)出現(xiàn)的化學(xué)元素比較少，如氮?dú)猓∟2）、氧氣（O2）、金（Au）以及一些惰性氣體等。為了從自然界中提取所需要的元素，需要采取化學(xué)中的氧化還原反應(yīng)（有些帶催化）或者采用電化學(xué)中電解的方法實(shí)現(xiàn)，如電解水制氫氣、氧氣；電解食鹽水制備氯氣、氫氣；電解法提純銅；電解法制備鋁等。所有這些電解工藝中均需要提供穩(wěn)定可調(diào)的低電壓、大電流直流電源，而現(xiàn)實(shí)的供電系統(tǒng)采用的是工頻交流電，為此，需要探討直流電源的構(gòu)成方法及工作原理，以便為電解工藝有效實(shí)現(xiàn)提供必備的基本條件。

2.電鍍應(yīng)用

金屬材料如鐵、鋁、銅等裸露在空氣中會(huì)被環(huán)境空氣中所含的活性氣體（如氧氣、二氧化硫、硫化氫等）所氧化，金屬材料表面形成氧化物或硫化物，致使金屬表面變色，影響美觀，或者使金屬表面被氧化脫落，縮短金屬材料的使用壽命。為此，必須在金屬表面進(jìn)行處理，以阻止金屬材料與活性氣體、水等的接觸，保持金屬表面不被氧化銹蝕，電鍍就是一種有效的可以增強(qiáng)金屬美感并阻止金屬材料氧化的表面處理方法。

非金屬材料如ABS塑料在模塑成型之后，因?yàn)椴牧献陨淼念伾?，使其在設(shè)計(jì)使用的裝備上不美觀，需要在塑料表面進(jìn)行處理，以使其與裝備協(xié)調(diào)或者增強(qiáng)其美觀性，而在其表面進(jìn)行電鍍就是一種很好的方法，可以使工程塑料表面看似具有金屬的式樣、質(zhì)感，并賦予金屬的性質(zhì)，集塑料及金屬的特性于一體。目前已經(jīng)有大量塑料電鍍產(chǎn)品應(yīng)用于電子、汽車、家庭用品上。

在電鍍工藝中，必須將被加工工件置于電鍍液中，將被鍍工件置于陰極，所鍍金屬置于陽極，在兩極通上低電壓、大電流的直流電，電鍍液中進(jìn)行氧化還原反映，將陽極上的金屬遷移到被鍍工件表面，形成致密的金屬保護(hù)層，使工件表面光亮美觀。因此，需要研究直流電源的原理與構(gòu)成，以實(shí)現(xiàn)材料表面加工的電鍍工藝。

3.靜電除塵應(yīng)用

在工業(yè)化生產(chǎn)高度發(fā)達(dá)的今天，環(huán)境污染問題越來越嚴(yán)重，尤其是近兩年來所出現(xiàn)的霧霾，是大氣污染到一定程度之后自然界無法消解這些污染物所產(chǎn)生的爆發(fā)性結(jié)果。而在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，隨處可見的煙囪將工廠生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的煙氣排放到大氣中。這些煙氣中富含PM2.5及其以上的顆粒物，富含物體燃燒之后所產(chǎn)生的氧化碳（COx）、氧化硫（SOx）、氧化氮（NOx）、硫化氫（H2S）等廢氣。煙氣中的廢氣可以采用水噴淋或者酸堿中和反應(yīng)的方式予以溶解或中和，形成具有二次污染的廢水或廢液，需要后續(xù)處理方可排入環(huán)境。針對煙氣中所含有的固體顆粒物的處理，早期采用旋風(fēng)收塵、袋式收塵等進(jìn)行收集，以消除煙氣中固體顆粒物對環(huán)境的影響，但收塵效果不好，設(shè)備成本較高，效率較低，壽命較短。后續(xù)應(yīng)用的靜電除塵方法對消除煙氣中固體顆粒物效果明顯，基本可以消除煙氣中的固體顆粒。

所謂靜電除塵，就是將燃燒所產(chǎn)生的煙氣流過兩電極板所形成的高壓靜電場中，煙氣在經(jīng)過高壓靜電場時(shí)被電分離，煙氣中的顆粒物與負(fù)離子結(jié)合帶上負(fù)電成為帶有電荷的粒子，受電場力的作用，被電場吸引至陽極表面放電而沉積在極板上。顆粒物在極板上積聚到一定程度之后，因極板被外力敲擊產(chǎn)生振動(dòng)，極板表面顆粒積聚的灰塵將隨自重下落，從而達(dá)到收塵的效果。靜電除塵可以達(dá)到很好的除塵效果，采用靜電除塵的煙氣排放中，基本不含固體物，在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用十分廣泛。為保證靜電除塵的除塵效果，高壓電場的形成和控制是其基本條件，為此，需要探討為靜電除塵過程提供高壓電源的裝置。

二、整流電路的結(jié)構(gòu)及工作原理

整流電路是將工頻交流電變換成直流電的電路，按照現(xiàn)實(shí)整流電路的具體結(jié)構(gòu)，整流電路有多種類型。按整流電路相數(shù)，整流電路可以分為單相、三相、多相；按電路結(jié)構(gòu)，整流電路可以分為橋式電路和零式電路；按變壓器二次電流方向，整流電路可以分為單拍和雙拍電路。以整流電路相數(shù)來分類分析。

1.單相整流電路

（1）單相半波整流電路如圖1所示，圖中（a）為單相半波整流帶電阻性負(fù)載及其工作波形，（b）為單相半波整流帶電阻、電感性負(fù)載及其工作波形，（c）為單相半波整流帶電阻、電感性負(fù)載，并有續(xù)流二極管電路及其工作波形。從圖1可以看出：一是該單相半波整流電路負(fù)載上獲得單方向直流電，變壓器半周期工作，存在直流磁化，影響電路效率及輸出波形；二是負(fù)載性質(zhì)影響整流電路工作過程，也影響整流電流的輸出波形；三是電路只在工頻的半周期內(nèi)工作，效率不高，輸出功率小；四是負(fù)載上獲得的直流電脈動(dòng)很大，諧波很高，電流很不平穩(wěn)；五是整流電路的輸入功率因數(shù)與效率很低。

正因?yàn)槿绱?，單相半波整流電路在現(xiàn)實(shí)裝備中很少應(yīng)用，分析該電路原理及其波形的目的在于利用該電路簡單易學(xué)的特點(diǎn)，建立起整流電路的基本概念，為后續(xù)電路的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。

圖1電路中，可以直接寫出各電路輸出電壓、電流及晶閘管電流、二極管電流的表達(dá)式，獲得相關(guān)器件兩端最高電壓數(shù)值。

圖1（a）單相半波整流帶電阻負(fù)載輸出直流電壓為：

（1）

圖1（b）單相半波整流帶電阻、電感負(fù)載時(shí)，因電感元件的儲(chǔ)能，在半周期內(nèi)晶閘管導(dǎo)通時(shí)間受電源電壓、觸發(fā)角、負(fù)載影響，彼此之間為復(fù)雜的非線性關(guān)系，甚至在電感較大時(shí)，電路輸出直流電壓很小，電路沒有實(shí)用價(jià)值。

圖1（c）單相半波整流帶電阻、電感負(fù)載，加上續(xù)流二極管，給整流電路負(fù)半周電流以續(xù)流通道，電路輸出直流電壓與（1）式同。

以上三種電路，晶閘管承受的最高正反向電壓為電源電壓峰值，整流電路輸出電流平均值、晶閘管中電流平均值IdVT、有效值IVT分別為：

（2）

（3）

（4）

（2）單相橋式整流電路如圖2所示，圖2（a）為單相橋全控整流帶電阻性負(fù)載及其工作波形，（b）為單相橋全控整流帶電阻、電感性負(fù)載及其工作波形，（c）為單相橋全控整流帶反電勢負(fù)載及其工作波形，（d）為單相橋半控整流帶電阻、電感性負(fù)載及其工作波形。從圖2可以看出，單相橋式整流電路不論是全控還是半控，變壓器副邊電流均雙向流動(dòng)，屬于雙拍電路，輸出直流電壓比半波電路要平穩(wěn)，變壓器也沒有直流磁化問題。但其輸出電壓電流波形脈動(dòng)仍然較大，且由于單相工作，電路輸出功率有限，只能在功率比較小、對輸出波形要求不高的應(yīng)用場合使用。（a）、（b）、（c）均為單相橋全控整流電路，與（d）圖的半控電路相比，二極管導(dǎo)通條件（承受正向電壓導(dǎo)通）與晶閘管（承受正向電壓時(shí)被觸發(fā)才導(dǎo)通）不同，因此電路輸出波形的分析也與前面的全控電路不同。

圖2（a）單相橋全控整流電阻性電路，正負(fù)半周期內(nèi)均流過電流，電路輸出電壓為：

（5）

圖2（b）單相橋全控整流電阻電感性電路，因電感儲(chǔ)能的作用，每半周期結(jié)束，晶閘管的導(dǎo)通均向下半個(gè)周期延伸，電壓波形連續(xù)（電感足夠大），電路輸出電壓為：

（6）

圖2（c）由于反電勢的存在，晶閘管關(guān)斷的時(shí)間受反電勢的影響，使得晶閘管在一個(gè)周期中的導(dǎo)通時(shí)間不確定，因此電路輸出無法表示。在實(shí)際應(yīng)用中，均在電路回路串電感元件，以給負(fù)載提供平穩(wěn)電流，此時(shí)電路分析類同于圖2（b）。

圖2（d）單相橋半控整流帶電阻、電感性負(fù)載時(shí)，因整流二極管承受正向電壓便導(dǎo)通，電路輸出電壓波形與圖2（a）相同，輸出電壓同（5）式。但該電路在突然丟失觸發(fā)脈沖情況下，會(huì)出現(xiàn)半波整流現(xiàn)象，即失控現(xiàn)象，為此，在電路輸出端并聯(lián)續(xù)流二極管。有無續(xù)流二極管，電路輸出電流波形不同，圖2（d）是有續(xù)流二極管時(shí)輸出波形。無續(xù)流二極管時(shí)，每個(gè)半周期結(jié)束時(shí)的續(xù)流過程由整流橋一橋臂承擔(dān)。

圖2四電路中，晶閘管承受最高正反向電壓為電源電壓峰值，輸出電流Id與（2）式同。

圖2（a）晶閘管電流平均值IdVT、有效值IVT、變壓器副邊電流有效值I2分別為：

（7）

（8）

（9）

因此有

圖2（b）中，IdVT與（7）式同，電感足夠大時(shí)，IVT、I2分別為：

（10）

（11）

圖2（d）無續(xù)流二極管時(shí)，IdVT、IVT、I2分別由式（7）、（10）、（11）決定。帶續(xù)流二極管時(shí)，橋臂整流二極管電流平均值、有效值與橋臂上晶閘管的電流平均值、有效值相同。IdVT、IVT、I2、續(xù)流管電流平均值IdVD、有效值IVD為：

（12）

（13）

（14）

（15）

（16）

除圖2之外，單相雙脈波整流電路仍有由兩個(gè)晶閘管和一臺(tái)中心抽頭變壓器構(gòu)成的單相全波整流電路，以及將二極管放置一側(cè)的單相橋式半控整流電路。前者因?yàn)樽儔浩鹘Y(jié)構(gòu)復(fù)雜而很少采用，后者使用時(shí)可以省去橋式半控整流電路的續(xù)流二極管，可以簡化電路。

2.三相整流電路

（1）三相半波整流電路如圖3所示。圖3（a）為三相半波整流帶電阻性負(fù)載，觸發(fā)角和時(shí)工作波形，（b）為帶電阻電感性負(fù)載時(shí)工作波形。從圖3可以看出，晶閘管承受的最高正反向電壓為電源線電壓峰值，（a）圖中是電阻負(fù)載時(shí)電壓電流連續(xù)的分界點(diǎn)，（b）圖中，每一相導(dǎo)通后到達(dá)相電壓負(fù)向過零處，因?yàn)殡姼袃?chǔ)能，晶閘管將持續(xù)導(dǎo)通，一直到下一個(gè)晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通。根據(jù)定義，不難寫出電路輸出電壓Ud、電流Id、晶閘管電流平均值IdVT、有效值IVT、變壓器副邊電流有效值I2：

電阻性負(fù)載時(shí)：

，α≤30° （17）

， （18）

電阻電感性負(fù)載時(shí)輸出電壓與（17）式同。

（19）

（20）

電阻性負(fù)載時(shí)，，電阻電感性負(fù)載時(shí)：

（21）

三相半波整流電路變壓器副邊流過單向電流，存在直流磁化問題，因此其應(yīng)用受到限制。

（2）三相橋式整流電路如圖4所示。圖4（a）電路為三相橋式整流帶電阻負(fù)載，波形為時(shí)電路輸出電壓，以及電阻電感性負(fù)載時(shí)整流電路輸出電流和變壓器二次側(cè)電流波形。圖4（b）電路為三相橋式整流帶電阻電感性負(fù)載，波形為時(shí)電路輸出電壓及晶閘管兩端電壓波形。由圖可見，是電壓波形連續(xù)到斷續(xù)的分界點(diǎn)，晶閘管兩端所承受的最大正反向電壓與三相半波整流電路一樣。同樣可寫出整流電路輸出電壓Ud、電流Id、晶閘管電流平均值IdVT、有效值IVT、變壓器副邊電流I2：

三相橋式整流帶電阻負(fù)載時(shí)：

，α≤60° （22）

， （23）

三相橋式整流帶電阻電感性負(fù)載時(shí)，輸出直流電壓Ud同式（22），直流電流Id、晶閘管電流平均值IdVT、有效值IVT同式（19）、（20）、（21）。

（24）

三相橋式整流電路除以上的全控型電路外，還有半控型電路，其分析方法與全控型電路類似，只是二極管的換向條件與晶閘管的換向條件不同。

3.多相整流電路

由于電力系統(tǒng)供電電源均為三相，實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中，為了要獲得更為平穩(wěn)的直流電壓，通常是通過變壓器移相之后獲得多相電源再進(jìn)行整流，所得到的直流電壓脈動(dòng)程度將大大減小，電壓更平穩(wěn)，其規(guī)律是整流電路的相數(shù)越多，輸出電壓越平穩(wěn)，直流電壓的最低脈動(dòng)頻率將越高。

三、電解電鍍及靜電除塵電源的構(gòu)成

電解電鍍需要的電源為低電壓大電流的直流電源，而靜電除塵需要的電源則與之相反，它需要高電壓小電流的直流電源。工業(yè)生產(chǎn)中，為了給有關(guān)設(shè)備提供直流電源，大都采用三相橋式整流電路實(shí)現(xiàn)，而對于像電解電鍍與靜電除塵這樣的電氣設(shè)備，采用三相橋式整流電路時(shí)，其效率、功率因數(shù)較低，設(shè)備的成本較高，為此需要采取不同的電路結(jié)構(gòu)以構(gòu)成實(shí)用電源。

1.電解電鍍電源

電解電鍍工藝中，兩電極之間將通過低電壓（50V以下）、大電流，電流范圍從幾百安到上萬安不等，因輸出電流要求較大，采用三相橋式整流電路時(shí)晶閘管都無法選擇，必須采用不同的電路結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。采用整流電路的并聯(lián)方式，可以解決這個(gè)問題。如圖5的雙反星形整流電路。

圖5中，變壓器副邊兩組三相半波整流電路通過平衡電抗器進(jìn)行并聯(lián)，兩組三相半波整流電路將平均分擔(dān)負(fù)載電流的一半，而從公式（20）式可知，該電路中每個(gè)晶閘管將承擔(dān)負(fù)載電流的1/6，峰值電流為負(fù)載電流的1/2，每個(gè)晶閘管均導(dǎo)通120°。電路輸出直流電壓，電壓的數(shù)值可以通過控制α來實(shí)現(xiàn)。實(shí)際上，雙反星形整流電路是通過變壓器的兩組副邊獲得彼此相差60°的六相交流電壓，其中彼此相差120°的三相交流電給一組三相半波整流電路供電，另外彼此相差120°的三相交流電給另一組三相半波整流電路供電，這兩組三相半波整流電路通過平衡電抗器并聯(lián)，給負(fù)載供電。同樣，通過變壓器繞組的星三角連接，也可以使變壓器副邊電壓移相，獲得彼此相差30°的十二相交流電壓，兩兩之間通過平衡電抗器并聯(lián)，可以獲得比雙反星形整流電路輸出電壓更為平穩(wěn)的直流電壓，其晶閘管將承擔(dān)負(fù)載電流的1/12，電路可以輸出的直流電流將更大。其實(shí)，三相橋式整流電路相當(dāng)于六相整流電路，通過變壓器的星三角連接，對電源電壓進(jìn)行30°移相，再通過兩組三相橋式全控整流電路整流，其輸出端通過平衡電抗器進(jìn)行并聯(lián)，同樣可以獲得12脈波整流電路。

值得注意的是，電路構(gòu)成過程中平衡電抗器的存在至關(guān)重要，如果取消平衡電抗器，雙反星形整流電路任何時(shí)刻總電流將由一個(gè)晶閘管承擔(dān)，盡管此時(shí)每個(gè)管子承擔(dān)的電流平均值仍為負(fù)載電流的1/6，但在這個(gè)管子工作過程中，其他管子全部關(guān)斷，晶閘管導(dǎo)通的電角度變小，只有60°，電流幅值是雙反星形整流電路時(shí)的2倍，故晶閘管要選擇額定參數(shù)大的元件，電路改進(jìn)的優(yōu)勢便已失去。此外，因?yàn)殡娐返妮敵鲭妷狠^小，在電路設(shè)計(jì)時(shí)，晶閘管導(dǎo)通的壓降、線路損耗均需要考慮在內(nèi)，以便為電解電鍍槽提供合適的直流電壓。

2.靜電除塵電源

靜電除塵需要電源提供高電壓小電流（電壓可達(dá)上萬伏，電流只有幾十毫安），以便在兩電極之間形成高壓電場。因電壓很高，器件承受的額定電壓有限，因此靜電除塵電源的電路結(jié)構(gòu)需要調(diào)整。前面所介紹的電鍍電源因?yàn)樾枰敵鲭娏鞔蠖捎貌⒙?lián)方式，則靜電除塵電源因?yàn)樾枰敵龅碾妷汉芨?，可以采取串?lián)的方式獲得，如圖6所示。

圖6中，三相交流電經(jīng)過變壓器的星三角連接，使變壓器副邊三相電壓移位30°，因?yàn)槿鄻蚴秸麟娐废喈?dāng)于彼此相差60°的六相半波整流，兩組三相橋錯(cuò)位30°工作，只要保證變壓器兩組副邊相電壓相等，串聯(lián)后，組合的電路相當(dāng)于12相脈波整流電路，整流電路輸出電壓的最低次脈動(dòng)頻率為12*50=600Hz，輸出直流電壓為兩組橋輸出直流電壓的2倍。

變壓器副邊設(shè)置多組繞組，讓每組的輸出給一組整流橋供電，彼此之間按圖6方式進(jìn)行串聯(lián)，就可以獲得靜電除塵所需要的高電壓小電流電源。變壓器副邊繞組的組數(shù)應(yīng)根據(jù)需要及變壓器鐵芯空間的可能來設(shè)置，比較科學(xué)的設(shè)置方法是組與組之間錯(cuò)位移相60°/n，n為變壓器副邊所設(shè)置的繞組組數(shù)。變壓器副邊移相30°，電路很好實(shí)現(xiàn)，值需要采用星三角連接方式便可實(shí)現(xiàn)，如要實(shí)現(xiàn)15°移相，僅憑星三角連接方式是無法實(shí)現(xiàn)的，需要采用曲折連接方可實(shí)現(xiàn)。因此，變壓器副邊所設(shè)置的繞組組數(shù)很有限，最多也不會(huì)超過4。

圖6中，采用錯(cuò)位30°移相供電，各組橋穩(wěn)定工作，輸出一定電流，它們經(jīng)過繞組移相，變壓器原邊繞組電流將是階梯波電流，一次電流中所含諧波大大減小，對電力系統(tǒng)的工作十分有利，可以大大減小進(jìn)網(wǎng)濾波電抗器的體積。

四、結(jié)語

通過結(jié)合電解電鍍與靜電除塵工藝生產(chǎn)過程，了解實(shí)際生產(chǎn)過程對直流電源的需要，探索整流電路的工作原理、波形分析，使學(xué)生依據(jù)實(shí)際生產(chǎn)對象全面了解整流技術(shù)的原理與應(yīng)用，建立實(shí)際裝備的整體概念，形成整流技術(shù)應(yīng)用背景的感性認(rèn)識(shí)，提升學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣與積極性。這種教學(xué)活動(dòng)已經(jīng)采取多年，學(xué)生對該教學(xué)方法十分感興趣，從教學(xué)過程中可以獲得相關(guān)專業(yè)知識(shí)，也比較容易建立起對整流電路工作原理的清晰印象，是一種很好的案例教學(xué)法。

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（責(zé)任編輯：孫晴）