相控式交流对直流电能转换器-电力电子应用研究室.DOC

2.2相控式交流對直流電能轉換器 實驗目的 自工業革命以來，人類逐漸發掘、利用地球資源，由早期的煤、石油到太陽能和核能，我們以發現人類對其能源原料之汙染性越趨嚴格，所以（電能）便是最佳的選擇；電能大家皆知它無聲無形，使用更無類似化石燃料產生CO. CO2. SO2等有毒物質，然而資源有限，因而效率是我們在開發利用能源時更需重視的問題。 電能可以由電廠經由高壓傳輸線、變電所和配電線路送達用戶，但此種供電方式美中不足是機動性差，而電池剛好提供了其便利性。電池在可預見的未來中將會大量的被使用 例如：手提電腦中的電池、行動電話再擴充到電動汽車或者核子動力潛艦中的電池，然而電池的利用效率問題取決於充電率和充放時間電池壽命和電池保養等等……。 我們就不斷電系統UPS來說，由整流器（Converter）、偵測器、電池組、反流器（Inverter）組成一套簡易的不斷電系統，而UPS中的每項元件均很重要。為了得到穩定輸出，反流器的設計是相當重要！然而那只是在停電時動作，使用的時間並長久。另一部份的整流器及電池組之品質就相對的重要許多！若整流器部份不佳，電池組的壽命就對縮短；所以為了電源動作能正常安全、降低設備維修之經費，整流器的重要性也無形提高很多。 因此本實驗的目的在瞭解到一般整流器和可控式整流器的差異，及瞭解可控式整流器的動作方式和原理。 在一般的二極體整流器電路中僅能提供不可控的輸出電壓，為了得到可以控制的輸出電壓，我們以相位控制閘流體來取代二極體，而閘流體整流器的輸出電壓，則可以借控制閘流體的觸發角而加以改變。 此種相位控制構簡單並且價格便宜，同時其效率一般均高於95%以上，由於此重整流器是將交流轉換成可控直流輸出，故在工業上之應用極為廣泛。特別是變速驅動系統，其功率範圍可由數馬力至數百萬瓦不等。 相關知識 相位控制轉換器（phase converter）為線性換向（line comnuctated）ac-dc轉換器，其輸出為可變直流電壓，其大小隨著控制相角，亦即控制整流元件之閘極信號，而控制整流器之導通時間。 如果轉換器中主動元件（active devices）均為二極體，則此種轉換器稱不可控制之整流器（rectifer），其輸出直流電壓大小隨市電電壓而變，如下圖 如果二極體半數以閘流體取代，變成半控轉換器（half controlled or semiconverter）,半控制轉換器之輸出直流電壓大小隨閘流體之角控制而變，由於此類轉換器之直流電壓極性和電流方向不能改變，故又稱為單向轉換器（one quadrant）, 如下圖 關於相位控制的觀念和技術，以圖1所示之電路來說明，在交流電源的負半週，閘流體停止負載電流流通，同時負載電壓為零。 在交流電源的正半週，閘流體順向偏壓，如將閘流體予以激發，則閘流體會導通，假設閘流體在時間t1時導通，負載電流流通，且負載電壓等於電源電壓減去元件壓降（此壓降約為1伏特）。在純電阻性負載，當時間t2時閘流體變為逆向偏壓，負載電流亦隨之停止，負載電壓等於零。直到t4時，閘流體再度變為順向偏壓，同時經由閘極發導通，其中直流電壓之平均值（mean dc voltage）經由激發延遲角度α予與控制。 在電感性負載如圖1所示，如果閘流體在t1時間導通則負載電流流通，且負載電壓等於電源電壓減掉元件的壓降，然而在t2時，閘流體逆向偏壓，負載所儲存的磁能送回電源，且在元件維持順向電流（此電流漸漸衰減），當時間t3時，順向電流衰減為零，同時元件截止，在t3和t5之間，負載電流等於零，則負載電壓亦等於零。 單向全控整流器則如圖2（a）所示，為一電感性負載之單向全控整流器，在輸入電壓正半週中，閘流體T1及T2同為順向偏壓，而當這兩個閘流體於wt=時輸入電壓已a同時被觸發後，負載經由T1及T2與輸入電源相連接，由於負載具電感性在WT=π之後，雖然此經轉變為負值，但閘流體T1及T2將持續導通。 在輸入電壓負半週中，閘流體T3及T4同為順向偏壓，此時觸發閘流體T3及T4將使電源電壓跨於閘流體T1及T2如同一逆向阻斷電壓，T1及T2因自然換流而截止，而負載電流則由T1及T2轉移至T3及T4。 圖2（b）所示為此轉換器之工作區或，而圖2（c）則為輸入電壓、輸出電壓與輸入及出電流。 在許多應用中僅需將功率由電源傳送到直流負載，因此工作於整流模式，此一要求可經由下列方式予以滿足，將橋式轉換器各支路閘流體的一半予以二極體取代，如圖3所示，此種轉換器稱為半控式橋式轉換器（half controlled bridge converter），此種轉換器減少元件成本，同時亦達到簡化激發控制電路。