[科普中国]-脉动直流电流

随着电力电子技术的发展，电力线路中变频器、逆变换器、UPS等设备故障时， 产生的剩余电流不再只是工频正弦波形，而是脉动直流波形信号。脉动直流剩余电流包括正弦交流、正弦半波（半波）、90°触发角正弦（90°波）和135°触发角正弦（135°波）等四种典型的接地故障电流波形。 脉动直流电流会使传统的针对工频正弦交流设计的剩余电流保护器拒动作或者误动作。

产生过程交流电通过具有单向导电性的整流管整流后，输出的直流电与理想的直流电波形不一样。以三相桥式整流电路示意图为例，三相桥式整流电路直流输出的电压波形，它的输出电压方向不变，但大小有变化。把这种方向不变，大小在变化的直流电压称作为脉动直流。一切通过整流器输出的直流电都是脉动直流。

脉动直流可简单地描述为一个恒稳的直流电压与一个交流电压的叠加处理。

调节方法高频开关电源输出的脉动直流的含义与可控硅整流电源输出的脉动直流的含义基本一样，都符合对脉动直流的描述。但两者又有原则上的差异。由于高频开关电源采用PWM脉宽调制技术，对输出电压的调制与可控硅整流电源调制方法不一样。可控硅整流电源通过调节可控硅移相角的方式来调节输出电压，；而高频开关电源采用调节脉宽(ton)来调节输出电压。

可控硅整流电源通过调节移相角使脉动直流输出电压的平均值与幅值都会改变。而高频电源通过调节脉宽来调节输出电压的平均值，但是不能改变它的脉冲幅值。这是两种电源输出脉动直流的重要差异。因此如何来描述高频输出脉动直流的纹波系数，值得探讨。

谐波与纹波系数任何整流器在整流过程中，由于波形的畸变都会在电网侧产生谐波，而谐波会造成严重的电网污染。

1)谐波会严重降低电源的效率；

2)较强的谐波会造成浪涌电压或浪涌电流导致烧毁用电设备；

3)谐波会干扰数字电路的逻辑关系；

4)谐波会带来噪音干扰，使通讯影像设备系统不能正常工作。

不论采用何种整流形式，可控硅全导通时只要输出频率(相数)相同，它的电压纹波系数也相同。其条件是输出电压为基波脉动频率，而实际上在此交流成分中尚具有其他的谐波电压甚至还具有少量的13次以上的高次谐波。尤其是5、7、9等奇次谐波对纹波系数的影响最大。因此实际纹波系数远大于理论值。

纹波电压的抑制方法：尽可能采用多相整流电路，加大滤波电路中电容容量，或采用效果更好的LC滤波电路。抑制了纹波电压即能有效降低脉动直流的交流成分，也就降低了脉动直流的纹波系数。科学地选择滤波器的电抗器的电感量L及电解电容的电容量C，它能有效滤除相关的谐波分量从而降低纹波系数。但在此过程中必须考虑滤波器的成本，以及电解电容器的安全性与使用寿命。1

应用电镀在电镀生产过程中，需要用到各种电源设备，如可控硅整流器、硅整流器和高频开关电源等设备。电镀行业中的某些镀种对整流器输出的脉动直流要求其交流成分越小越好，即纹波系数尽可能小。在电镀工艺中为了保障镀层的光亮度、硬度和覆盖能力，整流器输出的脉动直流的纹波系数要求尽可能小。为了达到此目的，除选择六相整流电路外还应在输出电路中加接LC滤波电路。

手摇发电机脉动直流手摇发电机发出脉动直流电的真正原因，最主要的原因是由于发电机本身线圈的自感以及并联小灯泡的共同作用，导致电流表中的电流具有准常数项，这样与交流项叠加的结果就是一个脉动直流电。解决这一问题的最简单方案就是直接把并联的小灯泡拿掉，当然也可以考虑在电流表支路里串联一个电容器，这样可以过滤掉直流电．实验结果证明这一改进方法是可行的。

脉动直流电流不仅可以用来解释手摇发电机演示实验中的奇异现象，在实际生活中也有一定的应用价值。因为实际生活中的电路和手摇发电机电路很相似，也存在既有电阻又有电感的并联电路。由于发电机本身线圈的自感作用，会导致电动机等一些具有自感系数的“感性电路”中混入“准直流”项，这样一来，不仅会损耗大量的电能，产生许多不必要的热量，缩短电动机的使用寿命，而且也会大大降低电动机的工作效率，还会使交流电发生严重的畸变，影响很多电器的使用。因此在这些“感性电路”中串联一个适当的电容器，就能基本消除这种混入交流中的“直流电”，提高电动机的工作效率。这一结论和电工学中的结论有点相似但不完全相同，在电工学中，通过在感性电路两端并联一个适当的电容器可以提高负载的功率因素以减少无功功率的消耗，而采用串联电容器的方式可以减少不必要的热损耗。2

本词条内容贡献者为:

张磊 - 副教授 - 西南大学