原创 三相半波可控整流电路

　 1. 电阻负载

   (1) 工作原理

     三相半波可控整流电路如图1 a) 所示。为得到零线，变压器二次侧必须接成星形，而一次侧接成三角形，避免3次谐波电流流人电网。三个晶闸管分别接入a、b、c三相电源，它们的阴极连接在一起，称为共阴极接法，这种接法触发电路有公共端，连线方便。

     假设将电路中的晶闸管换作二极管，并用VD表示，该电路就成为三相半波不可控整流电路，以下首先分析其工作情况。此时，三个二极管对应的相电压中哪一个的值最大，则该相所对应的
二极管导通，并使另两相的二极管承受反压关断，输出整流电压即为该相的相电压，波形如图1 d) 所示。在一个周期中，器件工作情况如下：在ωt1～ωt2期间，α 相电压最高，VD1导通，ud= ua；在ωt2～ωt3期间，b 相电压最高，VD2导通，ud= ub；在ωt3～ωt4期间，c 相电压最高，VD3导通，ud= uc。此后，在下一周期相当于ωt1的位置即ωt4时刻，VD1又导通，重复前一周期的工作情况。如此，一周期中VD1、VD2、VD3轮流导通，每管各导通120^o。ud波形为三个相电压在正半周期的包络线。

       在相电压的交点ωt1、ωt2、ωt3处，均出现了二极管换相，即电流由一个二极管向另一个二极管转移，称这些交点为自然换相点。对三相半波可控整流电路而言，自然换相点是各相晶闸管能触发导通的最早时刻，将其作为计算各晶闸管触发角 α 的起点，即α=0^o，要改变触发角只能是在此基础上增大，即沿时间坐标轴向右移。若在自然换相点处触发相应的晶闸管导通，则电路的工作情况与以上分析的二极管整流工作情况一样。由单相可控整流电路可知，各种单相可控整流电路的自然换相点是变压器二次电压u2的过零点。

     当α = 0^o时，变压器二次侧 a 相绕组和晶闸管VT1的电流波形如图1 e) 所示，另两相电流波形形状相同，相位依次滞后120^o，可见变压器二次绕组电流有直流分量。

       图1 f) 是VT1两端的电压波形，由3段组成：第1段, VT1导通期间，为一管压降，可近似为uVT1=0；第2段，在VT1关断后,，VT2导通期间，uVT1= ua－ub = uab ,为一段线电压；第3段，在VT3 导通期间，uVT1= ua－uc = uac为另一段线电压。即晶闸管电压由一段管压降和两段线电压组成。由图可见，α = 0^o时，晶闸管承受的两段线电压均为负值，随着 α 增大，晶闸管承受的电压中正的部分逐渐增多。其他两管上的电压波形形状相同，相位依次差120^o。

       增大 α 值，将脉冲后移，整流电路的工作情况相应地发生变化。

    图2 是α=30^o时的波形。从输出电压、电流的波形可看出，这时负载电流处于连续和断续的临界状态，各相仍导电120^o。

     如果α >30^o，例如α =60^o时，整流电压的波形如图3 所示，当导通一相的相电压过零变负时，该相晶闸管关断。此时下一相晶闸管虽承受正电压，但它的触发脉冲还未到，不会导通，因此输出电压电流均为零，直到触发脉冲出现为止。这种情况下，负载电流断续，各晶闸管导通角为90^o，小于120^o

       若α角继续增大，整流电压将越来越小，α＝150^o时，整流输出电压为零。故电阻负载时 α 角的移相范围为150^o。

       (2) 负载电压

     整流电压平均值的计算分两种情况：

       1)  α≤30^o时，负载电流连续，有


当 α = 0 时，Ud 最大，为 Ud= Ud0＝1.17U2.

       2)  α >30^o 时,负载电流断续，晶闸管导通角减小，此时有

Ud／U2 随 α 变化的规律如图4中的曲线1所示。

       负载电流平均值为

    

       晶闸管承受的最大反向电压，由图1 e) 不难看出为变压器二次线电压峰值，即

    由于晶闸管阴极与零线间的电压即为整流输出电压 ud,其最小值为零,而晶闸管阳极与阴极间的最大正向电压等于变压器二次相电压的峰值,即

2. 阻感负载     如果负载为阻感负载，且L值很大，则如图5所示，整流电流id的波形基本是平直的，流过晶闸管的电流接近矩形彼。    α≤30o 时，整流电压波形与电阻负载时相同，因为两种负载情况下，负载电流均连续。      α>30 o时，例如 α=60o 时的波形如图5所示。当 u2 过零时,由于电感的存在，阻止电流下降，因而VT1 继续导通，直到下一相晶闸管 VT2 的触发脉冲到来，才发生换流，由 VT2 导通向负载供电，同时向 VT1 施加反压使其关断。这种情况下 ud 波形中出现负的部分,若 α 增大，ud 波形中负的部分将增多,至 α =90o时, ud波形中正负面积相等, ud的平均值为零。可见阻感负载时α 的移相范围为90o.      由于负载电流连续，可求出Ud，即          Ud / U2 成余弦关系，如图4中的曲线2所示。如果负载中的电感量不是很大，则当 α>30o 后,与电感量足够大的情况相比较, ud 中负的部分将会减少，整流电压平均值Ud 略为增加, Ud / U2 与 α 的关系将介于图4中的曲线1和2之间，曲线3给出了这种的一个例子。        变压器二次电流即晶闸管电流的有效值为           由此可求出晶闸管的额定电流为             晶闸管两端电压波形如图5所示，由于负载电流连续，因此晶闸管最大正反向电压峰值均为变压器二次线电压峰值，即      UFM＝URM＝2.45 U2        图5中所给 id 波形有一定的脉动，与分析单相整流电路阻感负载时的 id 波形有所不同。这是电路工作的实际情况，因为负载中电感量不可能也不必非常大，往往只要能保证负载电流连续即可，这样 id 实际上是有波动的，不是完全平直的水平线。通常，为简化分析及定量计算，可以将 id 近似为一条水平线，这样的近似对分析和计算的准确性并不产生很大影响。      三相半波可控整流电路的主要缺点在于其变压器二次电流中含有直流分量，为此其应用较少。     　 　　 　3. 变压器漏感对整流电路的影响     在前面分析整流电路时，均未考虑包括变压器漏感在内的交流侧电感的影响，认为换相是瞬时完成的。但实际上变压器绕组总有漏感，该漏感可用一个集中的电感LB表示，并将其折算到变压器二次侧。由于电感对电流的变化起阻碍作用，电感电流不能突变，因此换相过程不能瞬间完成，而是会持续一段时间。     下面分析三相半波考虑变压器漏感时的换相过程以及有关参量的计算。     图1为考虑变压器漏感时的三相半波可控整流电路带电感负载的电路图及波形。假设负载中电感很大，负载电流为水平线。      该电路在交流电源的一周期内有3次晶闸管换相过程，因各次换相情况一样，这里只分析从VT1换相到VT2的过程。在ωt1 时刻之前VT1导通，ωt1 时刻触发 VT2， VT2 导通，此时因?a、b?两相均有漏感，故 ia、 ib均不能突变，于是 VT1 和 VT2 同时导通，这相当于将 a、b 两相短路，两相间电压差为 ub －ua?，它在两相组成的回路中产生环流 i k 如图所示。由于回路中含有两个漏感，故有2LB(dik/dt)=ub-ua。这时， ib = ik? 是逐渐增大的，而ia=Id—ik 是逐渐减少的。当ik增大到等于Id时，ia=0， VT1关断，换相过程结束。换相过程持续的时间用电角度 γ 表示，称为换相重叠角。      在上述换相过程中，整流输出电压瞬时值为             由此式知，在换相过程中，整流电压ud为同时导通的两个晶闸管所对应的两个相电压的平均值，由此可得ud波形如图1所示。与不考虑变压器漏感时相比，每次换相ud波形均少了阴影标出的一块，导致ud平均值降低，降低的多少用△ud 表示，称为换相压降。                    式中XB=ωLB。XB是漏感为LB的变压器每相折算到二次侧的漏电抗。         我们还关心换相重叠角Y的计算，这可从下式开始          由上式得         进而得出         当ωt=5π/6+α+γ时,iK=Id,于是                 由此式即可计算出换相重叠角γ.对上式进行分析得出γ随其他参数变化的规律：         1) Id越大则γ越大。         2) XB越大则γ越大。         3) α≤90o时, α越小则γ越大。      对于其它整流电路,可用同样的方法进行分析,本处不再一一叙述,但将结果列于表2中,以方便读者使用.表中所列m脉波整流电路的公式为通用公式,可适用于各种整流电路,对于表中未列出的电路,可用该公式导出。            表2     各种整流电路换相压降和换相重叠角的计算                 根据以上分析及结果,再经进一步分析可得出以下变压器漏感对整流电路影响的一些结论:     1) 出现换相重叠角γ,整流输出电压平均值Ud降低。      2) 整流电路的工作状态增多,例如三相桥的工作状态由6种增加至12种VT1、VT2)→(VT1、VT2 、VT3) →(VT2 、VT3) →(VT2、VT3、VT4) →(VT2、VT3、VT4) → (VT3、VT4、VT5) →(VT4、VT5) →(VT4、VT5、VT6) →(VT5、VT6) →(VT5、VT6、VT1) →(VT6、VT1) →(VT6、VT1、VT2) →….。      3) 晶体管的di/dt减小,有利于晶闸管的安全开通.有时人为串入进线电抗器以抑制晶闸管的di/dt。      4) 换相时晶闸管电压出现缺口,产生正的du/dt,可能使晶闸管误导通,为此必须加吸收电路。      5) 换相使电网电压出现缺口,成为干扰源。