三相整流

三相整流是通過(guò)使用固態(tài)二極管或晶閘管將平衡的三相電源轉換為固定直流電源的過(guò)程。

在之前的教程中，我們看到將交流輸入電源轉換為固定直流電源的過(guò)程稱(chēng)為整流，而用于執行此整流過(guò)程的最常見(jiàn)電路是基于固態(tài)半導體二極管的電路。

事實(shí)上，交流電壓的整流是二極管最流行的應用之一，因為二極管價(jià)格低廉、體積小且堅固耐用，使我們能夠使用單獨連接的二極管或單個(gè)集成橋式整流器模塊創(chuàng )建多種類(lèi)型的整流電路。

家庭和辦公室中的單相電源通常為120 Vrms或240 Vrms相電壓（也稱(chēng)為線(xiàn)電壓（L-N）），并且名義上具有固定的電壓和頻率，產(chǎn)生正弦波形的交流電壓或電流，縮寫(xiě)為“AC”。

三相整流，也稱(chēng)為多相整流電路，與之前的單相整流器類(lèi)似，不同之處在于我們使用三個(gè)單相電源連接在一起，這些電源由一個(gè)三相發(fā)電機產(chǎn)生。

這里的優(yōu)勢在于，三相整流電路可以用于許多工業(yè)應用，例如電機控制或電池充電，這些應用需要比單相整流電路更高的功率要求。

三相電源通過(guò)將三個(gè)頻率和幅度相同的交流電壓組合在一起，進(jìn)一步擴展了這一概念，每個(gè)交流電壓稱(chēng)為一個(gè)“相”。這三個(gè)相位彼此相差120電角度，產(chǎn)生一個(gè)相位序列或相位旋轉：360° ÷ 3 = 120°，如圖所示。

三相波形

三相電壓波形

這里的優(yōu)勢在于，三相交流（AC）電源可以直接用于為平衡負載和整流器提供電力。由于三相電源具有固定的電壓和頻率，整流電路可以使用它來(lái)產(chǎn)生固定電壓的直流電源，然后可以對其進(jìn)行濾波，從而產(chǎn)生與單相整流電路相比紋波更小的輸出直流電壓。

三相整流

既然我們已經(jīng)看到三相電源只是三個(gè)單相電源的組合，我們可以利用這種多相特性來(lái)創(chuàng )建三相整流電路。

與單相整流一樣，三相整流使用二極管、晶閘管、晶體管或轉換器來(lái)創(chuàng )建半波、全波、不可控和全控整流電路，將給定的三相電源轉換為恒定的直流輸出電平。在大多數應用中，三相整流器直接由主電源電網(wǎng)供電，或者如果連接的負載需要不同的直流輸出電平，則由三相變壓器供電。

與之前的單相整流器一樣，最基本的三相整流電路是使用三個(gè)半導體二極管的不可控半波整流電路，每個(gè)相位一個(gè)二極管，如圖所示。

半波三相整流

半波三相整流

那么這個(gè)三相半波整流電路是如何工作的呢？每個(gè)二極管的陽(yáng)極連接到電源的一個(gè)相位，所有三個(gè)二極管的陰極連接在一起到同一個(gè)正極，有效地創(chuàng )建了一個(gè)二極管“或”型排列。這個(gè)共同點(diǎn)成為負載的正極（+）端子，而負載的負極（-）端子連接到電源的中性線(xiàn)（N）。

假設相位旋轉為紅-黃-藍（VA – VB – VC），并且紅相（VA）從0°開(kāi)始。第一個(gè)導通的二極管將是二極管1（D1），因為它的陽(yáng)極電壓比二極管D2或D3更正。因此，二極管D1在VA的正半周期導通，而D2和D3處于反向偏置狀態(tài)。中性線(xiàn)為負載電流提供返回電源的路徑。

120電角度后，二極管2（D2）開(kāi)始導通VB（黃相）的正半周期?，F在它的陽(yáng)極比二極管D1和D3更正，兩者都“關(guān)閉”，因為它們處于反向偏置狀態(tài)。同樣，120°后VC（藍相）開(kāi)始增加，導通二極管3（D3），因為它的陽(yáng)極變得更正，從而關(guān)閉二極管D1和D2。

然后我們可以看到，對于三相整流，無(wú)論哪個(gè)二極管的陽(yáng)極電壓比其他兩個(gè)二極管更正，它都會(huì )自動(dòng)開(kāi)始導通，從而給出導通模式：D1 D2 D3，如圖所示。

半波三相整流器導通波形

半波三相整流器導通波形

從上述電阻負載的波形中，我們可以看到，對于半波整流器，每個(gè)二極管在每個(gè)周期的三分之一時(shí)間內導通，輸出波形是交流電源輸入頻率的三倍。因此，在一個(gè)給定的周期中有三個(gè)電壓峰值，因此通過(guò)將相數從單相增加到三相電源，電源的整流得到改善，即輸出直流電壓更平滑。

對于三相半波整流器，電源電壓VA VB和VC是平衡的，但相位差為120°，給出：

因此，三相半波整流器輸出電壓波形的平均直流值為：

平均直流整流電壓

由于電源電壓峰值電壓VP等于VRMS*1.414，因此VRMS等于VP/1.414，或0.707*VP，因為1/1.414 = 0.707。然后，整流器的平均直流輸出電壓可以用其均方根（RMS）相電壓表示如下：

半波三相整流器RMS電壓

三相整流示例1

使用三個(gè)單獨的二極管和一個(gè)120VAC三相星形連接變壓器構建一個(gè)半波三相整流器。如果需要為阻抗為50Ω的負載供電，計算：a）負載的平均直流電壓輸出。b）負載電流，c）每個(gè)二極管的平均電流。假設二極管為理想特性。

a). 平均直流負載電壓：

請注意，如果我們給定峰值電壓（Vp）值，則：

b). 直流負載電流：

c). 每個(gè)二極管的平均電流：

三相半波整流的一個(gè)缺點(diǎn)是它需要四線(xiàn)電源，即三相加中性線(xiàn)（N）連接。此外，平均直流輸出電壓較低，值為0.827*VP，正如我們所看到的。

這是因為輸出紋波含量是輸入頻率的三倍。但我們可以通過(guò)在基本整流電路中增加三個(gè)二極管來(lái)改善這些缺點(diǎn)，從而創(chuàng )建一個(gè)三相全波不可控橋式整流器。

全波三相整流

全波三相不可控橋式整流電路使用六個(gè)二極管，每相兩個(gè)，類(lèi)似于單相橋式整流器。三相全波整流器通過(guò)使用兩個(gè)半波整流電路獲得。這里的優(yōu)勢在于，該電路產(chǎn)生的紋波輸出比之前的三相半波整流器更低，因為它的頻率是輸入交流波形的六倍。

此外，全波整流器可以由平衡的三相三線(xiàn)三角形連接電源供電，因為不需要第四根中性線(xiàn)（N）?？紤]下面的全波三相整流電路。

全波三相整流

全波三相整流

如前所述，假設相位旋轉為紅-黃-藍（VA – VB – VC），并且紅相（VA）從0°開(kāi)始。每個(gè)相位連接在一對二極管之間，如圖所示。導通對中的一個(gè)二極管為負載的正極（+）側供電，而另一個(gè)二極管為負載的負極（-）側供電。

二極管D1 D3 D2和D4在相位A和B之間形成一個(gè)橋式整流網(wǎng)絡(luò )，類(lèi)似地，二極管D3 D5 D4和D6在相位B和C之間，D5 D1 D6和D2在相位C和A之間。

二極管D1 D3和D5為正極供電。陽(yáng)極電壓更正的二極管導通。同樣，二極管D2 D4和D6為負極供電，陰極電壓更負的二極管導通。

然后我們可以看到，對于三相不可控整流，二極管以匹配對的形式導通，每個(gè)導通路徑通過(guò)兩個(gè)串聯(lián)的二極管。因此，總共需要六個(gè)整流二極管，電路每60°換向一次，或每個(gè)周期六次。

如果我們在30°開(kāi)始導通模式，這將為我們提供負載電流的導通模式：D1-4 D1-6 D3-6 D3-2 D5-2 D5-4，然后再次返回到D1-4和D1-6，用于下一個(gè)相位序列，如圖所示。

全波三相整流器導通波形

全波三相整流器導通波形

在三相電源整流器中，導通始終發(fā)生在最正的二極管和相應的最負的二極管中。因此，隨著(zhù)三相在整流器端子之間旋轉，導通從一個(gè)二極管傳遞到另一個(gè)二極管

然后，每個(gè)二極管在每個(gè)電源周期中導通120°（三分之一），但由于需要兩個(gè)二極管成對導通，每對二極管在任何時(shí)候只導通60°（六分之一）的周期，如上所示。

因此，我們可以正確地說(shuō)，對于由“3”個(gè)變壓器次級供電的三相整流器，每個(gè)相位將相隔360°/3，因此需要2*3個(gè)二極管。

還請注意，與之前的半波整流器不同，整流器的輸入和輸出端子之間沒(méi)有公共連接。因此，它可以由星形連接或三角形連接的變壓器電源供電。

因此，三相全波整流器輸出電壓波形的平均直流值為：

平均直流負載電壓

其中：VS等于（VL(PEAK) ÷ √3），其中VL(PEAK)是最大線(xiàn)電壓（VL*1.414）。

三相整流示例2

需要一個(gè)三相全波橋式整流器為150Ω電阻負載供電，電源為三相127伏，60Hz三角形連接電源。忽略二極管上的電壓降，計算：1. 整流器的直流輸出電壓和2. 負載電流。

1. 直流輸出電壓：

RMS（均方根）線(xiàn)電壓為127伏。因此，線(xiàn)電壓峰值（VL-L(PEAK)）將為：

三相整流器峰值電壓

由于電源為三相，任何相的相電壓（VP-N）將為：

三相整流相電壓

請注意，這基本上與以下說(shuō)法相同：

平均輸出電壓

因此，三相全波整流器的平均直流輸出電壓為：

三相整流器直流輸出電壓

再次，我們可以通過(guò)正確地說(shuō)，對于給定的線(xiàn)電壓RMS值，在我們的示例中為127伏，平均直流輸出電壓為：

不可控整流器輸出電壓

2. 整流器的負載電流。

整流器的輸出為150Ω電阻負載供電。然后使用歐姆定律，負載電流將為：

整流器負載電流

不可控三相整流使用二極管提供相對于輸入交流電壓值的固定值的平均輸出電壓。但要改變整流器的輸出電壓，我們需要用晶閘管替換不可控二極管，部分或全部替換，以創(chuàng )建所謂的半控或全控橋式整流器。

晶閘管是三端半導體器件，當在其陽(yáng)極到陰極端子電壓為正時(shí)，向晶閘管的柵極端子施加合適的觸發(fā)脈沖時(shí)，器件將導通并通過(guò)負載電流。

因此，通過(guò)延遲觸發(fā)脈沖的定時(shí)（觸發(fā)角），我們可以延遲晶閘管自然“開(kāi)啟”的時(shí)刻，如果它是一個(gè)普通二極管，并且在施加觸發(fā)脈沖時(shí)開(kāi)始導通的時(shí)刻。

因此，使用晶閘管代替二極管的三相可控整流，我們可以通過(guò)控制晶閘管對的觸發(fā)角來(lái)控制平均直流輸出電壓的值，因此整流輸出電壓成為觸發(fā)角α的函數。

因此，與上述用于三相橋式整流器平均輸出電壓的公式的唯一區別在于觸發(fā)脈沖的余弦角cos(α)。因此，如果觸發(fā)角為零（cos(0) = 1），則可控整流器的性能類(lèi)似于之前的三相不可控二極管整流器，平均輸出電壓相同。

下面給出一個(gè)全控三相橋式整流器的示例：

全控三相橋式整流器

全控三相橋式整流器

三相整流總結

在本教程中，我們已經(jīng)看到，三相整流是將三相交流電源轉換為脈動(dòng)直流電壓的過(guò)程，因為整流將正弦電壓和頻率的輸入電源轉換為固定電壓的直流電源。因此，電源整流將交流電源轉換為單向電源。

但我們也看到，三相半波不可控整流器，每相使用一個(gè)二極管，需要星形連接電源作為第四根中性線(xiàn)（N）以閉合從負載到源的電路。三相全波橋式整流器每相使用兩個(gè)二極管，僅需要三根主電源線(xiàn)，無(wú)需中性線(xiàn)，例如由三角形連接電源提供的電源。

全波橋式整流器的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是負載電流在橋中平衡良好，提高了效率（輸出直流功率與輸入功率之比），并減少了紋波含量，無(wú)論是幅度還是頻率，與半波配置相比。

通過(guò)增加橋配置中的相數和二極管數量，可以獲得更高的平均直流輸出電壓和更小的紋波幅度，例如，在六相整流中，每個(gè)二極管僅導通一個(gè)周期的六分之一。

此外，多相整流器產(chǎn)生更高的紋波頻率意味著(zhù)更少的電容濾波和更平滑的輸出電壓。因此，可以設計6、12、15甚至24相不可控整流器，以改善各種應用的紋波系數。