三相半波相控整流器的优化设计

三相半波相控整流器的整流电路称为三相半波晶闸管相控整流电路，如图3-19a所示。通常整流变压器一次侧接成三角形，使其三次谐波能够通过，并消除3n次谐波的影响。而整流变压器二次侧为了得到中性线，必须接成星形，每相上串一个晶闸管，三相晶闸管的阴极连在一起经负载与变压器中性点相接，这种接法叫共阴极接法。这种线路对触发电路公共线安排比较方便，所以得到了广泛应用。

1.电阻性负载

图3-19b是相电压波形，在ωt₁～ωt₂期间，a相电压比b、c相都高，如果在ωt₁时刻触发晶闸管VT₁，则VT₁受正压导通，负载上得到a相电压。在ωt₂～ωt₃期间，b相电压最高，在ωt₂时刻触发VT₂可使之导通，此时VT₁因受反压而关断，负载上得到b相电压。在ωt₃时刻触发VT₃，VT₃受正压导通，同时使VT₂关断，负载上得到c相电压。到ωt₄时刻又触发VT₁……各晶闸管按同样的规律依次导通并关断前面一个已导通的晶闸管，如图3-19c所示。输出的整流电压是一个脉动的直流电压，如图3-19d中的u_d。它是三相交流电压正半周的包络线。在一个周期内整流电压有三次脉动，因此脉动的最低频率为3×50Hz=150Hz。如果在整个周期晶闸管都有触发脉冲，那么根据晶闸管受正压加触发即导通的特性，每到相电压的交点处ωt₁、ωt₂、ωt₃、…就会出现受正压的晶闸管导通而前一个晶闸管自然被关断的现象。从负载R_d来看，整流电路由某一相供电改为由另一相供电，故称换相。由于在这些点的换相是自然进行的，所以称这些点为自然换相点或自然换相点，把它作为计算触发延迟角α的起点。需要注意的是，三相半波晶闸管相控整流电路的自然换相点与单相电路不同，它不是在正弦电压的坐标零点，在画波形图时必须加以区分。

由于3个晶闸管的自然换相点互差120°，所以施加触发脉冲也必须互差120°，脉冲顺序与电源相序相同，即按VT₁→VT₂→VT₃→VT₁安排。

图3-19e是变压器二次绕组和晶闸管中的电流波形，各组电流波形相同，只是相差120°的相位。可以看出变压器二次绕组中通过的是直流脉动电流，其平均值为I_d。

图3-19f所示为a相晶闸管VT₁承受的电压波形，它可以分为三部分：

1）ωt₁～ωt₂期间，VT₁导通，u_T1=0，波形与横轴重合。

2）ωt₂～ωt₃期间，VT₂导通，VT₁承受的电压是a相和b相的电位差，即线电压u_ab（u_ab=u_a-u_b）。

图3-19 三相半波共阴极晶闸管相控整流电路，电阻性负载、α=0°时的电压、电流波形

3）ωt₃～ωt₄期间，VT₃导通，VT₁承受的电压是a相和c相的电位差，即线电压u_ac（u_ac=u_a-u_c）。

其他两个晶闸管上的电压波形与此相同，只是相位依次相差120°。

在电流连续情况下，晶闸管上的电压波形总是由这三部分组成的。当α变化时，它也有规律地变化，当α=0°时，管子仅承受反向电压而不承受正向电压，随着α的增加，管子承受正向电压增加。

当触发脉冲后移到α=30°时，整流电压u_d、电流i_d、晶闸管电流i_T1及晶闸管两端电压u_T1波形如图3-20所示。

当触发脉冲后移时，各相晶闸管导通时刻也相应后移，由于三相半波相控整流电路的触发延迟角α是从自然换相点算起的，当α=0°时，输出电压U_d最大，当α增大时，输出整流电压U_d相应减小。当α=150°时，输出整流电压U_d减小到零。

在图3-20中，假设电路已进入稳态工作状态。在ωt₀之前，c相晶闸管VT₃导通，当经过自然换相点ωt₀时，由于a相VT₁还没有触发脉冲，因此VT₁不能导通，VT₃仍承受正向电压继续导通。直到ωt₁（α=30°）时，VT₁被触发导通，VT₃受反压关断，负载电流由c相VT₃换到a相VT₁，以后每到脉冲来到时刻换相，各相依次轮流导通。

在α=30°时，整流电压u_d、电流i_d的波形处于连续与断续的临界状态，当α＞30°时，u_d、i_d都将出现间断。

图3-20 三相半波共阴极晶闸管相控整流电路，电阻性负载，α=30°时的波形

图3-21为α=60°时的整流电压u_d、电流i_d、a相晶闸管VT₁两端承受电压u_T1的波形。在ωt=0时，b相VT₂导通，当b相电压过零变负时，VT₂关断。此时c相VT₃虽承受正向电压，但未得到触发脉冲而不能导通。在VT₂关断、VT₃得到触发之前这段时间内，各相均不导通，因而整流电压u_d、电流i_d都为零。直到ωt₁（α=60°）时，c相VT₃触发导通，整流电压u_d=u_c，以后按此规律循环下去，得到图3-21所示的各相波形。

由以上分析可知，三相半波整流电路电阻负载的基本特点是：

1）每个区间只有一个晶闸管导通，负载上的整流电压和电流由三相轮流供给，在每一个电源周期内，三个晶闸管轮流导通一次。

2）当α=0°时，整流电压最大，α增大时整流电压相应减小，当α=150°时整流电压为零。所以在电阻负载时要求移相范围为150°。

3）当α≤30°时，负载电流连续，各相晶闸管每周期导通120°，即θ=120°。

4）当α＞30°时，负载电流断续，各晶闸管每周期导通角为θ=（150°-α）＜120°。

5）各相晶闸管承受的最大正向电压为2U₂，最大反向电压为。

整流输出电压、电流平均值的计算：

由于每相导电情况相同，所以计算整流电压的平均值U_d时只要取一相在周期（120°）的整流电压平均值即可。

由图3-20知：。

当α≤30°时，VT₁在至范围内导通，其整流电压平均值的表达式为

其中U_d0=1.17U₂，为α=0°时的整流电压平均值，是U_d的最大值。

图3-21 三相半波共阴极晶闸管相控整流电路，电阻性负载，α=60°时的波形

当α＞30°时，由图3-21看出，在ωt=π时VT₁关断，所以求平均值U_d时其积分上限应为π，即

负载电流平均值I_d为

流过每个晶闸管的电流平均值I_dT为

流过每个晶闸管电流有效值I_T的计算：

当α≤30°时，有

当α=0°时，可求出I_T=0.588I_d。

当α＞30°时，有

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当α增大时，整流平均电压U_d、平均电流I_d降低。利用式（3-51）和式（3-52）可找出U_d/U₂随触发延迟角α变化的规律如图3-22中的曲线1所示。同样，利用式（3-55）和式（3-56）也可找出I_T/I_d随α变化的规律如图3-23所示。

图3-22 三相半波相控整流电路U_d/U₂与α的关系

1—电阻负载 2—电感负载 3—阻感负载

图3-23 三相半波相控整流电路，电阻负载时I_T/I_d与α的关系

由图3-23中看出I_T/I_d随触发延迟角α增加而上升。因为随着触发延迟角α增加，电流波形变窄，在输出平均电流值一定的情况下，α越大，其电流有效值增大得越厉害。

晶闸管承受的最大正向电压为晶闸管不导通时阳极与阴极之间的最大电压，由图3-21看出，晶闸管承受的最大正向电压为相电压峰值，即

2.电感性负载

如果负载是电感性的，并且满足ωL＞＞R_d，整流电流基本上是连续平直的，流过晶闸管的电流i_T波形接近长方形，如图3-24a、b所示。

图3-24 大电感负载的三相半波晶闸管相控整流电路及其波形

图3-25 三相半波共阴极晶闸管相控整流电路， 电感性负载，ωL_d＞＞R_d、α=90°时的波形

当α≤30°时，u_d波形与纯电阻负载时一样。

当α＞30°时，其阳极电压u_a已过零开始变负，由于电流减小，在电感L上产生感应电动势，使VT₁仍受正向电压而继续导通。直到ωt₂时刻，b相VT₂得到触发导通，VT₁才承受反向电压被关断，u_d波形出现部分负电压。也就是说，尽管α＞30°，仍然能使各相晶闸管导通120°，从而保证电流连续。因电路中串有大电感L，虽然u_d波形脉动很大，甚至出现负值，但i_d的波形脉动却很小。当L足够大时，i_d的波形基本平直，电阻R_d上得到的完全是直流电压。当α=90°时，u_d波形正负面积相等，平均电压U_d=0，电流波形刚好连续，如图3-25所示。

在整流电压u_d和电流i_d连续的情况下，每周期每相晶闸管轮流导通120°，则U_d为

流过晶闸管的电流平均值I_dT、电流有效值I_T为

晶闸管的通态平均电流I_T（AV），即电流额定值为

在电流连续情况下，三相半波相控整流电路U_d/U₂与α的关系如图3-22中曲线2，如果电感量不是很大，则U_d/U₂与α的关系如图3-22中曲线3。

电感性负载时，晶闸管承受的最大正反向电压相同，均为线电压峰值。

图3-26 三相半波晶闸管相控整流电路大电感负载时， ωL_d＞＞R_d、有续流二极管，α=60°时的波形

三相半波相控整流电路在电感负载下工作时，也可以加续流二极管，波形如图3-26所示。有了续流二极管以后，当电源电压过零变负时，电感L中的感应电动势使续流二极管受正向电压继续导通进行续流，忽略续流二极管的压降，则续流期间输出电压u_d为零。由图3-26可看出，当电感性负载有续流二极管时，整流电压波形与电阻负载时相同，而负载电流i_d波形和电感负载无续流二极管时相似，当α≤30°时由于整流电压u_d均大于零，所以续流二极管不起作用，每相晶闸管仍导通120°。当α＞30°时晶闸管导通角由原来的120°变为θ=150°-α。续流二极管在一个周期内导通三次，总导通角为θ_DR=3（α-30°），并随着α增大，二极管续流时间变长，这时流过晶闸管、续流二极管的电流平均值、有效值的计算都与α有关，可求得

3.三相半波共阳极相控整流电路

将三个晶闸管的阳极连接在一起经负载连接变压器中性点，而三个阴极分别接三相交流电源，整流电压和电流的设定正方向仍按共阴极标法，则组成如图3-27a所示的共阳极接法的三相半波相控整流电路。

由于晶闸管只有在阳极电位高于阴极电位，即承受正向电压时才能导通。因此共阳极连接时晶闸管只能在相电压的负半周工作，换相总是换到阴极更负的那一相去。这种电路的工作情况、分析方法、波形及数量关系与共阴极接法时相同，仅输出极性相反。

在图3-27b、c、d中，ωt=0时，b相VT₂导通。在ωt₀时刻后，c相电位比b相电位更低，但VT₃未得到触发而不能导通，VT₂继续导通。直到ωt₁时刻，VT₃得到触发导通，VT₂受反向电压关断。ωt₂时刻触发VT₁，电流i_d由VT₃换相到VT₁，VT₃受反压关断，电路正常换相。

图3-27 三相半波共阳极晶闸管相控整流电路及波形（α=30°）

由于输出电压和电流方向与规定正方向相反，因此整流电压、电流波形都在坐标轴下面。电感负载时共阳极整流电压与α的关系为

U_d=-1.17U₂cosα （3-65）

式中负号表示三相电源的中性线为负载电压的正端，三个连在一起的阳极为负载电压的负端。

共阳极接法因螺旋式晶闸管的阳极接散热器，可以将散热器联成一体，使装置结构简化，但存在的缺点是触发器的输出线圈没有公共点，必须彼此绝缘。在一般情况下普遍采用的是共阴极整流电路。

图3-28 三相半波晶闸管相控整流电路共阴极和共阳极并用的接法及其波形

三相半波相控整流电路只用三只晶闸管，接线简单，但晶闸管承受的正反峰值电压较高，变压器二次绕组的导通角仅为120°，因此变压器绕组利用率较低，并且电流是单方向的，存在直流磁化问题。要解决这些问题，可以利用共阴极接法和共阳极接法对于变压器绕组电流相位相反的特点，用同一台整流变压器供电，用一组共阴极晶闸管相控整流电路和一组共阳极晶闸管相控整流电路分别供给两个负载，如图3-28所示。

在这种供电方式下，变压器二次绕组有正、反两个方向的电流，VT₁导通a相流过正向电流，VT₄导通a相流过反向电流，且各导通120°，因此变压器绕组的导通时间增长一倍。如果两个负载大小相等，则正反向电流产生的直流安匝互相抵消，避免了变压器铁心的直流磁化，同时也使中性线电流I₀=I_d1-I_d2=0，中性线可不必采用较粗的导线。