【图】三相半波可控整流电路的结构与工作原理

三相半波可控整流电路的结构与工作原理

1、电阻性负载

三相半波可控整流电路接电阻性负载的接线图如图3-10a)所示。整流变压器原边绕组一般接成三角形，使三次谐波电流能够流通，以保证变压器电势不发生畸变，从而减小谐波。副边绕组为带中线的星形接法，三个晶闸管阳极分别接至星形的三相，阴极接在一起接至星形的中点。这种晶闸管阴极接在一起的接法称共阴极接法。共阴极接法便于安排有公共线的触发电路，应用较广。

三相可控整流电路的运行特性、各处波形、基本数量关系不仅与负载性质有关，而且与控制角α有很大关系，应按不同α进行分析。

(1)  α＝0o
在三相可控整流电路中，控制角α的计算起点不再选择在相电压由负变正的过零点，而选择在各相电压的交点处，即自然换流点，如图1b)中的1、2、3、1、…等处。这样，α＝0意味着在ωt1时给a相晶闸管VT１门极上施加触发脉冲ug1；在ωt2时给b相晶闸管VT2门极上施加触发脉冲ug2；在ωt3时给c相晶闸管VT3门极上施加触发脉冲ug3，等等，如图1c)所示。

图1  三相半波可控整流电路

共阴极接法三相半波整流电路中，晶闸管的导通原则是哪相电压最高与该相相连的元件将导通。如果假定电路工作已进入稳定状态，在ωt1时刻之前c相VT3正在导通，那么在ωt1～ωt2期间内，a相电压ua最高，VT1具备导通条件。ωt1时刻触发脉冲ug1加在VT1门极上，VT1导通，负载Rd上得到a相电压，即ud=ua，如图1d)所示。在ωt2～ωt3期间内，ub电压最高，ωt2时刻触发脉冲ug2加在VT2门极上，VT2导通，Rd上得到b相电压，ud=ub。

与此同时，b点电位通过导通的VT2加在VT1的阳极上。由于此时ub＞ua，使VT1承受反向阳极电压而关断。VT2导通、VT1关断，这样就完成了一次换流。同样，在ωt3时刻又将发生VT2向VT3的换流过程。可以看出，对于共阴极接法的三相可控整流电路，换流总是由低电位相换至高电位相。为了保证正常的换流，必须使触发脉冲的相序与电源相序一致。由于三相电源系统平衡，则三只晶闸管将按同样的规律连续不断地循环工作，每管导通1/3周期。

共阴极接法三相半波整流电路输出直流电压波形为三相交流相电压的正半周包络线，是一脉动直流，在一个周期内脉动三次(三个波头)，最低脉动频率为工频的三倍。对于电阻负载，负载电流id波形与负载电压ud波形相同。变压器副边绕组电流i2即晶闸管中电流iT。因此，a相绕组中电流波形也即VT1中电流波形iT1为直流脉动电流，如图1d)所示。所以，三相半波整流电路有变压器铁心直流磁化问题。

晶闸管承受的电压分为三部分，每部分占1/3周期。以VT1管上的电压uT1为例 (图1f) )：VT1导通时，为管压降，uT1＝UT ≈ 0；VT2导通时，uT1＝uab；VT3导通时，uT1＝uac。在电流连续条件下，无论控制角α如何变化，晶闸管上电压波形总是由这三部分组成，只是在不同α下，每部分波形的具体形状不同。在α＝0°的场合下，晶闸管上承受的全为反向阳极电压，最大值为线电压幅值。

2、 α≤30°
图2表示了α＝30°时的波形图。假设分析前电路已进入稳定工作状态，由晶闸管VT3导通。当经过a相自然换流点处，虽ua＞uc，但晶闸管VT1门极触发脉冲ug1尚未施加，VT1管不能导通，VT3管继续工作，负载电压ud＝uc。在ωt1时刻，正好α＝30°，VT1触发脉冲到来，管子被触发导通，VT3承受反向阳极电压uca而关断，完成晶闸管VT3至VT1的换流或c相至a相的换相，负载电压ud＝ua。由于三相对称，VT1将一直导通到120°后的时刻ωt2，发生VT1至VT2的换流或a相至b相的换相。以后的过程就是三相晶闸管的轮流导通，输出直流电压ud为三相电压在120°范围内的一段包络线。负载电流id的波形与ud相似，如图2c)所示。可以看出，α＝30°时，负载电流开始出现过零点，电流处于临界连续状态。
              

图2  三相半波可控整流电路(α ≤ 30°)                             图3  三相半波可控整流电路(α >30°)
晶闸管电流仍为直流脉动电流，每管导通时间为1/3周期(120°)。晶闸管电压仍由三部分组成，每部分占1/3周期，但由于α＝30°，除承受的反向阳极电压波形与α＝0°时有所变化外，晶闸管上开始承受正向阻断电压，如图2e)所示。

3、α＞30°
当控制角α＞30°后，直流电流变得不连续。图3给出了α＝60°时的各处电压、电流波形。当一相电压过零变负时，该相晶闸管自然关断。此时虽下一相电压最高，但该相晶闸管门极触发脉冲尚未到来而不能导通，造成各相晶闸管均不导通的局面，从而输出直流电压、电流均为零，电流断续。一直要到α＝60°，下一相管子才能导通，此时，管子的导通角小于120°

随着α角的增加，导通角也随之减小，直流平均电压Ud也减小。当α＝150°时，θ＝0°，Ud＝0。其移相范围为150°。由于电流不连续，使晶闸管上承受的电压与连续时有较大的不同。其波形如图3e)所示。

直流平均电压Uｄ计算中应按α≤30°及α＞30°两种情况分别处理。
α≤30°时，负载电流连续，Ud的计算如下
(1)

当α＝0时，Ud＝Ud0＝1.17U2，最大。
α＞30°时，直流电流不连续，此时有
(2)
晶闸管承受的最大反向电压URM为线电压峰值 4-5，晶闸管承受最大正向电压UTM为晶闸管不导通时的阴、阳极间电压差，即相电压峰值 4-6。

2、电感性负载

电感负载时的三相半波可控整流电路如图4a)所示。假设负载电感足够大，直流电流id连续、平直，幅值为Id。当α≤30°时，直流电压波形与电阻负载时相同。当α＞30°后(例如α＝60°，如图4b))，由于负载电感Ld中感应电势eL的作用，使得交流电压过零时晶闸管不会关断。

以a相为例，VT1在α＝60°的ωt1时刻导通，直流电压ud＝ua。当ua＝0的ω2时刻，由于ua的减小将引起流过Ld中的电流id出现减小趋势，自感电势eL的极性将阻止id的减小，使VT1仍然承受正向阳极电压导通。

即使当u2为负时，自感电势与负值相电压之和(ua＋eL)仍可为正，使VT1继续承受正向阳极电压维持导通，直到ωt3时刻VT2触发导通，发生VT1至VT2的换流为止。这样，当α＞30°后，ud波形中出现了负电压区域，同时各相晶闸管导通120°，从而保证了负载电流连续，所以大电感负载下，虽ud波形脉动很大，甚至出现负值，但id波形平直，脉动很小。

由于电流连续、平稳，晶闸管电流为120°宽，高度为Id的矩形波，图4b)中给出了晶闸管VT1中的电流iT1波形。

其中ωt2至ωt3范围内的一段区域是依靠Ld的自感电势eL维持的。晶闸管上电压波形仍然由三段组成，每段占1/3周期，如图4b)中VT1管上电压uT1所示。当VT1导通时不承受电压，uT1＝0；当VT1关断时，由于任何瞬间都有一其他相晶闸管导通而引来他相电压，使VT1承受相应的线电压。
直流平均电压Ud为
(3)

当α＝0°时，Ud＝Ud0＝1.17U2，为最大；当α＝90°时，Ud＝0，反映在ud波形上是正、负电压区域的面积相等，平均值为零。可见大电感负载下，三相半波电路的移相范围为90°。
由于晶闸管电流为120°宽、高为Id的矩形波，则其平均值为
   
(4)
晶闸管电流有效值为

  (5)

变压器次级电流即晶闸管电流，故变压器。