三相桥式全控整流电路优化方案

1.电阻性负载

1）工作原理

三相桥式全控整流电路由6只晶闸管组成，VS1、VS2、VS3为共阴极组，VS4、VS5、VS6为共阳极组。电阻性负载的三相桥式全控整流电路如图5-10所示。

图5-10　电阻性负载的三相桥式全控整流电路图

在交流电源的一个周期内，晶闸管在正向阳极电压作用下不导通的电角度称为控制角，或移相角，用α 表示；导通的电角度称为导通角，用θ表示。在三相可控整流电路中，控制角的起点不是在交流电压过零点处，而是在自然换流点（又称自然换相点），即三相相电压的交点。采用双窄脉冲触发时，触发电路每隔60°依次同时给两个晶闸管施加触发脉冲，每周期的触发顺序如下。

（1）α＝0°。

当α＝0°时，晶闸管在自然换流点得到触发脉冲。波形如图5-11所示。

图5-11　三相桥式全控整流电路a＝0°的波形图

设从第一个自然换流点算起的电角度为φ。

当φ＝0°时，VS1和VS5得到触发脉冲，由图5-11可看出，此时线电压的最大值为uab，即VS1的阳极电位最高、VS5的阴极电位最低，所以VS1和VS5导通。忽略VS1和VS5的导通压降，输出电压 ud=uab。在此后60°期间，VS1和VS5保持导通，此输出保持60°。

当φ＝60°时，VS1和VS6得到触发脉冲，由图5-11可看出，此时线电压的最大值变为uac，所以VS1保持导通，VS6导通，输出电压ud=uac，此输出保持60°。

在φ＝120°时，VS2和VS6得到触发脉冲，由图5-11可看出，此时线电压的最大值变为ubc，所以VS2导通，VS6保持导通，输出电压ud=ubc，此输出保持60°。

同理，此后输出电压依次等于uba、uca、ucb。

此时的工作情况和输出电压波形与三相桥式不控整流电路完全一样，整流电路处于全导通状态。

当α＞0°时，晶闸管导通要推迟α角，但晶闸管的触发、导通顺序不变。

（2）α＝60°。

α＝60°时，晶闸管在自然换流点之后60°得到触发脉冲。波形图如图5-12所示。

当φ＝60°时，VS1和VS5得到触发脉冲，由图5-12可看出，此时线电压的最大值为uac，由于VS6没有得到触发脉冲不能导通，而uab大于零，所以VS1和VS5导通，输出电压ud=uab，此输出保持60°。

图5-12　三相桥式全控整流电路a＝60°的波形图

当φ＝120°时，VS1和VS6得到触发脉冲，由图5-12可看出，此时线电压的最大值变为ubc，由于VS2没有得到触发脉冲不能导通，而uac大于零，所以VS1保持导通，VS6导通，输出电压 ud=uac，此输出保持60°。

当φ＝180°时，VS2和VS6得到触发脉冲，由图5-12可看出，此时线电压的最大值变为uba，由于VS4没有得到触发脉冲不能导通，而ubc大于零，所以VS2导通，VS6保持导通，输出电压 ud=ubc，此输出保持60°。

同理，此后输出电压依次等于uba、uca、ucb。

α为0°～60°时，输出电压ud的波形是连续的，晶闸管的导通角θ＝120°保持不变（不随控制角α变化而变化）。

（3）α＝90°

α＝90°时，晶闸管在自然换流点之后90°得到触发脉冲。波形图如图5-13所示。

当φ＝90°时，VS1和VS5得到触发脉冲，由图5-13可看出，此时线电压uab大于零，所以VS1和VS5导通，输出电压ud=uab。但经过了30°，uab变为零，VS1和VS5截止，输出电压变为0。

当φ＝150°时，VS1和VS6得到触发脉冲，由图5-13可看出，此时线电压uac大于零，所以VS1和VS6导通，输出电压ud=uac。但经过了30°，uac变为零，VS1和VS6截止，输出电压变为0。

当φ＝210°时，VS2和VS6得到触发脉冲，出图5-13可看出，此时线电压ubc大于零，所以VS2和VS6导通，输出电压ud=ubc。但经过了30°，ubc变为零，VS2和VS6截止，输出电压变为0。

图5-13　电阻性负载的三相桥式全控整流电路α＝90°的波形图

其余类推。

显然，当α＞60°时，输出电压ud的波形不连续，晶闸管出现自然关断现象。每只晶闸管在交流电源的一个周期内导通两次，其导通角 θ=2×（120°-α）。

当α＝0时，输出直流电压达到最大值；当α＝120°时，输出电压为零。因此，最大移相范围为120°。

三相桥式全控整流电路也可以采用单脉冲触发，其脉冲宽度必须大于60°，触发电路每隔60°轮流给各晶闸管施加触发脉冲，对应于图5-10所示电路，触发顺序为：VS1、VS6、VS2、VS4、VS3、VS5，依此循环，如图5-14所示。此时晶闸管的导通顺序及其对应的输出电压瞬时值ud与采用双窄脉冲触发时完全一样：① VS1、VSs导通，ud=uad；② VS1、VS6导通，ud=uac；③ VS2、VS6导通，ud=ubc；④ VS2、VS4导通，ud=uba；⑤ VS3、VS4导通，ud=uca；⑥ VS3、VS5导通，ud=ucb。依此循环。

图5-14　三相桥式全控整流单脉冲触发

2）基本定量关系(www.xing528.com)

（1）输出直流电压、电流。

输出电压ud的第一个重复周期解析式为

式（5.14）中，当0°≤α≤60°时，0≤ωt≤π/3；当60°≤α≤120°时，0≤ωt≤（2 π/3）-α。

当0°≤α≤60°时，输出直流电压为

当60°≤α≤120°时，输出直流电压为

即

输出直流电流为

（2）晶闸管的平均电流。

每只晶闸管的平均电流为

（3）晶闸管承受的最大电压。

每只晶闸管可能承受的最大电压为

2.电感性负载

电感性负载的三相桥式全控整流电路如图5-15所示，波形图如图5-16所示。

图5-15　电感性负载的三相桥式全控整流电路图

图5-16　电感性负载的三相桥式全控整流电路波形图

当0°≤α≤60°时，输出电压ud波形同电阻性负载时一样。

当α＞60°时，在线电压过零变负时，负载电感产生感应电势维持电流的存在，所以原来导通的晶闸管不会截止，继续保持导通状态。此时，输出电压ud波形中有负电压。

当α＝90°时，如负载电感足够大，则输出电压ud波形图中正向面积和负向面积接近相等，输出直流电压Ud近似为零。可见电感性负载的三相桥式全控整流电路在电感足够大时，最大有效移相范围只有90°，晶闸管的导通角θ则保持120°不变。

由于电感的作用，负载电流id波形近似为水平直线，晶闸管电流近似为矩形波。

电感性负载的三相桥式全控整流电路输出直流电压为

Ud=1.35ULcosα

上式在0°≤α≤90°范围都适用。

在实际应用中，三相桥式全控整流电路控制角α的变化范围不宜宽（通常α＜60°），因为控制角大会使输入功率因数小、输入电流谐波分量大，对电网产生比较严重的干扰。

3.输入谐波电流的治理

在通信直流供电系统中，过去采用相控整流器，三相桥式全控整流电路曾得到广泛应用，现在已经被淘汰。

目前在一些双变换UPS中采用的6脉冲整流器就是三相桥式全控整流器，用于为UPS中的逆变器提供直流电源并对蓄电池组进行充电。通信用UPS中的整流器除了应能输出所需直流电压、电流外，还要使UPS达到输入功率因数不小于0.85～0.95、输入电源谐波成分小于25%～5%的要求（不同档次的UPS有差别）。

三相桥式全控整流电路输入电流中包含交流电源频率的5、7、11、13、17、19、23次谐波，其中5次谐波电流最大。如果没有适当的输入滤波措施，输入电流总谐波畸变率（THDi）达30%以上。谐波电流大对电网形成污染，并可能造成配电线缆、变压器发热，空气开关误跳闸，引起油机发电机系统振荡等不良后果。

UPS中使用的6脉冲整流器宜在三相桥式全控整流电路的输入侧接5次谐波滤波器，如图5-17所示。Lp、Cp支路对5次谐波（250 Hz）串联谐振，5次谐波电流被它们旁路而不通过阻抗相对较高的供电回路。也可以说，整流电路是同Lp、Cp串联支路而不是同输入电源进行5次谐波能量的交换。对于高次谐波，Lp、Cp串联支路呈感抗，串联支路的品质因数Q值较小，频率离开谐振点后阻抗升高不陡，该支路同输入滤波电感LF配合，使输入滤波器对高次谐波电流也有一定的滤波作用。

图5-17　6脉冲整流器的谐波治理

接入5次谐波滤波器后，6脉冲整流器满载时输入功率因数可达0.9，输入电流总谐波畸变率（THDi）能达到10%以下（负载减轻时输入功率因数减小、输入电流总谐波畸变率增大）；所需油机发电机额定容量约为UPS额定容量的2倍。

Lp、Cp串联支路对50 Hz呈容抗，当UPS负载较轻（小于15% 额定负载）时，会使整流器的输入电流超前输入电压。为了避免UPS轻载时整流器的电容特性对供电电源（尤其是油机发电机）产生不良影响，通常采用交流接触器（KM）来自动控制Lp、Cp串联支路的通断，使其在轻载时退出。