三相半波可控整流电路原理

三相半波可控整流电路原理
晶闸管又称可控硅SCR(Silicon Controlled Rectifier)，属于典型的半控型器件。

能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量的场合具有重要地位。

其基本特性有：
其静态特性如图1-1所示。

由图1-1我们知道，晶闸管的静态特性与二极管极为相似，可以分为正向特性和反向特性。

其中，正向特性有：
其反向特性与二极管类似，为：
简单来说，晶闸管正反向都有能够承受的极限电压，超过这个电压，晶闸管就可能被击穿损坏。

而在正常工作状态下，我们只能通过门极电流控制晶闸管导通，不能控制其关断，所以称晶闸管为半控型器件。

一般来说，要导通晶闸管需要满足两个条件：
而要关断已经导通的晶闸管，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。

交流-直流（AC-DC）变换又称为整流。

由于整流电路一般功率较大，且可由电网电压来关断晶闸管，所以单纯的整流电路多采用晶闸管。

整流电路的类型很多，按照整流后的电流波形可以分为半波整流和全波整流，按照交流电源的相数可以分为单相整流和三相整流，按照所使用的电力电子器件可以分为不可控整流（二极管），半控整流（晶闸管）和全控整流（GTO,IGBT）一般来说，由于晶闸管的关断特性，整流电路会对负载的类型（电阻性负载，阻感性负载）较为敏感。

此处仅以较为简单的电阻性负载为例。

单相半波整流电路的电路图如图3-1（a）所示。

若图中电力电子器件为二极管则为不可控整流电路，输出波形为正弦波的正半周期。

图中采用晶闸管，为单相半波可控整流电路。

开始分析整流电路前需要解释几个概念：
在一个电周期内，电路经历了如下几个过程：
综上，输出电压U_d波形如图3-1（d）所示。

通过分析，我们可以计算出输出的直流电压的大小：
U_d=\frac{1}{2\pi} \int_\alpha ^\pi \sqrt{2}U_2sin(\omega t)d\omega t
=\frac{\sqrt{2}U_2}{2\pi}(1+cos\alpha)
当\alpha=0时，此时可控整流退化为不可控整流，输出电压U_d最大，有U_d=0.225U_2
由此可见，单相半波整流电压会损失相当一部分的电压。

通过前面的分析，我们知道单相半波整流电路只能利用交流电的正半周期，所以电压损失较大（因为没有电流，所以没有能量损失），为了利用交流电源的负半周期，我们引入单相桥式整流电路。

单相桥式全控整流电路如图4-1（a）所示。

值得注意的时，该电路有好几种变形，全采用二极管称为不可控，采用两个晶闸管两个二极管称为半控，采用四个晶闸管称为全控。

类似的，在一个电周期内，电路经历了如下几个过程：
综上，输出电压U_d波形如图4-1（b）所示。

通过分析，我们可以计算出输出的直流电压的大小：
U_d=\frac{1}{\pi} \int_\alpha ^\pi \sqrt{2}U_2sin(\omega t)d\omega t
=\frac{\sqrt{2}U_2}{\pi}(1+cos\alpha)
当\alpha=0时，此时可控整流退化为不可控整流，输出电压U_d最大，有U_d=0.45U_2
由此可见，由于利用的交流电的负半周期，单相桥式整流电压利用率为单相半波整流的2倍。

由上面的分析，我们知道将一个交流电源变成直流电源时会损失大量的电压，虽然后面可以利用直流斩波电路将电压抬高，但是本身单相整流就含有较多的谐波，引入直流斩波电路会引入更多的谐波。

为了解决电压问题和谐波问题，我们引入三相整流电路。

如果说单相整流是将一个交流源变为直流源，那么三相整流就是将三个交流源变为一个直流源。

三相半波可控整流电路的电路图如图5-1（a）所示。

图中三个晶闸管的阴极接在一起，称为共阴极解法。

只要有一个晶闸管导通，其余两个晶闸管的阴极电压就被抬升到导通晶闸管的阳极电压上。

比如说，当VT2导通时，VT1和VT3的阴极直接连接到U_b上，此时VT1
承受正向电压的条件就变为U_a>U_b，类似的，VT3承受正向电压的条件就变为U_c>U_b
所以，将晶闸管承受正向电压的时刻，也即三相半波不可控整流电路的导通
时刻，称为自然换相点，如图5-1（b）的\omega t_1,\omega t_2,\omega t_3所示。

特别的，将自然换相点作为各晶闸管触发角\alpha的起点。

一般的，当晶闸管触发角\alpha=0时，其效果退化为二极管。

当\alpha=0时，三相半波可控整流电路的输出电压U_d如图5-1（d）所示。

在一个电周期内，电路经历了如下几个过程：
综上，输出电压U_d波形如图5-1（d）所示。

通过分析，我们可以计算出输出的直流电压的大小：
U_d=\frac{1}{\frac{2\pi}{3}} \int_{\frac{\pi}{6}+\alpha}
^{\frac{5\pi}{6}+\alpha}\sqrt{2}U_2sin(\omega t)d\omega t
=\frac{3\sqrt{6}}{2\pi}U_2cos\alpha
当\alpha=0时，此时可控整流退化为不可控整流，输出电压U_d最大，有U_d=1.17U_2
由此可见，三相半波整流电压会高于单相电压源电压。