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[经验] 【案例分享】三相整流电路波形分析

2019-7-31 04:30:00  902 整流电路 电路设计
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我们在之前的教程中看到,将AC输入电源转换为固定直流电源的过程称为整流,其中用于执行该整流过程的最常用电路是基于固态半导体二极管的电路。事实上,交流电压的整流是二极管最受欢迎的应用之一,因为二极管价格低廉,体积小且坚固耐用,因此我们可以使用单独连接的二极管或仅使用单个集成桥式整流器模块来创建多种类型的整流器电路。
<span]单相供电,例如房屋和办公室中的单相供电通常为120 Vrms或240 Vrms相 - 中性,也称为线对中性(LN),并且名义上是固定电压和频率,产生交流电压或电流。正弦波形的形式给出了“AC”的缩写。
三相整流,也称为多相整流电路,类似于以前的单相整流器,这次的不同之处在于我们正在使用三个单相电源连接在一起,这是由一个单相三相产生的发电机。
<span]这里的优点是三相整流电路可用于为许多工业应用提供动力,例如电动机控制或电池充电,这需要比单相整流电路能够提供更高的功率要求。
三相电源通过将三个相同频率和幅度的AC电压组合在一起,将每个AC电压称为“相位”,使这一想法更进一步。这三相是彼此异相120电角度,产生相序,或相位旋转:360]

这里的优点是可以使用三相交流(AC)电源直接向平衡负载和整流器提供电力。由于三相电源具有固定的电压和频率,因此整流电路可以使用它来产生固定电压的直流电,然后可以对其进行滤波,从而与单相整流电路相比产生具有更小纹波的输出直流电压。
三相整流
<span]已经看到三相电源只是三个单相组合在一起,我们可以使用这种多相特性来创建三相整流电路。
与单相整流一样,三相整流使用二极管,晶闸管晶体管或转换器来产生半波,全波,不受控制和完全可控的整流电路,将给定的三相电源转换为恒定的直流输出电平。在大多数应用中,如果连接负载需要不同的直流输出电平,则直接从市电公用电网或三相变压器提供三相整流器。
<span]与之前的单相整流器一样,最基本的三相整流电路是不受控制的半波整流电路,它使用三个半导体二极管,每相一个二极管,如图所示。
半波三相整流

<span]那么这个三相半波整流电路是如何工作的呢?每个二极管的阳极连接到电压源的一个相,所有三个二极管的阴极连接在一起到相同的正点,有效地产生二极管“或”型布置。该公共点成为负载的正(+)端子,而负载的负( - )端子连接到电源的中性点(N)。
假设红-黄-蓝的相位旋转(V]120电气度后,二极管2(D 2)开始导通V B的正半周期(黄相)。现在它的阳极变得比二极管D 1和D 3更正,它们都是“OFF”,因为它们是反向偏置的。类似地,120 ö后续版本v Ç(蓝相)开始增加转向“ON”二极管3(d 3)作为其阳极变得更正,从而把“OFF”二极管d 1和d 2。
然后我们可以看到,对于三相整流,无论哪个二极管在其阳极处具有比其他两个二极管更正的电压,它将自动开始导通,从而给出如下所示的导电模式:D]

从上面的电阻性负载波形可以看出,对于半波整流器,每个二极管在每个周期的三分之一时间内通过电流,输出波形是交流电源输入频率的三倍。因此,在给定周期中存在三个电压峰值,因此通过增加从单相到三相电源的相数,改善了电源的整流,即输出DC电压更平滑。
<span]对于三相半波整流器,电源电压V A V B和V C均衡,但相位差为120 o,给出:
V]V B  = V P * sin(ωt - 120 o)
V]因此,来自三相半波整流器的输出电压波形的平均DC值如下:


当电压提供峰值电压时,V]
三相整流示例No1
使用三个独立二极管和120VAC三相星形连接变压器构建半波三相整流器。如果需要为阻抗为50Ω的连接负载供电,请计算a)输出到负载的平均直流电压。b)负载电流,c)每个二极管的平均电流。假设理想二极管。
<span]一个)。平均直流负载电压:
V]注意,如果给出峰值电压(V p)值,则:
V]B)。直流负载电流:
I]C)。每个二极管的平均电流:
I]半波三相整流的一个缺点是它需要4线电源,即三相加中性(N)连接。如我们所见,平均DC输出电压也低,其值由0.827 * V P表示。这是因为输出纹波内容是输入频率的三倍。但是我们可以通过在基本整流电路中增加三个二极管来改善这些缺点,从而形成三相全波非控制桥式整流器。
全波三相整流
全波三相非控制桥式整流电路使用六个二极管,每相两个,与单相桥式整流器类似。通过使用两个半波整流电路获得三相全波整流器。这里的优点是电路产生的纹波输出比前一个半波三相整流器低,因为它的频率是输入交流波形的六倍。
<span]此外,全波整流器可以由平衡的3相3线三角形连接电源供电,因为不需要第四中性(N)线。考虑下面的全波三相整流电路。
全波三相整流

<span]像以前一样,假定红-黄-蓝的相位旋转(V 甲  - V 乙  - V C ^)和红色相(V 甲)开始于0 Ò。如图所示,每相连接在一对二极管之间。导电对的一个二极管为负载的正(+)侧供电,而另一个二极管为负载的负( - )侧供电。
二极管d]因此,二极管D 1 D 3和D 5馈送正轨并且取决于哪一个在其阳极端子导管处具有更正的电压。同样地,二极管D 2 D 4和D 6馈送负轨,并且无论哪个二极管在其阴极端子导管处具有更负的电压。
然后我们可以看到,对于三相整流,二极管以匹配对的方式导通,给出负载电流的导通模式:D]

在三相功率整流器中,导通总是发生在最正的二极管和相应的最负二极管中。因此,当三相在整流器端子上旋转时,传导从二极管传递到二极管。然后每个二极管在每个供电周期中导通120]因此,我们可以正确地说,对于由“3”变压器次级馈电的三相整流器,每相将被360 o / 3 分开,因此需要2 * 3个二极管。另请注意,与前一个半波整流器不同,整流器输入和输出端子之间没有共同的连接。因此,它可以通过星形连接或三角形连接的变压器电源供电。
因此,来自三相全波整流器的输出电压波形的平均DC值如下:


<span]其中:V 小号等于(V L(PEAK)  ÷√ 3)和其中V L(PEAK)为最大线到线电压(V 大号 * 1.414)。
三相整流示例No2
需要一个三相全波桥式整流器从三相127伏,60赫兹三角形连接电源馈送150Ω电阻负载。忽略二极管上的电压降,计算:1。整流器的直流输出电压和2.负载电流。
<span]1.直流输出电压:
RMS(均方根)线电压为127伏。因此,线间峰值电压(V]

由于电源为3相,任何相的相电压(V]

请注意,这基本上与说:
<span]

因此,三相全波整流器的平均直流输出电压如下:
<span]

同样,我们可以通过正确地说明对于给定的线到线RMS电压值(在我们的示例中为127伏),平均直流输出电压为:
<span]

2.整流器负载电流。
<span]整流器的输出馈送150Ω电阻负载。然后使用欧姆定律,负载电流将为:

<span]不受控制的三相整流使用二极管来提供相对于输入AC电压值的固定值的平均输出电压。但是为了改变整流器的输出电压,我们需要用晶闸管替换不受控制的二极管(部分或全部),以创建所谓的半控制或完全控制的桥式整流器。
晶闸管是三端子半导体器件,并且当其阳极]因此,通过使用晶闸管代替二极管的受控三相整流,我们可以通过控制晶闸管对的触发角来控制平均DC输出电压的值,因此整流输出电压成为触发角α的函数。。
因此,上面用于三相桥式整流器的平均输出电压的公式的唯一差别在于触发或触发脉冲的余弦角cos(α)。因此,如果触发角为零,(cos(0)=]下面给出了一个完全控制的三相桥式整流器的例子:
全控制三相桥式整流器
三相整流总结
<span]我们在本教程中已经看到,三相整流是将三相交流电源转换为脉动直流电压的过程,因为整流将正弦电压和频率的输入电源转换为固定电压直流电源。因此,电源整流将交替电源变为单向电源。
但我们也看到,每相使用一个二极管的三相半波非控制整流器需要一个星形连接电源作为第四个中性(N)线,以便从负载到源极闭合电路。每相使用两个二极管的三相全波桥式整流器只需要三根电源线,没有中性线,例如由三角形连接电源提供的线路。
<span]全波桥式整流器的另一个优点是负载电流在整个桥上得到很好的平衡,从而提高了效率(输出直流功率与输入功率之比),并减小了幅度和频率的纹波含量。半波配置。
通过增加桥配置内的相和二极管的数量,可以获得具有较小纹波幅度的较高平均DC输出电压,例如,在6相整流中,每个二极管仅导通一个周期的六分之一。此外,多相整流器产生更高的纹波频率意味着更少的电容滤波和更平滑的输出电压。因此,可以设计6,12,15甚至24相不受控制的整流器,以改善各种应用的纹波系数

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