三相半控桥式整流电路优化：原理、设计与应用

2023-06-30 理论教育版权反馈

【摘要】：此时整流电路的工作情况和整流器输出电压、电流的波形，与三相不可控桥式整流电路相同，称为全导通状态。由此可见，三相半控桥式整流电路的触发脉冲移相范围为180°。当触发延迟角α≤60°时，三相半控桥式整流电路的工作原理及整流波形与电阻负载时基本相同。

1.电阻性负载

电阻性负载的三相半控桥式整流电路如图5-2所示。图中T为变压器，三个晶闸管VH₁、VH₃、VH₅的阴极连接在一起，称为共阴极组；三个整流二极管VD₂、VD₄、VD₆的阳极连接在一起，称为共阳极组，R_f为负载。该电路的特点是共阴极组的晶闸管必须触发才能导通；而共阳极组的整流二极管总是在自然换相点（三相电源电压的交点称为自然换相点，或者称自然换流点）换相。变压器的二次侧在任何时刻总是由变压器的两个二次线圈、一个阳极电位最高而且由触发脉冲触发导通的晶闸管和一个阴极电位最低的整流二极管串联构成通路。

图5-2 电阻性负载的三相半控桥式整流电路

图5-3 α=0°电阻负载三相半控桥式整流波形

a）相电压 b）负载电压 c）触发脉冲 d）晶闸管、二极管导通顺序

晶闸管的触发延迟角α=0°时，整流电路波形如图5-3所示。当α=0°时，即在自然换相点ωt₁、ωt₃和ωt₅，分别触发晶闸管VH₁、VH₃和VH₅，使其轮换导通；而整流二极管在自然换相点ωt₂、ωt₄和ωt₆处自然换相。在ωt₁时刻，由触发脉冲信号u_g1触发VH₁，VH₁与阴极电位最负的二极管VD₆一起导通，整流器输出电压u_d=u_ab。由于是电阻负载，所以负载R_f上的电压u_f=u_d。过了ωt₂，VD₂比VD₆的阴极电位更低（即u_c低于u_b），因而产生自然换相，由VD₂代替VD₆与VH₁串联导通，u_d=u_ac。过了ωt₃时刻，u_b大于u_a，此时VH₃受到触发脉冲信号u_g3的触发，VH₃导通，而VH₁将承受反向电压而关断，于是由VH₃替代VH₁与VD₂串联导通，u_d=u_bc。依此类推，各管的导通顺序及整流器输出电压u_d和电流i_d波形如图5-3b所示。此时整流电路的工作情况和整流器输出电压、电流的波形，与三相不可控桥式整流电路相同，称为全导通状态。整流电压波形在每周期内有6个波峰，每个晶闸管导通角为120°；整流电压的平均值最大，其值为2.34U₂（U₂为变压器二次相电压的有效值）。

图5-4所示为晶闸管触发延迟角α=30°时的整流器输出电压电流波形图。图中ωt₁为c相与a相正半波自然换相点以后30°时刻。由触发脉冲信号u_g1触发VH₁，VH₁与阴极电位最负的VD₆一起导通，整流器输出电压u_d=u_ab。在ωt₂（b相与c相负半波自然换相点）时刻，共阳极组整流二极管VD₆与VD₂自然换相，VD₂导通VD₆截止，VH₁与VD₂同时导通，u_d=u_ac。到ωt₃（a相与b相正半波自然换相点以后30°）时刻，由触发脉冲信号u_g3触发VH₃，VH₃被触发导通，而VH₁承受反向电压被迫关断，电路转为VH₃与VD₂导通，u_d=u_bc，依此类推。从输出电压u_d的波形看，每个周期有六次较大的脉动，而且脉动是不均匀的。

图5-5所示是晶闸管触发延迟角α=60°时的整流器输出电压电流波形。α=60°，即在滞后于自然换相点60°处触发晶闸管。其特点是，在触发晶闸管时，正值整流二极管的自然换相点，因而晶闸管与二极管同时换相，例如在ωt₁时（c相与a相正半波自然换相点以后60°）u_g1触发VH₁，这时又是b相与c相负半波的自然换相点，整流二极管VD₆与VD₂自然换相，故VH₁与VD₂同时导通，u_d=u_ac，直至过了120°，在ωt₃时（a相与b相正半波自然换相点以后60°，c相与a相负半波的自然换相点），u_ac=0，VH₁关断，但同时有u_g3触发VH₃导通，VD₂与VD₄自然换相，电路中变为VH₃和VD₄导通，u_d=u_ba，依此类推，可得到图5-5b所示的波形。

图5-4 α=30°电阻负载三相半控桥式整流波形

a）相电压 b）负载电压 c）触发脉冲 d）晶闸管、二极管导通顺序

图5-5 α=60°电阻负载三相半控桥式整流波形

a）相电压 b）负载电压 c）触发脉冲 d）晶闸管、二极管导通顺序

由图5-5可以看出，α=60°是该电路整流电压u_d、电流i_d波形连续的临界点，若继续增大α，则由于某一线电压为零时，前一晶闸管已关断，后一晶闸管尚未受到触发而不能导通，这就使u_d、i_d波形出现间断，直至下一触发脉冲到来时，晶闸管导通才又继续接通整流电路，u_d、i_d恢复输出波形。可见，随着α的增大，只要将图5-5b波形图中的垂直线部分往右移动，即可得不同α时的u_d、i_d波形。

根据波形图，通过推导，可以得出电阻负载三相桥式半控整流电路输出电压平均值U_d与晶闸管触发延迟角α的关系：

U_d=1.17U₂（1+cosα）（5-1）

当触发延迟角α=0°时，即晶闸管全导通状态，U_d=2.34U₂。随着α增大，U_d减小；当α=180°时，U_d=0。由此可见，三相半控桥式整流电路的触发脉冲移相范围为180°。

三相桥式半控整流电路在电阻性负载情况下，触发延迟角α≥60°时，u_d、i_d波形在一个周期只有三个波峰，脉动频率f=150Hz，脉动较大，甚至会出现不连续现象。

2.电阻电感性负载

由于晶闸管整流式弧焊电源中采用直流电感进行滤波，而且其直流滤波电抗器L的电感量足够大，因此，其负载属于电阻电感性负载，其三相半控桥式整流电路如图5-6所示。

当触发延迟角α≤60°时，三相半控桥式整流电路的工作原理及整流波形与电阻负载时基本相同。当α＞60°时，晶闸管VH₁被触发后，与VD₂一起导通（可参考图5-5），i_d经VH₁→L→R_f→VD₂流通，整流器输出电压U_d=u_ac。到ωt₃后，即到a相与c相负半波的自然换相点后，U_d=u_ac=0，但由于L产生的自感电动势E_L=Ldi_d/dt，其极性如图5-6所示，L上的自感电动势E_L继续为VH₁提供正向阳极电压使其不能及时关断。而连接a相VD₄的阴极电位比连接c相VD₂的阴极电位低，所以此时VD₄将取代VD₂而导通，i_d经L、R_f、VD₄和VH₁构成回路而没有中断。VH₁继续导通的时间取决于电感L储存能量的大小，如果L的电感量足够大，可以延时到VH₃被触发为止。可见，此种情况下，晶闸管导通角的大小失去了控制。为避免此现象的产生，需要在负载两端连接续流二极管VD₇。当整流电压u_d为零时，由电感L产生的自感电动势E_L通过L、R_f和VD₇构成回路续流，既可以使i_d不中断，又能使晶闸管按时关断。增加续流二极管VD₇后，整流器输出电压u_d的波形与电阻性负载时u_d的波形基本相同。

图5-6 电阻电感性负载三相桥式半控整流电路

应该指出的是，只有在触发延迟角α＞60°时，续流二极管VD₇才起续流作用。

三相半控桥式整流电路只用三只晶闸管和三个触发脉冲单元电路，因而电路比较简单、可靠、经济且较易调试。其整流变压器为普通的三相降压变压器，易于制造。其主要缺点是调至低电压或小电流时波形脉动较明显，为了满足弧焊电源直流输出脉动情况的要求，需配备较大电感量的直流输出电抗器。

为了解决晶闸管三相半控桥式整流电路输出电流脉动大和不连续问题，除了加大输出电抗器L外，还可以在三相半控桥式整流电路主回路中增加一个辅助电源电路，如图5-7所示。图中的AI电路是一个附加的小电流辅助电源，该辅助电源是在主变压器上增加一个能提供15～30V电压的线圈，并接成一个不可控的三相桥式整流电路，从而可以提供一个维持电弧燃烧的小电流。图5-7中AV电路是一个附加高电压辅助电源，该电源是在三相主变压器上绕制三个辅助线圈并与主线圈串联，每相接入一个整流二极管，再在回路中串一个限流电阻R，使其短路电流为10～20A。引入该辅助电源可以提高空载电压，改善引弧性能，而且在主变压器设计时，不需要考虑引弧时的空载电压，只考虑满足焊接工作电压的要求即可。该电路在瑞典ESAB公司和国内某些厂家生产的晶闸管整流式弧焊电源中得到了应用，其输出外特性如图5-8所示。

图5-7 带附加电源的晶闸管三相半控桥式整流电路

图5-8 带附加电源的晶闸管三相半控桥式弧焊电源外特性

三相半控桥式整流电路优化：原理、设计与应用

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