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2023-06-23
三相全控桥式整流电路详解
【摘要】：另外，α=60°为三相全控桥式整流电路在电阻性负载情况下电流连续的临界点，α继续增大，则出现输出电压ud、电流id波形不连续。由此可见，三相全控桥式整流电路在电阻性负载情况下，要求触发脉冲的移相范围为120°。
三相半控桥式整流电路的整流电压波形在触发延迟角α＞60°时，每个周期只有三个波峰，输出电压脉动较大。如果将三相半控桥式整流电路中的三个整流二极管VD2、VD4、VD6换成三个晶闸管，就变成三相桥式全控整流电路，如图5-9所示，其输出电压波形有较大的改善。
1.电阻性负载
如图5-9所示，晶闸管VH1、VH3、VH5接成共阴极组，VH2、VH4、VH6接成共阳极组。
假设负载为电阻性负载，即先将输出电抗器L短路起来。要使负载Rf中流过电流，必须让上述两个晶闸管组中各有一个晶闸管同时导通。如果忽略晶闸管的压降，则负载Rf上承受的是变压器二次线圈的线电压。
整流过程中，共阳极组和共阴极组的晶闸管都在不断换相，换相时刻取决于产生触发脉冲的相位。
图5-9 三相桥式全控整流电路
为了获得每个周期有六个波峰的输出电压波形，需要相间地触发两组晶闸管，即要求同组晶闸管的触发脉冲相位互差120°，二组之间互差60°。这样每隔60°按顺序触发一个晶闸管，输出电压的每个周期出现uab、uac、ubc、uba、uca、ucb六个波峰。
图5-10所示是触发延迟角α=0°，即在自然换相点ωt1～ωt6上，由互差60°的触发脉冲ug1～ug6按顺序触发对应的晶闸管VH1～VH6的波形。例如，在ωt1由ug1触发VH1，而VH6原先已触发导通，所以由VH1与VH6串联导通，ud=uab。过了60°，在ωt2处，由ug2触发VH2使其导通，这就使VH6承受反向阳极电压而关断，实现了VH6和VH2的换相，改由VH1与VH2串联导通，ud=uac，依此类推。晶闸管导通顺序见图5-10d，ud、id波形见图5-10b。
必须指出，为使弧焊电源开始启动输出时刻及在负载电流断续时都能正常工作，每当触发一个晶闸管时，务必同时也触发与其串联导通的另一个晶闸管。例如，在图5-10中ωt1处，给出ug1触发VHl以启动整流电源，这时若不同时触发VH6，则单个晶闸管不可能导通。所以，应按照晶闸管同时导通的顺序，成对地提供触发脉冲。同理，对于触发延迟角α角较大，电流断续时，也有这种必要。一般晶闸管整流式弧焊电源中常采用以下两种触发方式：
1）采用双窄脉冲触发。如图5-11a所示，触发脉冲的宽度小于60°，称为窄脉冲。相互间隔60°的触发脉冲ug1～ug6为基本脉冲，按顺序触发VH1～VH6，另加添补脉冲ug1′～ug6′。在基本脉冲触发某一晶闸管的同时，以添补脉冲触发前一个晶闸管。例如，ug1触发VH1的同时，令Ug6′触发VH6；ug2触发VH2的同时，令Ug1′触发VH1；以此类推。为实现图5-10d所示导通顺序，可按图5-11a所示顺序安排基本脉冲和添补脉冲。
2）采用单宽脉冲触发。如图5-11b所示，触发脉冲的宽度大于60°称为宽脉冲。图中ug1～ug6相互间隔亦为60°，为避免重合而将其画成两行，重叠部分用阴影表示出来。只要按序让ug1～ug6触发对应的晶闸管VH1～VH6，即可实现图5-10d所示导通顺序。例如，以ug1触发VH1时，Ug6尚未消失，它可将VH6再触发，保证VH1、VH6同时导通。过了60°，ug2触发VH2时，ug1尚未消失，即使VH1已关断，它还可以再次触发VH1，而保证VH1、VH2同时导通……实际上，单宽脉冲中起触发作用的是前后阴影所示重叠部分，它与双窄脉冲等效。
图5-10 α=0°电阻负载三相全控桥式整流波形
a）相电压 b）负载电压 c）触发脉冲 d）晶闸管导通顺序
当触发延迟角α=60°时，输出电压波形如图5-12所示。因为输出电压是由变压器二次各线电压组成的，所以图中直接画出各线电压（虚线所示）与输出电压（黑粗实线所示）的关系。在此需说明的是，前面各图中触发延迟角α是以变压器二次相电压的自然换相点，即相电压30°处为起点的，即相电压为30°点为触发延迟角α=0°点。由图5-9可见，变压器二次线圈是星形接法，线电压导前于相电压30°，所以在图5-12中，以线电压表示的波形图中，触发延迟角α是以线电压60°处为起点，也就是说，线电压60°处为自然换相点，对应触发延迟角α=0°点。
由图5-12可见，各个晶闸管轮流导通120°，ud波形为每周期六个波峰，因此，比三相半控桥式整流电路ud的波形脉动小。另外，α=60°为三相全控桥式整流电路在电阻性负载情况下电流连续的临界点，α继续增大，则出现输出电压ud、电流id波形不连续。
图5-11 三相桥式全控整流电路触发方式
a）双窄脉冲出发 b）单宽脉冲触发
当触发延迟角α=90°时，如图5-13所示，ud波形是不连续的，电流id波形与ud成比例，也不连续。对比α=0°、60°、90°的ud波形可知，随着α增大，输出电压平均值Ud将减小。
图5-12 α=60°电阻负载三相全控桥式整流波形
图5-13 α=90°电阻负载三相全控桥式整流波形
当0≤α≤π/3时，输出电压ud波形连续，此时有
当α＞π/3时，输出电压发生间断，此时有
当触发延迟角α=0°，即全导通时，Ud=2.34U2。随着α增大，则Ud减小，当α=120°时，Ud=0。由此可见，三相全控桥式整流电路在电阻性负载情况下，要求触发脉冲的移相范围为120°。
2.电阻电感性负载
如图5-9所示，将直流输出滤波电抗器L接入整流电路中，即构成带电阻电感负载的三相全控桥式整流电路。在0°≤α≤60°范围内，其工作情况及ud波形与电阻性负载时基本相同。但由于有L的滤波作用，id波形变得平稳。当电感量L较大时，id波形趋于一水平线。
当触发延迟角α＞60°时，在电阻性负载的情况下ud、id波形都要出现间断。而在电阻电感性负载情况下，线电压过零变负时，只要电感L足够大，其产生的感应电动势仍可为已触发导通的晶闸管提供正向阳极电压，使其不致关断。已导通的晶闸管就可以继续导通，直至触发下一个晶闸管换相触发，而使ud波形连续。触发延迟角α=90°时的ud波形如图5-14所示，因为其正负部分对称，所以平均电压Ud=0。也就是说，电阻电感负载的三相桥式全控整流电路的触发脉冲移相范围为90°。
图5-14 α=90°电阻电感性负载三相全控桥式整流电压波形
电感足够大时，其负载电流连续条件下，ud与触发延迟角α之间关系为
Ud=2.34U2cosα （5-4）
当α=0°时，Ud=2.34U2；当α=90°时，Ud=0。
由此可知，三相桥式全控整流电路的输出电压每个周期有六个波峰，脉动较小，所需输出电感的电感量较小。但是需要六个晶闸管，触发电路复杂，因而增加了调试和维修的难度。
三相桥式全控整流电路是目前弧焊电源中应用较多的电路之一，美国米勒公司生产的焊机以及国内某些厂家生产的ZX5—400B型晶闸管弧焊整流器都采用了此电路。
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