三相整流

三相整流是通过使用固态二极管或晶闸管将平衡的三相电源转换为固定直流电源的过程。

在之前的教程中，我们看到将交流输入电源转换为固定直流电源的过程称为整流，而用于执行此整流过程的最常见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流行的应用之一，因为二极管价格低廉、体积小且坚固耐用，使我们能够使用单独连接的二极管或单个集成桥式整流器模块创建多种类型的整流电路。

家庭和办公室中的单相电源通常为120 Vrms或240 Vrms相电压（也称为线电压（L-N）），并且名义上具有固定的电压和频率，产生正弦波形的交流电压或电流，缩写为“AC”。

三相整流，也称为多相整流电路，与之前的单相整流器类似，不同之处在于我们使用三个单相电源连接在一起，这些电源由一个三相发电机产生。

这里的优势在于，三相整流电路可以用于许多工业应用，例如电机控制或电池充电，这些应用需要比单相整流电路更高的功率要求。

三相电源通过将三个频率和幅度相同的交流电压组合在一起，进一步扩展了这一概念，每个交流电压称为一个“相”。这三个相位彼此相差120电角度，产生一个相位序列或相位旋转：360° ÷ 3 = 120°，如图所示。

三相波形

三相电压波形

这里的优势在于，三相交流（AC）电源可以直接用于为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，整流电路可以使用它来产生固定电压的直流电源，然后可以对其进行滤波，从而产生与单相整流电路相比纹波更小的输出直流电压。

三相整流

既然我们已经看到三相电源只是三个单相电源的组合，我们可以利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、晶体管或转换器来创建半波、全波、不可控和全控整流电路，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，三相整流器直接由主电源电网供电，或者如果连接的负载需要不同的直流输出电平，则由三相变压器供电。

与之前的单相整流器一样，最基本的三相整流电路是使用三个半导体二极管的不可控半波整流电路，每个相位一个二极管，如图所示。

半波三相整流

半波三相整流

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源的一个相位，所有三个二极管的阴极连接在一起到同一个正极，有效地创建了一个二极管“或”型排列。这个共同点成为负载的正极（+）端子，而负载的负极（-）端子连接到电源的中性线（N）。

假设相位旋转为红-黄-蓝（VA – VB – VC），并且红相（VA）从0°开始。第一个导通的二极管将是二极管1（D1），因为它的阳极电压比二极管D2或D3更正。因此，二极管D1在VA的正半周期导通，而D2和D3处于反向偏置状态。中性线为负载电流提供返回电源的路径。

120电角度后，二极管2（D2）开始导通VB（黄相）的正半周期。现在它的阳极比二极管D1和D3更正，两者都“关闭”，因为它们处于反向偏置状态。同样，120°后VC（蓝相）开始增加，导通二极管3（D3），因为它的阳极变得更正，从而关闭二极管D1和D2。

然后我们可以看到，对于三相整流，无论哪个二极管的阳极电压比其他两个二极管更正，它都会自动开始导通，从而给出导通模式：D1 D2 D3，如图所示。

半波三相整流器导通波形

半波三相整流器导通波形

从上述电阻负载的波形中，我们可以看到，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导通，输出波形是交流电源输入频率的三倍。因此，在一个给定的周期中有三个电压峰值，因此通过将相数从单相增加到三相电源，电源的整流得到改善，即输出直流电压更平滑。

对于三相半波整流器，电源电压VA VB和VC是平衡的，但相位差为120°，给出：

因此，三相半波整流器输出电压波形的平均直流值为：

平均直流整流电压

由于电源电压峰值电压VP等于VRMS*1.414，因此VRMS等于VP/1.414，或0.707*VP，因为1/1.414 = 0.707。然后，整流器的平均直流输出电压可以用其均方根（RMS）相电压表示如下：

半波三相整流器RMS电压

三相整流示例1

使用三个单独的二极管和一个120VAC三相星形连接变压器构建一个半波三相整流器。如果需要为阻抗为50Ω的负载供电，计算：a）负载的平均直流电压输出。b）负载电流，c）每个二极管的平均电流。假设二极管为理想特性。

a). 平均直流负载电压：

请注意，如果我们给定峰值电压（Vp）值，则：

b). 直流负载电流：

c). 每个二极管的平均电流：

三相半波整流的一个缺点是它需要四线电源，即三相加中性线（N）连接。此外，平均直流输出电压较低，值为0.827*VP，正如我们所看到的。

这是因为输出纹波含量是输入频率的三倍。但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，从而创建一个三相全波不可控桥式整流器。

全波三相整流

全波三相不可控桥式整流电路使用六个二极管，每相两个，类似于单相桥式整流器。三相全波整流器通过使用两个半波整流电路获得。这里的优势在于，该电路产生的纹波输出比之前的三相半波整流器更低，因为它的频率是输入交流波形的六倍。

此外，全波整流器可以由平衡的三相三线三角形连接电源供电，因为不需要第四根中性线（N）。考虑下面的全波三相整流电路。

全波三相整流

全波三相整流

如前所述，假设相位旋转为红-黄-蓝（VA – VB – VC），并且红相（VA）从0°开始。每个相位连接在一对二极管之间，如图所示。导通对中的一个二极管为负载的正极（+）侧供电，而另一个二极管为负载的负极（-）侧供电。

二极管D1 D3 D2和D4在相位A和B之间形成一个桥式整流网络，类似地，二极管D3 D5 D4和D6在相位B和C之间，D5 D1 D6和D2在相位C和A之间。

二极管D1 D3和D5为正极供电。阳极电压更正的二极管导通。同样，二极管D2 D4和D6为负极供电，阴极电压更负的二极管导通。

然后我们可以看到，对于三相不可控整流，二极管以匹配对的形式导通，每个导通路径通过两个串联的二极管。因此，总共需要六个整流二极管，电路每60°换向一次，或每个周期六次。

如果我们在30°开始导通模式，这将为我们提供负载电流的导通模式：D1-4 D1-6 D3-6 D3-2 D5-2 D5-4，然后再次返回到D1-4和D1-6，用于下一个相位序列，如图所示。

全波三相整流器导通波形

全波三相整流器导通波形

在三相电源整流器中，导通始终发生在最正的二极管和相应的最负的二极管中。因此，随着三相在整流器端子之间旋转，导通从一个二极管传递到另一个二极管

然后，每个二极管在每个电源周期中导通120°（三分之一），但由于需要两个二极管成对导通，每对二极管在任何时候只导通60°（六分之一）的周期，如上所示。

因此，我们可以正确地说，对于由“3”个变压器次级供电的三相整流器，每个相位将相隔360°/3，因此需要2*3个二极管。

还请注意，与之前的半波整流器不同，整流器的输入和输出端子之间没有公共连接。因此，它可以由星形连接或三角形连接的变压器电源供电。

因此，三相全波整流器输出电压波形的平均直流值为：

平均直流负载电压

其中：VS等于（VL(PEAK) ÷ √3），其中VL(PEAK)是最大线电压（VL*1.414）。

三相整流示例2

需要一个三相全波桥式整流器为150Ω电阻负载供电，电源为三相127伏，60Hz三角形连接电源。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。

1. 直流输出电压：

RMS（均方根）线电压为127伏。因此，线电压峰值（VL-L(PEAK)）将为：

三相整流器峰值电压

由于电源为三相，任何相的相电压（VP-N）将为：

三相整流相电压

请注意，这基本上与以下说法相同：

平均输出电压

因此，三相全波整流器的平均直流输出电压为：

三相整流器直流输出电压

再次，我们可以通过正确地说，对于给定的线电压RMS值，在我们的示例中为127伏，平均直流输出电压为：

不可控整流器输出电压

2. 整流器的负载电流。

整流器的输出为150Ω电阻负载供电。然后使用欧姆定律，负载电流将为：

整流器负载电流

不可控三相整流使用二极管提供相对于输入交流电压值的固定值的平均输出电压。但要改变整流器的输出电压，我们需要用晶闸管替换不可控二极管，部分或全部替换，以创建所谓的半控或全控桥式整流器。

晶闸管是三端半导体器件，当在其阳极到阴极端子电压为正时，向晶闸管的栅极端子施加合适的触发脉冲时，器件将导通并通过负载电流。

因此，通过延迟触发脉冲的定时（触发角），我们可以延迟晶闸管自然“开启”的时刻，如果它是一个普通二极管，并且在施加触发脉冲时开始导通的时刻。

因此，使用晶闸管代替二极管的三相可控整流，我们可以通过控制晶闸管对的触发角来控制平均直流输出电压的值，因此整流输出电压成为触发角α的函数。

因此，与上述用于三相桥式整流器平均输出电压的公式的唯一区别在于触发脉冲的余弦角cos(α)。因此，如果触发角为零（cos(0) = 1），则可控整流器的性能类似于之前的三相不可控二极管整流器，平均输出电压相同。

下面给出一个全控三相桥式整流器的示例：

全控三相桥式整流器

全控三相桥式整流器

三相整流总结

在本教程中，我们已经看到，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的直流电源。因此，电源整流将交流电源转换为单向电源。

但我们也看到，三相半波不可控整流器，每相使用一个二极管，需要星形连接电源作为第四根中性线（N）以闭合从负载到源的电路。三相全波桥式整流器每相使用两个二极管，仅需要三根主电源线，无需中性线，例如由三角形连接电源提供的电源。

全波桥式整流器的另一个优点是负载电流在桥中平衡良好，提高了效率（输出直流功率与输入功率之比），并减少了纹波含量，无论是幅度还是频率，与半波配置相比。

通过增加桥配置中的相数和二极管数量，可以获得更高的平均直流输出电压和更小的纹波幅度，例如，在六相整流中，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相不可控整流器，以改善各种应用的纹波系数。