三相整流是通過使用固態(tài)二極管或晶閘管將平衡的三相電源轉(zhuǎn)換為固定直流電源的過程。

在之前的教程中，我們看到將交流輸入電源轉(zhuǎn)換為固定直流電源的過程稱為整流，而用于執(zhí)行此整流過程的最常見電路是基于固態(tài)半導(dǎo)體二極管的電路。

事實(shí)上，交流電壓的整流是二極管最流行的應(yīng)用之一，因?yàn)槎O管價格低廉、體積小且堅(jiān)固耐用，使我們能夠使用單獨(dú)連接的二極管或單個集成橋式整流器模塊創(chuàng)建多種類型的整流電路。

家庭和辦公室中的單相電源通常為120 Vrms或240 Vrms相電壓（也稱為線電壓（L-N）），并且名義上具有固定的電壓和頻率，產(chǎn)生正弦波形的交流電壓或電流，縮寫為“AC”。

三相整流，也稱為多相整流電路，與之前的單相整流器類似，不同之處在于我們使用三個單相電源連接在一起，這些電源由一個三相發(fā)電機(jī)產(chǎn)生。

這里的優(yōu)勢在于，三相整流電路可以用于許多工業(yè)應(yīng)用，例如電機(jī)控制或電池充電，這些應(yīng)用需要比單相整流電路更高的功率要求。

三相電源通過將三個頻率和幅度相同的交流電壓組合在一起，進(jìn)一步擴(kuò)展了這一概念，每個交流電壓稱為一個“相”。這三個相位彼此相差120電角度，產(chǎn)生一個相位序列或相位旋轉(zhuǎn)：360° ÷ 3 = 120°，如圖所示。

三相波形

三相電壓波形

這里的優(yōu)勢在于，三相交流（AC）電源可以直接用于為平衡負(fù)載和整流器提供電力。由于三相電源具有固定的電壓和頻率，整流電路可以使用它來產(chǎn)生固定電壓的直流電源，然后可以對其進(jìn)行濾波，從而產(chǎn)生與單相整流電路相比紋波更小的輸出直流電壓。

三相整流

既然我們已經(jīng)看到三相電源只是三個單相電源的組合，我們可以利用這種多相特性來創(chuàng)建三相整流電路。

與單相整流一樣，三相整流使用二極管、晶閘管、晶體管或轉(zhuǎn)換器來創(chuàng)建半波、全波、不可控和全控整流電路，將給定的三相電源轉(zhuǎn)換為恒定的直流輸出電平。在大多數(shù)應(yīng)用中，三相整流器直接由主電源電網(wǎng)供電，或者如果連接的負(fù)載需要不同的直流輸出電平，則由三相變壓器供電。

與之前的單相整流器一樣，最基本的三相整流電路是使用三個半導(dǎo)體二極管的不可控半波整流電路，每個相位一個二極管，如圖所示。

半波三相整流

半波三相整流

那么這個三相半波整流電路是如何工作的呢？每個二極管的陽極連接到電源的一個相位，所有三個二極管的陰極連接在一起到同一個正極，有效地創(chuàng)建了一個二極管“或”型排列。這個共同點(diǎn)成為負(fù)載的正極（+）端子，而負(fù)載的負(fù)極（-）端子連接到電源的中性線（N）。

假設(shè)相位旋轉(zhuǎn)為紅-黃-藍(lán)（VA – VB – VC），并且紅相（VA）從0°開始。第一個導(dǎo)通的二極管將是二極管1（D1），因?yàn)樗年枠O電壓比二極管D2或D3更正。因此，二極管D1在VA的正半周期導(dǎo)通，而D2和D3處于反向偏置狀態(tài)。中性線為負(fù)載電流提供返回電源的路徑。

120電角度后，二極管2（D2）開始導(dǎo)通VB（黃相）的正半周期?，F(xiàn)在它的陽極比二極管D1和D3更正，兩者都“關(guān)閉”，因?yàn)樗鼈兲幱诜聪蚱脿顟B(tài)。同樣，120°后VC（藍(lán)相）開始增加，導(dǎo)通二極管3（D3），因?yàn)樗年枠O變得更正，從而關(guān)閉二極管D1和D2。

然后我們可以看到，對于三相整流，無論哪個二極管的陽極電壓比其他兩個二極管更正，它都會自動開始導(dǎo)通，從而給出導(dǎo)通模式：D1 D2 D3，如圖所示。

半波三相整流器導(dǎo)通波形

半波三相整流器導(dǎo)通波形

從上述電阻負(fù)載的波形中，我們可以看到，對于半波整流器，每個二極管在每個周期的三分之一時間內(nèi)導(dǎo)通，輸出波形是交流電源輸入頻率的三倍。因此，在一個給定的周期中有三個電壓峰值，因此通過將相數(shù)從單相增加到三相電源，電源的整流得到改善，即輸出直流電壓更平滑。

對于三相半波整流器，電源電壓VA VB和VC是平衡的，但相位差為120°，給出：

因此，三相半波整流器輸出電壓波形的平均直流值為：

平均直流整流電壓

由于電源電壓峰值電壓VP等于VRMS*1.414，因此VRMS等于VP/1.414，或0.707*VP，因?yàn)?/1.414 = 0.707。然后，整流器的平均直流輸出電壓可以用其均方根（RMS）相電壓表示如下：

半波三相整流器RMS電壓

三相整流示例1

使用三個單獨(dú)的二極管和一個120VAC三相星形連接變壓器構(gòu)建一個半波三相整流器。如果需要為阻抗為50Ω的負(fù)載供電，計(jì)算：a）負(fù)載的平均直流電壓輸出。b）負(fù)載電流，c）每個二極管的平均電流。假設(shè)二極管為理想特性。

a). 平均直流負(fù)載電壓：

請注意，如果我們給定峰值電壓（Vp）值，則：

b). 直流負(fù)載電流：

c). 每個二極管的平均電流：

三相半波整流的一個缺點(diǎn)是它需要四線電源，即三相加中性線（N）連接。此外，平均直流輸出電壓較低，值為0.827*VP，正如我們所看到的。

這是因?yàn)檩敵黾y波含量是輸入頻率的三倍。但我們可以通過在基本整流電路中增加三個二極管來改善這些缺點(diǎn)，從而創(chuàng)建一個三相全波不可控橋式整流器。

全波三相整流

全波三相不可控橋式整流電路使用六個二極管，每相兩個，類似于單相橋式整流器。三相全波整流器通過使用兩個半波整流電路獲得。這里的優(yōu)勢在于，該電路產(chǎn)生的紋波輸出比之前的三相半波整流器更低，因?yàn)樗念l率是輸入交流波形的六倍。

此外，全波整流器可以由平衡的三相三線三角形連接電源供電，因?yàn)椴恍枰谒母行跃€（N）?？紤]下面的全波三相整流電路。

全波三相整流

全波三相整流

如前所述，假設(shè)相位旋轉(zhuǎn)為紅-黃-藍(lán)（VA – VB – VC），并且紅相（VA）從0°開始。每個相位連接在一對二極管之間，如圖所示。導(dǎo)通對中的一個二極管為負(fù)載的正極（+）側(cè)供電，而另一個二極管為負(fù)載的負(fù)極（-）側(cè)供電。

二極管D1 D3 D2和D4在相位A和B之間形成一個橋式整流網(wǎng)絡(luò)，類似地，二極管D3 D5 D4和D6在相位B和C之間，D5 D1 D6和D2在相位C和A之間。

二極管D1 D3和D5為正極供電。陽極電壓更正的二極管導(dǎo)通。同樣，二極管D2 D4和D6為負(fù)極供電，陰極電壓更負(fù)的二極管導(dǎo)通。

然后我們可以看到，對于三相不可控整流，二極管以匹配對的形式導(dǎo)通，每個導(dǎo)通路徑通過兩個串聯(lián)的二極管。因此，總共需要六個整流二極管，電路每60°換向一次，或每個周期六次。

如果我們在30°開始導(dǎo)通模式，這將為我們提供負(fù)載電流的導(dǎo)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，用于下一個相位序列，如圖所示。

全波三相整流器導(dǎo)通波形

全波三相整流器導(dǎo)通波形

在三相電源整流器中，導(dǎo)通始終發(fā)生在最正的二極管和相應(yīng)的最負(fù)的二極管中。因此，隨著三相在整流器端子之間旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)通從一個二極管傳遞到另一個二極管

然后，每個二極管在每個電源周期中導(dǎo)通120°（三分之一），但由于需要兩個二極管成對導(dǎo)通，每對二極管在任何時候只導(dǎo)通60°（六分之一）的周期，如上所示。

因此，我們可以正確地說，對于由“3”個變壓器次級供電的三相整流器，每個相位將相隔360°/3，因此需要2*3個二極管。

還請注意，與之前的半波整流器不同，整流器的輸入和輸出端子之間沒有公共連接。因此，它可以由星形連接或三角形連接的變壓器電源供電。

因此，三相全波整流器輸出電壓波形的平均直流值為：

平均直流負(fù)載電壓

其中：VS等于（VL(PEAK) ÷ √3），其中VL(PEAK)是最大線電壓（VL*1.414）。

三相整流示例2

需要一個三相全波橋式整流器為150Ω電阻負(fù)載供電，電源為三相127伏，60Hz三角形連接電源。忽略二極管上的電壓降，計(jì)算：1. 整流器的直流輸出電壓和2. 負(fù)載電流。

1. 直流輸出電壓：

RMS（均方根）線電壓為127伏。因此，線電壓峰值（VL-L(PEAK)）將為：

三相整流器峰值電壓

由于電源為三相，任何相的相電壓（VP-N）將為：

三相整流相電壓

請注意，這基本上與以下說法相同：

平均輸出電壓

因此，三相全波整流器的平均直流輸出電壓為：

三相整流器直流輸出電壓

再次，我們可以通過正確地說，對于給定的線電壓RMS值，在我們的示例中為127伏，平均直流輸出電壓為：

不可控整流器輸出電壓

2. 整流器的負(fù)載電流。

整流器的輸出為150Ω電阻負(fù)載供電。然后使用歐姆定律，負(fù)載電流將為：

整流器負(fù)載電流

不可控三相整流使用二極管提供相對于輸入交流電壓值的固定值的平均輸出電壓。但要改變整流器的輸出電壓，我們需要用晶閘管替換不可控二極管，部分或全部替換，以創(chuàng)建所謂的半控或全控橋式整流器。

晶閘管是三端半導(dǎo)體器件，當(dāng)在其陽極到陰極端子電壓為正時，向晶閘管的柵極端子施加合適的觸發(fā)脈沖時，器件將導(dǎo)通并通過負(fù)載電流。

因此，通過延遲觸發(fā)脈沖的定時（觸發(fā)角），我們可以延遲晶閘管自然“開啟”的時刻，如果它是一個普通二極管，并且在施加觸發(fā)脈沖時開始導(dǎo)通的時刻。

因此，使用晶閘管代替二極管的三相可控整流，我們可以通過控制晶閘管對的觸發(fā)角來控制平均直流輸出電壓的值，因此整流輸出電壓成為觸發(fā)角α的函數(shù)。

因此，與上述用于三相橋式整流器平均輸出電壓的公式的唯一區(qū)別在于觸發(fā)脈沖的余弦角cos(α)。因此，如果觸發(fā)角為零（cos(0) = 1），則可控整流器的性能類似于之前的三相不可控二極管整流器，平均輸出電壓相同。

下面給出一個全控三相橋式整流器的示例：

全控三相橋式整流器

全控三相橋式整流器

三相整流總結(jié)

在本教程中，我們已經(jīng)看到，三相整流是將三相交流電源轉(zhuǎn)換為脈動直流電壓的過程，因?yàn)檎鲗⒄译妷汉皖l率的輸入電源轉(zhuǎn)換為固定電壓的直流電源。因此，電源整流將交流電源轉(zhuǎn)換為單向電源。

但我們也看到，三相半波不可控整流器，每相使用一個二極管，需要星形連接電源作為第四根中性線（N）以閉合從負(fù)載到源的電路。三相全波橋式整流器每相使用兩個二極管，僅需要三根主電源線，無需中性線，例如由三角形連接電源提供的電源。

全波橋式整流器的另一個優(yōu)點(diǎn)是負(fù)載電流在橋中平衡良好，提高了效率（輸出直流功率與輸入功率之比），并減少了紋波含量，無論是幅度還是頻率，與半波配置相比。

通過增加橋配置中的相數(shù)和二極管數(shù)量，可以獲得更高的平均直流輸出電壓和更小的紋波幅度，例如，在六相整流中，每個二極管僅導(dǎo)通一個周期的六分之一。

此外，多相整流器產(chǎn)生更高的紋波頻率意味著更少的電容濾波和更平滑的輸出電壓。因此，可以設(shè)計(jì)6、12、15甚至24相不可控整流器，以改善各種應(yīng)用的紋波系數(shù)。