三相半波、桥式（全波）整流及六脉冲整流电路

1.       三相半波整流滤波

当功率进一步增加或由于其他原因要求多相整流时，三相整流电路就被提了出来。图1所示就是三相半波整流电路原理图。在这个电路中，三相中的每一相都和 单独形成了半波整流电路，其整流出的三个电压半波在时间上依次相差120o叠加，并且整流输出波形不过0点，其最低点电压

   

式中U_p——是交流输入电压幅值。

并且在一个周期中有三个宽度为120o的整流半波。因此它的滤波电容器的容量可以比单相半波整流和单相全波整流时的电容量都小。

图1 三相半波整流电路原理图

2.       三相桥式（全波）整流滤波

图2所示是三相桥式全波整流电路原理图。图3是它们的整流波形图。图3(a)是三相交流电压波形；图3(b)是三相半波整流电压波形图；图3(c)是三相全波整流电压波形图。在输出波形图中，N粗平直虚线是整流滤波后的平均输出电压值，虚线以下和各正弦波的交点以上（细虚线以上）的小脉动波是整流后未经滤波的输出电压波形。

图2 三相桥式全波整流电路原理图

由图1和图2可以看出，三相半波整流电路和三相桥式全波整流电路的结构是有区别的。

（1）  三相半波整流电路只有三个整流二极管，而三相全波整流电路中却有六只整流二极管；

(2) 三相半波整流电路需要输入电源的中线，而三相全波整流电路则不需要输入电源的中线。

由图3可以看出三相半波整流波形和三相全波整流电路则不需要输入电源的中线。

图3 三相整流的波形图

①     三相半波整流波形的脉动周期是120o而三相全波整流波形的脉动周期是60o；

②     三相半波整流波形的脉动幅度和输出电压平均值：

三相半波整流波形的脉动幅度是：

    

                                               (1)

式中  U——脉动幅度电压；U_p是正弦半波幅值电压，比如有效值为380V的线电压，

           其半波幅值电压为：       

               (2)

那么其脉动幅度电压就是：

    输出电压平均值U_d是从30o~150o积分得，

   

        （3）

式中   U_d——输出电压平均值；

       U_A——相电压有效值。

如果滤波后再经电容滤波，则输出电压就接近于幅值U_p。

三相全波整流波形的脉动幅度是：

       

输出电压平均值U_d是从60o~120o积分得：

   

   U_AB=2.34   U_A=514V       (4)

式中   U_d——输出电压平均值，

       U_AB——线电压有效值。

如果滤波后再经电容滤波，则输出电压就接近于幅值U_p。

由上面的计算还可以看出，三相全波整流比三相半波整流优越得多，三相全波整流用比半波整流小得多的电容器就可以达到最大值U_p。因此，UPS的输入整流器中都采用了三相全波整流电路。

3.       三相6脉冲整流器

上面的三相全波整流是不稳压的，因此在UPS中都用晶闸管整流器（简称晶闸管）代替了二极管整流器，如图4所示。

图4 三相桥式6脉冲全控整流电路原理图

图中的晶闸管整流器VS和二极管整流器VD的工作方式有很大区别。

（1）     二极管整流器VD阳极和阴极之间的正向电压只要大于其PN结的势垒电压，二极管就导通。而晶闸管整流器VS，在其控制极没有触发信号加上时，只要其阳极和阴极之间的正向电压不大到把管子击穿，那么它就不导通。

（2）     晶闸管整流器VS的导通条件有：

①   阳极和阴极之间的正向电压。对于二极管整流器来说，这个电压只要在0.7V左右时，就开始导通了；而晶闸管一般规定在6V以上。

②   控制极触发信号电压。晶闸管一般都用脉冲触发，要求这个电压脉冲要有一定的幅度和宽度，没有一定的幅度就不能抵消PN结的势垒电压，没有一定的宽度就不能有足够的时间使导通由一点扩散到整个PN结。一般要求幅度为3~5V，宽度4~10μs，触发电流5~300mA。

③   维持电流。是指可以维持晶闸管整流器VS导通的最小电流，一般对20A到200A的晶闸管来说，规定其维持电流小于60mA。

④   擎住电流。是指晶闸管被打开而控制极触发信号电压消失后，可以维持继续导通的最小电流，这个电流一般是维持电流的若干倍。

    （3）控制角α与导通角θ为了表征晶闸管对交流电压的控制行为而引出了这两个参量。图5所示是控制角α与导通角θ的关系。下面就对它们的含义进行讨论。

图5 控制角α与导通角θ的关系

①控制角α。当交流正半波加到晶闸管上时，就具有了使晶闸管导通的基础条件，什么时刻给晶闸管控制极加触发信号使其开通呢？从交流正弦波过0开始，一直到晶闸管被触发导通（时间b）的这段晶闸管不导通的时间0b，称为控制角，用α表示。由于晶闸管开启很快，一般是小于1μs，故认为加触发信号的时间就是晶闸管被打开的时间，即一般都把开启时间忽略不计。

②导通角θ。由于晶闸管的开启是一个正反馈过程，故打开后就不能自动关断，这个导通过程要一直延续到电压过0，把从开启到截止这段时间称为导通角，用θ表示。

UPS中的输入整流器就是利用对上述这两个参量的控制来实现稳压的。一般称这种控制为“相控”。很明显，在这里α+β=180o,就是说只要知道这两个参数中的一个，另一个也就知道了。

4.    六相全波整流和12脉冲整流器

六相全波整流及12脉冲整流器在一些UPS中为了提高输入功率因数或者提高功率容量，就采用了六相全波整流即12脉冲整流。实际上，在UPS中都采用的六相全波相控整流，也就是通常所说的12脉冲整流。既然是12脉冲，就说明了两个问题：一个是采用了12只晶闸管，一个是6相输入电源。

图6 12脉冲整流电路

图6所示是12脉冲整流电路。不难看出，两个整流器的结构一模一样，都是三相6脉冲整流，不同的是两个整流器输入变压器的结构不同，一个变压器绕组是“Y”型连接，一个变压器绕组是“Δ”型连接。这样连接的结果就使二者的电压相位差为30o，也即整流脉动的最大宽度是30o。由此得出多相整流时的最大脉动宽度（即晶闸管导通时间θ）表达式为：

       

其中P为控制脉冲数，比如6脉冲时是60o，12脉冲时是30o，18脉冲时是20o，24脉冲时是15o等等，脉动周期越小，其整流输出电压越高、越接近交流电压峰值，其表示式为在区间的积分：

        

                         

            

                                       （5）

对于12脉冲半波整流来说，当α=0时，

   

这已是220V相电压的峰值；若是12脉冲全波整流，其值为：

    

                            （6）

当α=0时其整流电压：U_d=618V

图中两个一样的整流器输出是通过各自的扼流圈后进行并联的，目的是使二者的输出电流均衡，因为两个整流器虽然一样，但它们的内阻决不会一样，就会造成输出电流的不均衡。因此，扼流圈的阻抗值要远远大于整流器的内阻，即整流器的内阻和扼流圈的阻抗相比可以忽略不计。

由上面可知，整流相数越多，其整流输出电压的脉动频率越高，脉动幅度越小，脉动系数就越小。输出纹波就越低，纹波系数也就越小。图7给出了12脉冲整流时的波动和多相半波整流时平均值接近峰值的情况。

图7 12脉冲整流时的波动和多相半波整流时平均值接近峰值的情况

下面也给出脉动系数和纹波系数的表达式：

脉动系数：

                                              （7）

纹波系数：

                                             （8）

为了有一个量的概念，表1给出了半波整流输出电压的脉动系数

、纹波系数

和整流相数P的关系。由表中可以看出：三相全波（半波6相）整流比单相全波（半波2相）整流时的麦冬系数

和纹波系数

小得多，比后者的1/10还小，当然加在后面的滤波电容也就小得多，这也就是为什么当UPS的容量达到一定值时，都尽量采用三相全波整流：为了提高效率，都不采用6相半波整流，虽然都是6只整流管，但由于三相全波整流的输出电压比6相半波整流的输出电压高，因此在同样功率下，三相全波整流的电流小，所以功耗也小，效率也就高了。

      表1 半波整流输出电压的脉动系数、纹波系数和整流相数的关系