3상 정류

 

3상 정류

3상 정류는 고체 다이오드 또는 사이리스터를 사용하여 평형 3상 전원 공급 장치를 고정 DC 공급 장치로 변환하는 프로세스입니다.

이전 튜토리얼에서 AC 입력 공급 장치를 고정 DC 공급 장치로 변환하는 프로세스를 정류 라고 하며 이 정류 프로세스를 수행하는 데 사용되는 가장 널리 사용되는 회로는 고체 반도체 다이오드를 기반으로 하는 회로입니다.

실제로 교류 전압의 정류는 다이오드의 가장 널리 사용되는 응용 분야 중 하나입니다. 다이오드는 저렴하고 작으며 견고하므로 개별적으로 연결된 다이오드나 단일 통합 브리지 정류기 모듈을 사용하여 다양한 유형의 정류기 회로를 만들 수 있기 때문입니다.

주택이나 사무실과 같은 단상 공급 장치는 일반적으로 120Vrms 또는 240Vrms 위상-중성선(LN)이라고도 하며 명목상 교류 전압 또는 전류를 생성하는 고정 전압 및 주파수입니다. 정현파형의 형태를 "AC"라고 약칭합니다.

다상 정류 회로라고도 알려진 3상 정류는 이전의 단상 정류기와 유사하지만, 이번에는 하나의 단일 3상으로 생성된 3개의 단상 공급 장치를 함께 연결하여 사용한다는 차이점이 있습니다. 발전기.

 

여기서 장점은 3상 정류 회로를 사용하여 단상 정류기 회로가 공급할 수 있는 것보다 더 높은 전력 요구 사항을 요구하는 모터 제어 또는 배터리 충전과 같은 많은 산업용 애플리케이션에 전력을 공급할 수 있다는 것입니다.

3상 공급 장치는 주파수와 진폭이 동일한 3개의 AC 전압을 "위상"이라고 하는 각 AC 전압과 함께 결합함으로써 이 아이디어를 한 단계 더 발전시킵니다. 이 3개의 위상은 서로 전기적으로 120도 위상차가 있어 위상 시퀀스 또는 위상 회전이 표시됩니다 . 360o  ¼ 3 = 120o .

3상 파형

여기서 장점은 3상 교류(AC) 공급 장치를 사용하여 균형 잡힌 부하와 정류기에 직접 전력을 공급할 수 있다는 것입니다. 3상 공급 장치는 고정된 전압과 주파수를 가지므로 정류 회로에서 고정 전압 DC 전력을 생성하는 데 사용할 수 있으며, 이를 필터링하면 단상 정류 회로에 비해 리플이 적은 출력 DC 전압이 생성됩니다.

3상 정류

3상 공급 장치는 단순히 3개의 단상이 함께 결합된 것임을 보았으므로 이 다중 위상 특성을 사용하여 3상 정류기 회로를 만들 수 있습니다.

단상 정류와 마찬가지로 3상 정류도 다이오드, 사이리스터, 트랜지스터 또는 변환기를 사용하여 주어진 3상 공급 장치를 일정한 DC 출력 레벨로 변환하는 반파, 전파, 비제어 및 완전 제어 정류기 회로를 생성합니다. . 대부분의 응용 분야에서 3상 정류기는 주 유틸리티 전력망에서 직접 공급되거나, 연결된 부하에 따라 다른 DC 출력 레벨이 필요한 경우 3상 변압기에서 전원이 공급됩니다.

이전의 단상 정류기와 마찬가지로 가장 기본적인 3상 정류기 회로는 그림과 같이 위상 당 하나의 다이오드씩 3개의 반도체 다이오드를 사용하는 비제어 반파 정류기 회로입니다.

반파장 3상 정류

그렇다면 이 3상 반파 정류기 회로는 어떻게 작동합니까? 각 다이오드의 양극은 전압 공급 장치의 한 위상에 연결되고 세 다이오드의 음극은 모두 동일한 양극 지점에 연결되어 다이오드 "OR" 유형 배열을 효과적으로 생성합니다. 이 공통점은 부하의 양극(+) 단자가 되고, 부하의 음극(-) 단자는 공급 장치의 중성(N)에 연결됩니다.

빨간색-노란색-파란색(V A  – V B  – VC )의 위상 회전과 빨간색 위상(V A )이 0o 에서 시작한다고 가정합니다 . 전도되는 첫 번째 다이오드는 다이오드 D 2 또는 D 3 보다 애노드에서 더 많은 양의 전압을 갖기 때문에 다이오드 1(D 1 )이 됩니다 . 따라서 다이오드 D 1 은 V A 의 양의 반주기 동안 전도되는 반면 D 2 및 D 3은 역바이어스 상태에 있습니다. 중성선은 부하 전류가 전원으로 다시 돌아가는 경로를 제공합니다.

120도 이후에 다이오드 2(D 2 )는 V B (노란색 위상) 의 양의 반주기 동안 전도되기 시작합니다 . 이제 양극은 역방향 바이어스되기 때문에 둘 다 "OFF" 상태인 다이오드 D 1 및 D 3 보다 더 양극이 됩니다. 마찬가지로, 120 시 이후 VC ( 청색 위상) 는 양극이 더 양극화됨에 따라 "ON" 다이오드 3(D 3 ) 켜짐이 증가하기 시작하여 "OFF" 다이오드 D 1 및 D 2 가 켜집니다 .

그런 다음 3상 정류의 경우 다른 두 다이오드에 비해 양극에서 더 많은 양의 전압을 갖는 다이오드가 자동으로 전도를 시작하여 그림과 같이 D 1 D 2 D 3 의 전도 패턴을 제공한다는 것을 알 수 있습니다 .

 

반파장 3상 정류기 전도파형

저항성 부하에 대한 위의 파형에서 반파 정류기의 경우 각 다이오드가 각 사이클의 1/3 동안 전류를 통과시키고 출력 파형이 AC 전원 입력 주파수의 3배라는 것을 알 수 있습니다. 따라서 주어진 사이클에 3개의 전압 피크가 있으므로 단상에서 3상 공급으로 위상 수를 늘리면 공급 정류가 향상됩니다. 즉, 출력 DC 전압이 더 부드러워집니다.

3상 반파 정류기의 경우 공급 전압 V A V B 및 V C 는 균형을 이루지만 120o 의 위상차가 있어 다음을 제공합니다.

V A  = V P *sin(Ωt – 0o )

V B  = V P *sin(Ωt – 120o )

V C  = V P *sin(Ωt – 240o )

따라서 3상 반파 정류기의 출력 전압 파형의 평균 DC 값은 다음과 같습니다.

전압이 피크 전압을 공급하므로 V P 는 V RMS *1.414 와 동일하므로 V RMS 는 V P /1.414, 즉 1/1.414 = 0.707이므로 0.707*V P 와 같습니다 . 그러면 정류기의 평균 DC 출력 전압은 RMS(평균 제곱근) 위상 전압으로 다음과 같이 표현될 수 있습니다.

3상 정류예 No1

반파장 3상 정류기는 3개의 개별 다이오드와 120VAC 3상 스타 연결 변압기를 사용하여 구성됩니다. 50Ω의 임피던스로 연결된 부하에 전력을 공급해야 하는 경우 a) 부하로 출력되는 평균 DC 전압을 계산합니다. b) 부하 전류, c) 다이오드당 평균 전류. 이상적인 다이오드를 가정합니다.

ㅏ). 평균 DC 부하 전압:

V DC  = 1.17*Vrms = 1.17*120 = 140.4V

피크 전압(V p ) 값이 주어지면 다음과 같습니다.

V DC는 0.827*Vp 또는 0.827*169.68 = 140.4V와 같습니다.

비). DC 부하 전류:

I L  = V DC /R L  = 140.4/50 = 2.81 암페어

씨). 다이오드당 평균 전류:

I D  = I L /3 = 2.81/3 = 0.94 암페어

반파장 3상 정류의 단점 중 하나는 4선 전원, 즉 3상과 중성(N) 연결이 필요하다는 것입니다. 또한 평균 DC 출력 전압은 우리가 본 것처럼 0.827*V P 로 표시되는 값으로 낮습니다.

이는 출력 리플 내용이 입력 주파수의 3배이기 때문입니다. 그러나 우리는 3상 전파 비제어 브리지 정류기를 생성하는 기본 정류기 회로에 3개의 다이오드를 더 추가함으로써 이러한 단점을 개선할 수 있습니다.

전파 3상 정류

전파 3상 비제어 브리지 정류기 회로는 단상 브리지 정류기와 유사한 방식으로 위상당 2개씩 6개의 다이오드를 사용합니다. 2개의 반파장 정류회로를 사용하여 3상 전파정류기를 얻습니다. 여기서 장점은 입력 AC 파형의 6배에 달하는 주파수를 가지므로 기존 반파장 3상 정류기보다 낮은 리플 출력을 생성한다는 점입니다.

또한 전파 정류기는 네 번째 중성선(N)이 필요하지 않으므로 균형 잡힌 3상 3선 델타 연결 공급 장치에서 전력을 공급받을 수 있습니다. 아래의 전파 3상 정류기 회로를 고려하십시오.

전파 3상 정류

이전과 마찬가지로 Red-Yellow-Blue(V A  – V B  – VC ) 의 위상 회전 과 빨간색 위상(V A )이 0o 에서 시작한다고 가정합니다 . 각 위상은 그림과 같이 한 쌍의 다이오드 사이에 연결됩니다. 전도성 쌍의 한 다이오드는 부하의 양극(+) 측에 전력을 공급하고 다른 다이오드는 부하의 음극(-) 측에 전력을 공급합니다.

다이오드 D 1 D 3 D 2 및 D 4 는 위상 A 와 B 사이에 브리지 정류기 네트워크를 형성합니다 . 마찬가지로 위상 B 와 C 사이에 다이오드 D 3 D 5 D 4 및 D 6 과 위상 C 사이에 D 5 D 1 D 6 및 D 2 가 형성됩니다. 그리고 A. _

다이오드 D 1 D 3 및 D 5 는 포지티브 레일에 전원을 공급합니다. 양극 단자에서 더 많은 양의 전압을 갖는 다이오드가 전도됩니다. 마찬가지로 다이오드 D 2 D 4 및 D 6 은 음극 레일에 전원을 공급하고 음극 단자에서 더 많은 음극 전압을 갖는 다이오드가 전도됩니다.

그러면 3상 비제어 정류의 경우 다이오드가 직렬로 연결된 두 개의 다이오드를 통과하는 각 전도 경로와 일치하는 쌍으로 전도된다는 것을 알 수 있습니다. 따라서 60 ° 마다 또는 사이클당 6회 회로 정류가 발생하는 경우 총 6개의 정류기 다이오드가 필요합니다 .

30o 에서 전도 패턴을 시작하면 다음과 같은 부하 전류에 대한 전도 패턴이 제공됩니다. D 1-4 D 1-6 D 3-6 D 3-2 D 5-2 D 5-4 그리고 다시 돌아옴 표시된 대로 다음 단계 시퀀스를 위해 D 1-4 및 D 1-6 으로 이동합니다.

전파 3상 정류기 전도 파형

3상 전력 정류기에서는 항상 가장 양극인 다이오드와 그에 상응하는 가장 음극인 다이오드에서 전도가 발생합니다. 따라서 3상이 정류기 단자를 가로질러 회전함에 따라 다이오드에서 다이오드로 전도가 전달됩니다.

그런 다음 각 다이오드는 각 공급 사이클에서 120 ° (1/3) 동안 전도되지만 쌍으로 전도하려면 두 개의 다이오드가 필요하므로 각 다이오드 쌍은 다음과 같이 언제든지 사이클의 60 ° (1/6) 동안만 전도됩니다. 위에 표시된.

따라서 "3" 변압기 2차측에 의해 공급되는 3상 정류기의 경우 각 위상이 360o /3 으로 분리되므로 2*3 다이오드가 필요하다고 정확하게 말할 수 있습니다.

또한 이전 반파 정류기와 달리 정류기 입력 단자와 출력 단자 사이에 공통 연결이 없다는 점에 유의하십시오. 따라서 스타 연결 또는 델타 연결 변압기 공급 장치를 통해 전원을 공급할 수 있습니다.

따라서 3상 전파 정류기의 출력 전압 파형의 평균 DC 값은 다음과 같습니다.

여기서: V S 는 (V L(PEAK)  ¼ √ 3 )과 같고 V L(PEAK) 는 최대 선간 전압(V L *1.414)입니다.

3상 정류예 No2

3상 127V, 60Hz 델타 연결 전원에서 150Ω 저항 부하를 공급하려면 3상 전파 브리지 정류기가 필요합니다. 다이오드 전체의 전압 강하를 무시하고 다음을 계산합니다. 1. 정류기의 DC 출력 전압 2. 부하 전류.

1. DC 출력 전압:

RMS(Root Mean Squared) 라인 전압은 127V입니다. 따라서 선간 피크 전압(V L-L(PEAK) )은 다음과 같습니다.

공급 장치가 3상이므로 모든 상의 상-중성 전압(V P-N )은 다음과 같습니다.

이것은 기본적으로 다음과 같이 말하는 것과 같습니다.

따라서 3상 전파정류기의 평균 DC 출력 전압은 다음과 같이 주어진다.

다시 말하지만, 주어진 선간 RMS 전압 값(예: 127V)에 대해 평균 DC 출력 전압은 다음과 같다고 정확하게 말하면 수학을 약간 줄일 수 있습니다.

2. 정류기 부하 전류.

정류기의 출력은 150Ω 저항 부하를 공급합니다. 그런 다음 옴 법칙을 사용하면 부하 전류는 다음과 같습니다.

제어되지 않는 3상 정류는 다이오드를 사용하여 입력 AC 전압 값에 상대적인 고정 값의 평균 출력 전압을 제공합니다. 그러나 정류기의 출력 전압을 변경하려면 제어되지 않는 다이오드 중 일부 또는 전체를 사이리스터로 교체하여 절반 제어 또는 완전 제어 브리지 정류기를 생성해야 합니다.

사이리스터는 3단자 반도체 장치이며, 양극-음극 단자 전압이 양일 때 적절한 트리거 펄스가 사이리스터 게이트 단자에 적용될 때 장치는 부하 전류를 전도하고 전달합니다.

따라서 트리거 펄스의 타이밍(점화 각도)을 지연함으로써 사이리스터가 일반 다이오드인 경우 자연스럽게 "ON"으로 전환되는 순간과 트리거 펄스가 적용될 때 전도가 시작되는 순간을 지연시킬 수 있습니다. .

따라서 다이오드 대신 사이리스터를 사용하는 제어된 3상 정류를 사용하면 사이리스터 쌍의 점화 각도를 제어하여 평균 DC 출력 전압 값을 제어할 수 있으므로 정류된 출력 전압은 점화 각도 α의 함수가 됩니다 . .

따라서 3상 브리지 정류기의 평균 출력 전압에 대해 위에 사용된 공식과의 유일한 차이점은 발사 또는 트리거링 펄스의 코사인 각도, cos(α) 입니다. 따라서 점화 각도가 0(cos(0) = 1)인 경우 제어 정류기는 이전의 3상 비제어 다이오드 정류기와 유사하게 작동하며 평균 출력 전압은 동일합니다.

완전히 제어되는 3상 브리지 정류기의 예는 다음과 같습니다.

완전 제어형 3상 브리지 정류기

3상 정류 요약

우리는 이 튜토리얼에서 정류가 정현파 전압 및 주파수의 입력 전원 공급 장치를 고정 전압 DC 전력으로 변환하므로 3상 정류가 3상 AC 공급 장치를 맥동 DC 전압으로 변환하는 프로세스라는 것을 확인했습니다. 따라서 전력 정류는 교류 공급을 단방향 공급으로 변경합니다.

그러나 위상당 하나의 다이오드를 사용하는 3상 반파 비제어 정류기는 부하에서 소스까지 회로를 닫으려면 네 번째 중성(N) 와이어로 스타 연결 공급 장치가 필요하다는 것도 확인했습니다. 위상당 2개의 다이오드를 사용하는 3상 전파 브리지 정류기에는 델타 연결 전원에서 제공되는 것과 같은 중성선 없이 단 3개의 주전원 라인만 필요합니다.

전파 브리지 정류기의 또 다른 장점은 부하 전류가 브리지 전체에 걸쳐 잘 균형을 이루어 효율성(공급된 입력 전력에 대한 출력 DC 전력의 비율)을 향상시키고 진폭과 주파수 모두에서 리플 내용을 줄이는 것입니다. 반파 구성.

브리지 구성 내의 위상과 다이오드 수를 늘리면 리플 진폭은 줄고 더 높은 평균 DC 출력 전압을 얻을 수 있습니다. 예를 들어 6위상 정류에서 각 다이오드는 사이클의 1/6 동안만 전도됩니다.

또한 다중 위상 정류기는 더 높은 리플 주파수를 생성하므로 용량성 필터링이 줄어들고 출력 전압이 훨씬 더 부드러워집니다. 따라서 6, 12, 15 및 24위상 비제어 정류기를 설계하여 다양한 애플리케이션에 대한 리플 요인을 개선할 수 있습니다.