第三章__變流器主電路參數(shù)計算和保護環(huán)節(jié)設計

1、第二章變流器主電路和保護環(huán)節(jié)設計直流調速系統(tǒng)根據(jù)其基本組成部分，可分為主電路和控制電路兩大部分。在系 統(tǒng)設計確定主電路的接線方式和系統(tǒng)的控制方案后，就應著手分別對主電路進行參 數(shù)計算和元件選擇，它是系統(tǒng)設計中極其重要的一環(huán)。主電路參數(shù)計算和元件選擇的具體內容是：整流變壓器額定參數(shù)計算、晶閘管整流元件（或功率晶體管）的選擇與聯(lián)結、晶閘管的保護、電抗器參數(shù)的計算。第一節(jié)整流變壓器額定參數(shù)的計算在一般情況下，晶閘管變流裝置所要求的交流供電電壓與電網(wǎng)供電電壓是不一 致的，并考慮盡可能減少電網(wǎng)和晶閘管裝置間的相互干擾，要求晶閘管主電路與電 網(wǎng)隔離，所以需配置整流變壓器。計算整流變壓器額定參數(shù)時，首先根據(jù)

2、整流電路的型式和負載所要求的整流電壓Ud取值過高，則晶閘管運行時的控制角:過大，會造成直流電壓諧波分量增大,功率因數(shù)變壞，無功功率增加；若U2選擇過低，則有可能在控制角為min時整流橋輸出的直流電壓 Ud仍達不到負載要求的額定值。整流變壓器參數(shù)的計算， 首先根據(jù)整流電路的型式和負載所要求的整流電壓 和整流電流1 d，計算二次電壓 U2、二次電流1 2和一次電流11，進而計算其一次、二次容量Si、S2及平均計算容量S。最后根據(jù)上述數(shù)據(jù)選用現(xiàn)有電力變壓器系列產品或自行設計。、二次側相電壓u2變壓器二次測相電壓 U 2的計算公式為U2U d max RI dn -U VI 2A ；(COS： min

3、 -CUk )I 2N在要求不太精確的情況下，U 2可由簡化式確定:U2 =（1.2 -1.5）Udmax/ A式中，Udmax為變流裝置的最大整流輸出電壓（ V）； R為整流變壓器內阻和平波電 抗器之和（0）; Id為電動機額定電流（A）； n也Uvt為主電路中電流經(jīng)過幾個串聯(lián) 晶閘管的正向壓降 （V ）; A為a =0時ud與U2之比，見表3-1;呂為電網(wǎng)波動系數(shù)， 通常取；=0.9 ；為最小控制角，一般可逆系統(tǒng)min =30 35，不可逆系統(tǒng):Smin =10 - 15 ； C 為線路接線方式系數(shù)， 見表3-1； uk為變壓器短路電壓比，100KV A以下uk =0.05，100 100

4、0KV A 取 Uk =0.05 0.08，1000KV A 以上 Uk=0.080.1 ； I2/I2N 為變壓器二次實際工作電流與二次額定電流之比。表3-1幾種整流線路變壓器電壓計算系統(tǒng)電路型式AC電路型式AC單相全波0.90.707三相半波1.170.866單相橋式0.90.707二相橋式2.340.5表3-2整流變壓器計算參數(shù)線路型式負載性質U d0U2IdT7S1UdldS2UdldSUdld單相半波電阻性負載0.450.6372.683.483.08電感性負載0.451.1411.111.571.34單相全波電阻性負載0.91.271.251.751.5電感性負載0.91.411.

5、111.571.34單相半控橋電阻性負載0.90.91.231.231.23電感性負載0.911.111.111.11單相全控橋電阻性負載0.90.91.231.231.23電感性負載0.911.111.111.11晶閘管在負載側的單相橋式電阻性負載0.90.91.231.231.23電感性負載0.911.111.111.11二相半波電阻性負載1.171.731.241.511.38電感性負載1.171.731.211.481.34三相半控橋電阻性負載2.341.221.951.051.05電感性負載2.341.221.051.051.05三相全控橋電阻性負載2.341.221.051.051

6、.05電感性負載2.341.221.051.051.05雙反星形電阻性負載1.173.401.051.511.28帶平衡電抗器電感性負載行7346佃1.481.26、二次測相電壓| 2和一次測相電壓I 1對不同型式的整流線路， 變壓器二次、一次電流有效值|2 . |1與負載電流I d的 關系見表3-2。如三相全控橋式電路有 |2 =0.816Id ,打=0.8161 d /K ;三相零式 電路，12 =0.577 ld，I = 0.471I d / K。K 為變壓器匝數(shù)比(K = N1 / N 2)。三、變壓器容量計算變壓器二次容量、一次容量、平均計算容量(視在容量)分別為S? m 2 U 2

7、12S = m1U 1111S(S1 S2)2式中，m1和m2為整流變壓器一次側、二次側的相數(shù)。例3-1 某晶閘管直流調速系統(tǒng)，其電動機的額定值為UN = 220V，I n =287A，Pn =55kW，采用三相全控橋式整流電路供電，電網(wǎng)電壓波動系數(shù)；=0.9，變壓器短路電壓比U k = 0.05，管壓降燈=1V , n = 2 , 12 /12N = 1，變壓器和平波電抗器的電阻不計。電網(wǎng)相電壓U r = 220V，試確定整流變壓器各額定參數(shù)。解：查表 3-1 得，A =2.34, C -0.5，: min = 30 , cos ： min 二 cos30 = 0.866，忽略R時有：U d

8、 max ' RId ' n = U VTU 2 '2I2A (COS： min -CUk I )1 2N220 2 1V -125V2.34 0.9 (0.866 -0.5 0.05 1)所以變壓器電壓比為：/U2 =220/125 =1.76二次側相電流：l2 = ld/1.22 = IN /1.22 =287A/1.22 ： 235A一次側相電流：I11匕：133.5A1.761.22二次容量：S2二 m2U 212 = 3 125 235VA : 88kVA一次容量：$m1U1I3 220 133.5VA 88kVA平均計算容量：1S =丄(0 S2) =88k

9、VA2由表3-2可直接求出變壓器的額定參數(shù)。第二節(jié)主電路器件的計算與選擇正確合理地選擇晶閘管元件是保證主電路可靠運行的重要條件之一。所謂正確合理地選擇元件，系指晶閘管元件額定電流（通態(tài)平均電流）和額定 電壓一定要考慮合適的電流儲備和電壓儲備系數(shù)，通常稱安全系數(shù)。從設計和使用 的經(jīng)驗來看，其安全系數(shù)應適當選大些，以保證系統(tǒng)工作可靠，特別是對某些生產 上的關鍵設備更應如此。一、整流元件的額定電壓 UtnUtn =(23)UTm式中，Utn為晶閘管元件的額定電壓（V）; UTm為晶閘管元件在電路中實際承 受的最大電壓（V）。對于不同型式整流電路的示于表3-3內，表中U2為整流變壓器二次側相電壓有效值

10、。二、整流元件額定電流|tnItn =（152）KJd式中，Itn為晶閘管的額定電流（A）； K巾為計算系數(shù)，示于表 3-3內；Id為 最大負載電流。表3-3整流元件的最大峰值電壓 u Tm和額定電流的計算系數(shù)K fb整流主電路單相半波單相雙半波單相橋式三相半波三相橋式帶平衡 電抗器 的雙反 星形U Tmv'2U 22逅U2V2u2V6u2V6u2v 6U 2Kfb電阻負載10.50.50.3740.3680.185(G =0 )電感負載0.450.450.450.3680.3680.184例3-2根據(jù)上例所給數(shù)據(jù)，確定晶閘管的電壓額定和電流額定。解：由例3-1知，變壓器二次側相電壓U

11、 2 = 125V ,負載最大電流I d =，I n =1.5 287 A = 430.5A，又查表 3-3 知，因此 U Tm = - 6U 2 - 306VK巾=0.368,因此Utn =(23)UTm =(2 3) 306V = 712 918VItn =(1.5 2) 0.308 430.5A = 237 316A取 Utn = 800V ， ITN = 300A，選擇 KP300-8 晶閘管 6 只。使用中還須注意的是，當周圍環(huán)境溫度超過40 C或元件的冷卻條件低于標準要求時，均應降低元件的額定值來使用。(三) GTR的選擇對于PWM變換器主電路大功率晶體管(GTR)的選擇，則需要根

12、據(jù)電動機的額定電壓和額定電流來選擇。晶體管的最大集電極電流應大于最大工作電流；晶體 管的耐壓應根據(jù)反向擊穿電壓來估算。工程實踐中，可按下式選擇晶體管的電流和 耐壓Icm -(1.52)'InU (BR)CEO - (2 3)U N式中，九為電動機允許過載倍數(shù)；|N、U N分別為電動機額定電流(A)、額定電壓 (V )。(四) 晶閘管和晶體管的串并聯(lián)運行1)在高電壓和大電流的場合，往往因為單個晶閘管的電壓和電流定額遠不能滿足要求，必須把晶閘管串聯(lián)或并聯(lián)起來使用，或者把晶閘管裝置成串聯(lián)或并聯(lián)起來 使用。晶閘管串聯(lián)、并聯(lián)應用時，均壓、均流是必須解決的兩個問題，其具體實施 方案和參數(shù)選擇，可查

13、閱有關資料，這里不再贅述。隨著晶閘管制造工藝的改進，元件的電壓等級和電流容量不斷提高，因此對中小功率的晶閘管整流裝置，采用元件串并聯(lián)的情況會逐步減少。在大功率設備中廣泛采用整流變壓器二次側繞組分組，分別對獨立的整流裝置供電，然后成組串聯(lián)或成組并聯(lián)，如圖3- 1a、b所示。整流組串聯(lián)可提高輸出電壓，且兩套裝置之間不存在均壓問題。整流組并聯(lián)可提高輸出電流，但一般需設置平衡 電抗器以實現(xiàn)均流。如變壓器漏抗合適可省去平衡電抗器。變壓器兩套二次側繞組通常分別以Y、D形式聯(lián)結，串聯(lián)后整流電壓波形每周期脈動12次，即為等效的12相整流電路。由于脈動頻率較高，故使整流電源質量大為提高，又可減小平波電抗器的體積

14、。2）由于GTR對過壓和敏感，故一般不宜進行串聯(lián)運行。GTR并聯(lián)運行時，應采取一定的均流措施。電流較小時，用接入發(fā)射極電阻的方法來均流較好；電流較a)b.)c3-1晶閘管裝置和晶體管的串聯(lián)與并聯(lián)a）晶閘管裝置成組串聯(lián)b）晶閘管裝置成組并聯(lián)c） GTR的并聯(lián)大的場合，可采用均流電抗。具體電路如圖 3-1c所示。另外，并聯(lián)應用時，應仔細匹配好并聯(lián)GTR的參數(shù)，并使并聯(lián)支路布線盡量對稱，每個GTR集電極和基極支 路中的電阻和電感應盡可能小而且一致。第三節(jié)主電路保護環(huán)節(jié)的設計與計算由于晶閘管承受過電壓和過電流的能力較差，所以短時間的過壓或過流就會造 成元件損壞。因此在系統(tǒng)主電路設計中，對晶閘管裝置的各

15、種保護措施及主要保護 環(huán)節(jié)的設計與計算，應予以足夠的重視。為使系統(tǒng)能長期可靠地運行，除了合理地 選擇晶閘管外，必須針對過電壓、過電流和電壓、電流上升率的發(fā)生原因采取恰當 的保護措施。一、過電壓保護電路中電感元件積累的能量驟然釋放或外界侵入電路的大量電荷累積產生過電 壓，對系統(tǒng)的安全運行構成危害。所以，過電壓保護的基本做法，是在電路中設置交矗賀整帆主電昂no圖3-2晶閘管裝置可能采用的幾種過電壓保護情況A 避雷針 B接地電容 C阻容保護 D整流式阻容保護E硒堆保護F壓敏電阻 G用晶閘管作過壓保護 H器件側阻容保護吸收能量的保護元件，使能量得以釋放，以保證晶閘管裝置的可靠工作。根據(jù)晶閘管裝置產生過

16、電壓部位的不同，過電壓保護分為交流側保護、直流側 保護和元件換相保護，見圖3-2。實用時，可根據(jù)具體情況，選擇其中幾種。1 .交流側過電壓保護b)Rcib圖3-3阻容保護的接法a）單相 b）三相變壓器二次測 Y聯(lián)結，阻容Y聯(lián)結c）三相變壓器二次測Y聯(lián)結，阻容D聯(lián)結d）三相整流式阻容保護的接法（1）阻容保護阻容保護是在整流變壓器二次側并聯(lián)電阻和電容，其接線方式見圖3-3，計算單相變壓器交流側過電壓保護電容C和電阻R的公式為22C - 6i f %式中，S為單相變壓器的平均計算容量 （V A） ; u 2為變壓器二次相電壓有效值（V）；if %為變壓器勵磁電流百分比，101000kV A的變壓器，

17、對應的if % -10 4 ；Uk%為變壓器的短路電壓百分比，10 1000kV A的變壓器，對應的Uk% =510; C為電容（F） ; R為電阻（）。電容C的耐壓大于或等于1.5U C。電阻功率：Pr3（34）lCRlc _2-：fCUC 10上式中，Uc、Ic為RC正常工作時電壓、電流有效值；f為電源頻率。以上計算公式是根據(jù)條件推導出來的。對于三相電路，如變壓器二次側與阻容 吸收電路接法一致，則上述公式完全適用。如兩者接法不同時，則可先按接法一致 計算，然后把阻容電路進行 Y-D變換，變換公式為Rd - 3Ry , Cd - Cy采用阻容保護后，若電容量增大，有利于吸收過電壓和限制du/

18、dt上升率，但電容量過大，不僅電容器體積很大，且增加了電阻的損耗，使電阻體積加大，而且 電容量增大也使得晶閘管導通時di/dt增大，對元件不利。電阻值增大，有利于抑制振蕩，但若電阻值選得過大，則影響抑制過電壓效果，一般電阻值應選得偏小些， 而Pr值選得偏大些以減少發(fā)熱。阻容D聯(lián)結時，電容值小，但耐壓要求高；Y聯(lián)結時，電容值大，但耐壓要求低，實際應用時可根據(jù)阻容元件的情況決定采用D或Y聯(lián)結。對于大容量的晶閘管裝置，通常采用圖3-3d所示的整流接法的阻容裝置。這種保護接法，雖然多了一個整流橋，但只用一個電容，且電容C只承受直流電壓，可采用體積小、電容量大電解電容器，可以顯著減小保護裝置的體積，其R

19、、C參數(shù)可 參閱有關資料。（2）非線性電阻保護1）硒堆保護的具體接法見圖3-4。硒堆由硒整流片串聯(lián)而成，單相時用兩組對接后再與電源并聯(lián)，三相時用三相對接成Y形，或用六組接成 D形。圖3-4硒堆保護的接線a）單相b）三相Y聯(lián)結c）三相D聯(lián)結每組串聯(lián)的硒片數(shù)為Ubr式中，U2|為正常工作時線電壓有效值（V）； Ubr為每片硒片的擊穿電壓，與硒片的型號有關，一般為 3050V。選擇硒片面積 A的經(jīng)驗公式為：A_3.9if %l2l（mm2）式中，if %為變壓器勵磁電流百分比；12i為變壓器二次線電流有效值（A）硒片的面積有 40 x 40mrrr 60 x 60mrri 100 x 100mrn等

20、規(guī)格。2）壓敏電阻保護。壓敏電阻是一種新型的保護元件，它常用于交、直流側的過電壓保護。其保護線路如圖3-5所示。圖3-5壓敏電阻保護的接法a）單相 b）三相Y聯(lián)結c）三相D聯(lián)結壓敏電阻選用主要考慮額定電壓和通流容量，壓敏電阻額定電壓的選取通常可按下式計算U 1 mA（壓敏電阻承受的額定（0.8 0.9）電壓峰值）圖3-6直流側過電壓保護線路圖3-7晶閘管換相過電壓保護的額定電壓有：100, 220, 440, 760,4, 5KA等。式中，；為電網(wǎng)電壓升高系數(shù)，一般?。?1.051.10 ;（0.80.9）為考慮參數(shù)U1mA下降10%而通過壓敏電阻的漏電流仍保持在1mA以下，以及考慮整流裝置允

21、許過電 壓的系數(shù)。壓敏電阻通流容量可根據(jù)整流變壓器的空載勵磁能量，來選擇吸收沖擊能量相當?shù)膲好綦娮?。VYJ型浪涌吸收器（壓敏電阻）1000V等。通流容量有： 0.5，1，1.5，2，3,2 直流側過電壓保護直流側過電壓保護接線方式見圖3-6。直流側與交流側過電壓保護方法相同，元件選擇原則也相同。實際中采用壓敏電阻保護較為合理。3 .元件換相保護為防止在換相過程中，被關斷的晶閘管出現(xiàn)反向過壓，而導致反向擊穿。通常 在晶閘管元件兩端并聯(lián) RC阻容吸收電路，見圖3-7。阻容電路參數(shù)可按表 3-4選取, 電容的耐壓一般選取晶閘管實際承受最大電壓的1.11.5倍。電阻功率選擇：PR = 1.75 fCU

22、 T2m 10 "（W）表3-4晶閘管阻容電路經(jīng)驗數(shù)據(jù)晶閘管額定電流（A）1000500200100502010電容（吁）210.50.250.20.150.1電阻（0）2510204080式中，f為50Hz; UTm為晶閘管工作峰值電壓（V）; C為與電阻串聯(lián)的電容量（呻）。二、過電流保護對于晶閘管整流裝置，過電流保護設計是很重要的。如果短路或過電流數(shù)值過 大，而切斷的時間稍慢，就會造成晶閘管的損壞。所以過電流保護措施在系統(tǒng)中是 必不可少的。過電流保護措施有如圖2-18所示數(shù)種。下面就幾種主要保護措施的適用范圍和元件的選擇加以說明。1）流進線中串聯(lián)電抗器（圖 3-8中的A）或采用漏

23、抗較大的變壓器以限制短路 電流，但此種方法在有負載時有較大的壓降。2）利用交流側電流檢測環(huán)節(jié)（圖 3-8中B）所得過電流信號送入電流調節(jié)器， 控制觸發(fā)脈沖快速后移，從而使晶閘管迅速阻斷，達到抑制過電流的目的。3）交流側經(jīng)電流互感器接入過電流繼電器或直流側接入過電流繼電器（圖3-8中是B和F）,過電流時繼電器動作，跳開交流接觸器或輸入端的自動開關。這種方法只有在短路電流不大時才能起到保護作用。交流側整流主回路直流側圖3-8晶閘管裝置可能采用的幾種過電流保護措施A-進線電抗器限流B-電流檢測和過流繼電器C-交流側快速熔斷器D-元件串聯(lián)快速熔斷器E-直流側快速熔斷器F-過流繼電器G-直流快速開關4）

24、對大、中容量設備，以及經(jīng)常逆變的場合，采用直流快速開關作直流側過載和適中保護。快速開關的開關機構動作時間只有2ms,完全分斷電弧的時間也不過2530ms,它是目前較好的過流保護裝置。在晶閘管直流調速中，可按電動機額定 電流選用。5）快速熔斷器是最簡單有效的短路保護元件，是防止晶閘管損壞的最后一道 防線。快速熔斷器的接法有安裝在交流側、與元件串聯(lián)、安裝在直流側三種，見圖3-9。圖3-9快速熔斷器的接法a）交流側快速熔斷器b）與器件串聯(lián)快速熔斷器c）直流側快速熔斷器交流側快速熔斷器能夠對元件短路和直流側短路起保護作用，但它對晶閘管元件的保護作用較差。直流側快速熔斷器僅能對直流側短路與過載起保護作用

25、。與元 件串聯(lián)快速熔斷器，由于兩者電流相同，故元件保護作用最好，應用極為廣泛。對 中、小容量系統(tǒng)。一般只采用此種接法。還應注意，各種過流保護的動作順序應該是：電流調節(jié)器限流（觸發(fā)脈沖后移） T過流繼電器動作跳開關T直流快速開關動作T快速熔斷器熔斷。選配與元件串聯(lián)的快速熔斷器，其熔體的額定電流In 一般按下式選擇 57 I tn - 1 N -1 Tm ,式中，I TN為晶閘管的額定電流；In為熔體的額定電流；I Tm 為實際流過晶閘管的最大電流有效值。中、小容量系統(tǒng)中，常選用In = Itn。目前生產的快速熔斷器產品主要有 RSO、RS3（匯流排式）與小容量的RLS （螺 旋式）。RLS額定電

26、流為 3100A，額定電壓為 500V。RSO、RS3額定電流為10 450A，額定電壓為 250, 500, 750, 1000V。（三）電壓和電流上升率的限制系統(tǒng)設計要求把作用于晶閘管的正向電壓上升率du.dt限制到晶閘管斷態(tài)電壓臨界上升率以下， 上升率didt限制到通態(tài)電流臨界上升率以下。對du dt和di dt的限制措施是串橋臂電抗器以是空心電抗器、 鐵心電抗器。采用空心電抗器時 L的電感臂電抗器應大于或等于2030H，采用鐵心電抗器時，電感值可再3-3d所示,大一些。其接線方法如圖3-10所示。阻容吸收裝置采用整流式接法，如 對限制ddt也有好處。還須特別指出的是，對于應用晶閘管裝置

27、所引起的功率因數(shù)惡化、高次諧波電 流使得電網(wǎng)波形畸變等電力公害，除從電網(wǎng)方面采取補償措施外，還應注意從晶閘 管裝置本身采取措施，以將其抑制在容許范圍內。限于篇幅，關于改善功率因數(shù)、 防止諧波危害的具體措施，讀者可查閱有知文獻資料。第四節(jié)電抗器參數(shù)計算與選擇在晶閘管變流裝置供電的直流調速系統(tǒng)中，常在直流側串有帶空氣隙的鐵心電抗器，使輸出電流連續(xù)、限制電流脈動，并抑制環(huán)流，以提高裝置對負載供電的性 能和提高運行的安全可靠性。下面分別討論三種電抗器的電感量計算。一、 使輸出電流連續(xù)的臨界電感量Lcr對晶閘管直流調速系統(tǒng)，當負載電流較小，會出現(xiàn)電流斷續(xù)的現(xiàn)象，使電動機的機械特性變軟，影響系統(tǒng)的靜、動態(tài)性能。電動機電樞電感一般較小，不能滿足電流連續(xù)的要求，故必須在晶閘管輸出電路中串入電抗器，其臨界電感量Lcr計算公式為：U 2Lcr = Ker -（mH）1 d m in式中，U2為晶閘管裝置交流側電源相電壓有效值（ V）； Idnm為要