第8-晶閘管主電路的參數(shù)計(jì)算及保護(hù)

1第一節(jié)晶閘管電壓電流參數(shù)的選擇合理地選擇晶閘管，就是在保證晶閘管裝置可靠運(yùn)行的前提下，降低成本，獲得較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。在采用普通型（KP型）晶閘管的整流電路中，主要是正確地選擇晶閘管的額定電壓與額定電流參數(shù)。2一般，晶閘管的參數(shù)計(jì)算及選用原則如下：

（1）計(jì)算每個(gè)支路中晶閘管元件實(shí)際承受的正、反向工作峰值電壓。

（2）計(jì)算每個(gè)支路中晶閘管元件實(shí)際流過的電流有效值和平均值。

（3）根據(jù)整流裝置的用途、結(jié)構(gòu)、使用場(chǎng)合及特殊要求等確定電壓和電流的儲(chǔ)備系數(shù)。

（4）根據(jù)各元件的制造廠家提供的元件參數(shù)水平并綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)選用晶閘管元件。3一、晶閘管額定電壓UTe的選擇晶閘管額定電壓必須大于元件在電路中實(shí)際承受的最大電壓Um，考慮到電網(wǎng)電壓的波動(dòng)和操作過電壓等因素，還要放寬2～3倍的安全系數(shù)。即按下式選取45二、晶閘管額定（通態(tài)）平均電流IT（AV）的選擇為使晶閘管元件不因過熱而損壞，需要按電流的有效值來計(jì)算其電流額定值。即必須使元件的額定電流有效值大于流過元件實(shí)際電流的最大有效值。由第一章知，晶閘管流過正弦半波電流的有效值I和額定值（通態(tài)平均電流）IT（AV）的關(guān)系，當(dāng)α=0°時(shí)為6考慮（1.5～2）倍的電流有效值安全系數(shù)后，式（8.2）可以寫為：7對(duì)非標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載等級(jí)，根據(jù)一般晶閘管元件的熱時(shí)間常數(shù)，通常取負(fù)載循環(huán)中熱沖擊最嚴(yán)重的15min內(nèi)的有效值作為直流電流的額定值。即8第二節(jié)晶閘管過電壓保護(hù)與一般半導(dǎo)體元件相同，晶閘管元件的主要弱點(diǎn)是過電壓過電流的承受能力差。當(dāng)施加在元件兩端的電壓超過其正向轉(zhuǎn)折或反向擊穿電壓時(shí)，即使時(shí)間很短也會(huì)導(dǎo)致元件損壞，或使元件發(fā)生不應(yīng)有的轉(zhuǎn)折導(dǎo)通，造成事故或元件性能降低，留下隱患。過電壓保護(hù)的目的是使元件在任何情況下不致受到超過元件所能承受的電壓的侵害。因此必須采取有效措施消除和抑制可能產(chǎn)生的各種過電壓。9一、產(chǎn)生過電壓的原因整流器中產(chǎn)生過電壓的原因有外因過電壓和內(nèi)因過電壓兩種。前者主要來自系統(tǒng)中的通斷過程和雷擊，后者則主要由于晶閘管元件的周期通斷（換相）過程，即晶閘管載流子積蓄效應(yīng)引起的過電壓。主要有下列幾種。1.雷擊過電壓2.靜電感應(yīng)過電壓3.切斷電感回路電流所造成的過電壓4.晶閘管載流子積蓄效應(yīng)引起的過電壓（換相過電壓）。10圖8.1降壓變壓器網(wǎng)側(cè)合閘過電壓11圖8.2切斷電感回路電流產(chǎn)生過電壓12圖8.3其他并聯(lián)用電設(shè)備分閘時(shí)產(chǎn)生過電壓13二、過電壓的保護(hù)正常工作時(shí)，晶閘管承受的最大峰值電壓Um如表8.1所示。超過此峰值電壓的就算過電壓。在整流裝置中，任何偶然出現(xiàn)的過電壓均不應(yīng)超過元件的不重復(fù)峰值電壓Udsm，而任何周期性出現(xiàn)的過電壓則應(yīng)小于元件的重復(fù)峰值電壓Ursm。14抑制暫態(tài)過電壓的方法一般有3種：①用電阻消耗過電壓的能量；②用非線性元件限制過電壓的幅值；

③用儲(chǔ)能元件吸收過電壓的能量。若以過電壓保護(hù)裝設(shè)的部位來分，有交流側(cè)保護(hù)，直流側(cè)保護(hù)和元器件保護(hù)3種。15圖8.4晶閘管內(nèi)部載流子積蓄效應(yīng)產(chǎn)生過電壓161.交流側(cè)過電壓的保護(hù)（1）避雷器用以保護(hù)大氣雷擊所產(chǎn)生的過電壓，如圖8.5所示。主要保護(hù)變壓器。因此種過電壓能量較大，持續(xù)時(shí)間也較長(zhǎng)，一般采用閥型避雷器。17圖8.5晶閘管裝置可能采取的各種過電壓保護(hù)措施18（2）RC過電壓抑制電路通常是在變壓器次級(jí)（元件側(cè)）并聯(lián)RC電路，以吸收變壓器鐵心的磁場(chǎng)釋放的能量，并把它轉(zhuǎn)換為電容器的電場(chǎng)能而儲(chǔ)存起來。19圖8.6阻容過電壓保護(hù)電路的接法20單相整流電路RC參數(shù)的計(jì)算公式為電容Ca

的耐壓電阻Ra的功率為212223這雖然多了一個(gè)三相整流橋，但是只用一個(gè)電容器，且因只承受直流電壓而可用體積小、容量大的電解電容，從而減小RC電路的體積。整流式RC電路的接線方式及計(jì)算公式如表8.3所示。24圖8.7硒片的伏安特性25（3）用非線性元件抑制過電壓當(dāng)發(fā)生雷擊或

從電網(wǎng)侵入更高的浪涌電壓時(shí)，僅用阻容保護(hù)是不

夠的，此時(shí)過電壓仍可能超過元件的允許值。所以

必須同時(shí)設(shè)置非線性元件保護(hù)。非線性元件有與穩(wěn)

壓管相近似的伏安特性，可以把浪涌過電壓抑制在

晶閘管元件允許的范圍。26①硒堆若干個(gè)硒整流片串聯(lián)組成硒堆。硒片的伏安特性如圖8.7所示。它具有較陡的反向非線性特性。當(dāng)超過其轉(zhuǎn)折電壓時(shí)，反向電流增加很快，可消耗很大的瞬時(shí)功率，使過電壓被限制在其反向擊穿電壓。每片硒片的額定反向電壓有效值UR

約為20～30V。每堆的片數(shù)n為計(jì)算硒片面積S的經(jīng)驗(yàn)公式為27圖8.8硒堆保護(hù)的聯(lián)結(jié)方法28②金屬氧化物壓敏電阻這是由氧化鋅，氧化鉍等燒結(jié)制成的非線性電阻元件。其伏安特性如圖8.9所示。由于它具有正反向相同的很陡的伏安特性，擊穿前漏電流為微安數(shù)量級(jí)，損耗很小，過電壓時(shí)（擊穿后）則能通過高達(dá)數(shù)千安的浪涌電流，所以抑制過電流能力很強(qiáng)。29圖8.9壓敏電阻的理想伏安特性30圖8.10壓敏電阻過電壓保護(hù)接線方法31壓敏電阻的參數(shù)計(jì)算與選用方法：

額定電壓U1mA的選取可按下式計(jì)算。在交流情況下：在直流情況下：322.直流側(cè)的過電壓保護(hù)整流器直流側(cè)開斷時(shí)，如直流側(cè)快速開關(guān)斷開或橋臂快熔熔斷等情況，也會(huì)在A、B之間產(chǎn)生過電壓，如圖8.11所示。33圖8.11直流側(cè)快速開關(guān)跳角或快熔熔斷引起的過電壓34圖8.12用非線性元件抑制直流側(cè)過電壓35（1）在A、B之間接入壓敏電阻或硒堆，如圖8.12（a），其參數(shù)選擇的原則與交流側(cè)保護(hù)相同。36圖8.13換相過電壓保護(hù)電路37（2）用晶閘管泄能。如圖8.12（b）、（c）所示。圖8.12（b）中應(yīng)用轉(zhuǎn)折二極管BOD，當(dāng)A、B間直流過電壓超過BOD的轉(zhuǎn)折電壓時(shí)，BOD立即導(dǎo)通并對(duì)電容器C充電，當(dāng)C充電電壓達(dá)到VT觸發(fā)電平時(shí)，VT導(dǎo)通，過電壓能量通過R1，VT泄放，以達(dá)到抑制過電壓的目的。383.晶閘管換相過電壓的保護(hù)晶閘管換相過電壓的保護(hù)，通常是在晶閘管元件兩端并聯(lián)RC電路，如圖8.13所示。電容C的選擇可按式（8.14）計(jì)算39電容C的耐壓應(yīng)大于正常工作時(shí)晶閘管兩端電壓的峰值的1.5倍。電阻R一般取R=10～30Ω，對(duì)于整流管取下限值，對(duì)于晶閘管取上限值。其功率應(yīng)滿足40實(shí)際應(yīng)用中，RC的值可按經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)選取，如表8.4所示。41第三節(jié)晶閘管過電流保護(hù)及電流上升率、電壓上升率的限制變流裝置發(fā)生過電流的原因歸納起來有如下幾方面：

（1）外部短路如直流輸出端發(fā)生短路。

（2）內(nèi)部短路如整流橋主臂中某一元件被擊穿而發(fā)生的短路。

（3）可逆系統(tǒng)中產(chǎn)生換流失敗和環(huán)流過大。

（4）生產(chǎn)機(jī)械發(fā)生過載或堵轉(zhuǎn)等。一、過電流保護(hù)42晶閘管變流裝置可能采用的過流保護(hù)措施及其動(dòng)作時(shí)間如圖8.14所示?？砂磳?shí)際需要選擇其中一種或數(shù)種。圖8.14晶閘管裝置過電流保護(hù)措施及其動(dòng)作時(shí)間43下面，就圖8.14中的過電流保護(hù)措施的適用范圍，相互協(xié)調(diào)及元件選擇作簡(jiǎn)要說明。1.交流斷路器2.進(jìn)線電抗器3.靈敏過電流繼電器4.短路器5.電流反饋控制電路6.直流快速開關(guān)7.快速熔斷器4445表8.6快速熔斷器時(shí)間/電流特性46表8.7熔斷器的接入方式與特點(diǎn)47表8.8整流電路形式與系數(shù)Kc的關(guān)系表48快熔的選用原則如下：

①額定電壓的選擇快熔的額定電壓URN不小于線路正常工作電壓的方均根值。

②額定電流的選擇快熔的額定電流IRN應(yīng)按它所保護(hù)的元件實(shí)際流過的電流IR（方均根值）來選擇，而不是根據(jù)元件的標(biāo)稱額定電流ITAV值來確定。一般可按下式計(jì)算49在確定快熔額定電流時(shí)要注意兩點(diǎn)情況：①在同一整流臂中若有多個(gè)元件并聯(lián)時(shí)，要考慮電流不均衡系數(shù)，快熔應(yīng)按在支路中流過最大可能電流的條件來選擇。②要考慮整流柜內(nèi)的環(huán)境溫度，一般要比柜外為高，有時(shí)可相差10°C。50③I2t值的核算：快熔有一定的允許通過的能量I2t值，元件也具有承受一定I2t值的能力。為了使快熔能可靠地保護(hù)元件，要求快熔的（I2t）R值在任何情況下都應(yīng)小于元件的I2TSMt值。其關(guān)系為51二、電流上升率di／dt的限制晶閘管在導(dǎo)通的初瞬，電流主要集中在靠近門極的陰極表面較小的區(qū)域，局部電流密度很大，然后隨著時(shí)間的增長(zhǎng)才逐漸擴(kuò)大到整個(gè)陰極面。此過程約需幾微秒到幾十微秒。若導(dǎo)通時(shí)電流上升率di／dt太大，會(huì)引起門極附近過熱，導(dǎo)致PN結(jié)擊穿使元件損壞。因此必須把di／dt限制在最大允許的范圍內(nèi)。52如圖8.16所示。通常，限制di／dt的措施主要有：1.在晶閘管陽極回路串入電感Ls。圖8.16產(chǎn)生di／dt的情況及抑制措施53Ls的數(shù)值可用圖8.17所示的換相過程等效電路來計(jì)算。圖中，設(shè)已觸發(fā)VT2

而VT1

尚未關(guān)斷。u為交流電源線電壓。由圖8.17可得圖8.17換相等效電路54三、電壓上升率du／dt的限制處在阻斷狀態(tài)下晶閘管的J2

結(jié)面相當(dāng)于一個(gè)結(jié)電容，當(dāng)加到晶閘管上的正向電壓上升率過大時(shí)，會(huì)使流過J2

結(jié)面的充電電流過大，起了觸發(fā)電流的作用，造成晶閘管誤導(dǎo)通。55圖8.18串入進(jìn)線電感LT

限制du／dt56產(chǎn)生du／dt過大的原因及其限制措施如下：1.交流側(cè)產(chǎn)生的du／dt進(jìn)線電感

LT

近似按下式計(jì)算2.晶閘管換相時(shí)產(chǎn)生的du／dt57第四節(jié)晶閘管串并聯(lián)運(yùn)行在電力電子設(shè)備中，當(dāng)一個(gè)臂的電壓及電流大于單只晶閘管所允許的電壓及電流時(shí)，就需要用兩只或數(shù)只元件作串并聯(lián)連接。由于晶閘管的伏安特性，開通時(shí)間，恢復(fù)電荷等方面的分散性，影響它們直接串并聯(lián)時(shí)電壓及電流的均衡。為使其實(shí)現(xiàn)電壓電流的均衡，就需要在元件特性的選配，門極觸發(fā)脈沖，均壓均流電路等方面采取相應(yīng)措施。58一、晶閘管的串聯(lián)晶閘管的工作狀態(tài)可分為：①正向阻斷狀態(tài)；②開通過程；③正向?qū)顟B(tài)；④反向?qū)ǎ虎蓐P(guān)斷過程（阻斷能力恢復(fù)過程）；⑥反向阻斷狀態(tài)。上述各種工作狀態(tài)中，除正（反）向?qū)顟B(tài)因正向壓降很小不存在均壓?jiǎn)栴}外，由于晶閘管參數(shù)的分散性，即使同一規(guī)格型號(hào)的元件，其正（反）向伏安特性也各不相同，這就造成了靜態(tài)均壓?jiǎn)栴}。591.靜態(tài)均壓

由于串聯(lián)晶閘管的正（反）向阻斷特性不同，但流過的漏電流都相同，因而在各個(gè)晶閘管上會(huì)有不同的電壓分配，如圖8.19（a）所示。60圖8.19串聯(lián)晶閘管的正向伏安特性及靜、動(dòng)態(tài)場(chǎng)壓61RP

中的電流應(yīng)大于串聯(lián)元件的漏電流I0，RP

的值可由下式確定均壓電阻RP

的功率PRP為62２．動(dòng)態(tài)均壓由于晶閘管的結(jié)電容，開通與關(guān)斷時(shí)間，觸發(fā)特性以及反向恢復(fù)電荷等存在著差異。因而在開通和關(guān)斷過程中會(huì)出現(xiàn)瞬態(tài)電壓分配不均衡。如當(dāng)關(guān)斷晶閘管時(shí)，先關(guān)斷的元件在關(guān)斷瞬間，承受全部換相的反向電壓，可能導(dǎo)致元件反向擊穿損壞。6364３.晶閘管串聯(lián)時(shí)對(duì)觸發(fā)電路的要求為了減小元件開通時(shí)間的差異，要求觸發(fā)脈沖前沿要陡，脈沖電流要大（強(qiáng)觸發(fā)）。

此外，由于串聯(lián)晶閘管的各個(gè)陰極所處的電位不同，當(dāng)串聯(lián)晶閘管數(shù)較多時(shí)，串聯(lián)臂兩端的晶閘管的門極電位差異較大，故各個(gè)元件觸發(fā)電路的末級(jí)之間必須有足夠的絕緣強(qiáng)度。通常用具有兩個(gè)65二、晶閘管的并聯(lián)當(dāng)晶閘管的額定電流小于電路實(shí)際要求的電流時(shí)，則可采用多個(gè)規(guī)格型號(hào)相同的元件相并聯(lián)。由于晶閘管正向伏安特性、導(dǎo)通時(shí)間等的差異，會(huì)造成靜態(tài)及動(dòng)態(tài)電流分配的不均衡及開通過程中電流上升率的不同，如圖8.20所示。故必須采取均流措施。66圖8.20晶閘管通態(tài)V—A特性及開通時(shí)間造成的電流不均衡671.串聯(lián)電阻器均流2.串聯(lián)電抗器均流電感LS

可按下