第8-晶閘管主電路的參數(shù)計算及保護

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行的前提下，降低成本，獲得較好的技術經(jīng)濟指標。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)計算及選用原則如下：

（1）計算每個支路中晶閘管元件實際承受的正、反向工作峰值電壓。

（2）計算每個支路中晶閘管元件實際流過的電流有效值和平均值。

（3）根據(jù)整流裝置的用途、結構、使用場合及特殊要求等確定電壓和電流的儲備系數(shù)。

（4）根據(jù)各元件的制造廠家提供的元件參數(shù)水平并綜合技術經(jīng)濟指標選用晶閘管元件。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際承受的最大電壓Um，考慮到電網(wǎng)電壓的波動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）的關系，當α=0°時為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對非標準負載等級，根據(jù)一般晶閘管元件的熱時間常數(shù)，通常取負載循環(huán)中熱沖擊最嚴重的15min內的有效值作為直流電流的額定值。即8第二節(jié)晶閘管過電壓保護與一般半導體元件相同，晶閘管元件的主要弱點是過電壓過電流的承受能力差。當施加在元件兩端的電壓超過其正向轉折或反向擊穿電壓時，即使時間很短也會導致元件損壞，或使元件發(fā)生不應有的轉折導通，造成事故或元件性能降低，留下隱患。過電壓保護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引起的過電壓。主要有下列幾種。1.雷擊過電壓2.靜電感應過電壓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引起的過電壓（換相過電壓）。10圖8.1降壓變壓器網(wǎng)側合閘過電壓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)用電設備分閘時產(chǎn)生過電壓13二、過電壓的保護正常工作時，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)的過電壓均不應超過元件的不重復峰值電壓Udsm，而任何周期性出現(xiàn)的過電壓則應小于元件的重復峰值電壓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用儲能元件吸收過電壓的能量。若以過電壓保護裝設的部位來分，有交流側保護，直流側保護和元器件保護3種。15圖8.4晶閘管內部載流子積蓄效應產(chǎn)生過電壓161.交流側過電壓的保護（1）避雷器用以保護大氣雷擊所產(chǎn)生的過電壓，如圖8.5所示。主要保護變壓器。因此種過電壓能量較大，持續(xù)時間也較長，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措施18（2）RC過電壓抑制電路通常是在變壓器次級（元件側）并聯(lián)RC電路，以吸收變壓器鐵心的磁場釋放的能量，并把它轉換為電容器的電場能而儲存起來。19圖8.6阻容過電壓保護電路的接法20單相整流電路RC參數(shù)的計算公式為電容Ca

的耐壓電阻Ra的功率為212223這雖然多了一個三相整流橋，但是只用一個電容器，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發(fā)生雷擊或

從電網(wǎng)侵入更高的浪涌電壓時，僅用阻容保護是不

夠的，此時過電壓仍可能超過元件的允許值。所以

必須同時設置非線性元件保護。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。當超過其轉折電壓時，反向電流增加很快，可消耗很大的瞬時功率，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為計算硒片面積S的經(jīng)驗公式為27圖8.8硒堆保護的聯(lián)結方法28②金屬氧化物壓敏電阻這是由氧化鋅，氧化鉍等燒結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，損耗很小，過電壓時（擊穿后）則能通過高達數(shù)千安的浪涌電流，所以抑制過電流能力很強。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接線方法31壓敏電阻的參數(shù)計算與選用方法：

額定電壓U1mA的選取可按下式計算。在交流情況下：在直流情況下：322.直流側的過電壓保護整流器直流側開斷時，如直流側快速開關斷開或橋臂快熔熔斷等情況，也會在A、B之間產(chǎn)生過電壓，如圖8.11所示。33圖8.11直流側快速開關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保護相同。36圖8.13換相過電壓保護電路37（2）用晶閘管泄能。如圖8.12（b）、（c）所示。圖8.12（b）中應用轉折二極管BOD，當A、B間直流過電壓超過BOD的轉折電壓時，BOD立即導通并對電容器C充電，當C充電電壓達到VT觸發(fā)電平時，VT導通，過電壓能量通過R1，VT泄放，以達到抑制過電壓的目的。383.晶閘管換相過電壓的保護晶閘管換相過電壓的保護，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）計算39電容C的耐壓應大于正常工作時晶閘管兩端電壓的峰值的1.5倍。電阻R一般取R=10～30Ω，對于整流管取下限值，對于晶閘管取上限值。其功率應滿足40實際應用中，RC的值可按經(jīng)驗數(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)機械發(fā)生過載或堵轉等。一、過電流保護42晶閘管變流裝置可能采用的過流保護措施及其動作時間如圖8.14所示。可按實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措施及其動作時間43下面，就圖8.14中的過電流保護措施的適用范圍，相互協(xié)調及元件選擇作簡要說明。1.交流斷路器2.進線電抗器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7.快速熔斷器4445表8.6快速熔斷器時間/電流特性46表8.7熔斷器的接入方式與特點47表8.8整流電路形式與系數(shù)Kc的關系表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應按它所保護的元件實際流過的電流IR（方均根值）來選擇，而不是根據(jù)元件的標稱額定電流ITAV值來確定。一般可按下式計算49在確定快熔額定電流時要注意兩點情況：①在同一整流臂中若有多個元件并聯(lián)時，要考慮電流不均衡系數(shù)，快熔應按在支路中流過最大可能電流的條件來選擇。②要考慮整流柜內的環(huán)境溫度，一般要比柜外為高，有時可相差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元件，要求快熔的（I2t）R值在任何情況下都應小于元件的I2TSMt值。其關系為51二、電流上升率di／dt的限制晶閘管在導通的初瞬，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，然后隨著時間的增長才逐漸擴大到整個陰極面。此過程約需幾微秒到幾十微秒。若導通時電流上升率di／dt太大，會引起門極附近過熱，導致PN結擊穿使元件損壞。因此必須把di／dt限制在最大允許的范圍內。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算。圖中，設已觸發(fā)VT2

而VT1

尚未關斷。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

結面相當于一個結電容，當加到晶閘管上的正向電壓上升率過大時，會使流過J2

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

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

LT

近似按下式計算2.晶閘管換相時產(chǎn)生的du／dt57第四節(jié)晶閘管串并聯(lián)運行在電力電子設備中，當一個臂的電壓及電流大于單只晶閘管所允許的電壓及電流時，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，開通時間，恢復電荷等方面的分散性，影響它們直接串并聯(lián)時電壓及電流的均衡。為使其實現(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正向導通狀態(tài)；④反向導通；⑤關斷過程（阻斷能力恢復過程）；⑥反向阻斷狀態(tài)。上述各種工作狀態(tài)中，除正（反）向導通狀態(tài)因正向壓降很小不存在均壓問題外，由于晶閘管參數(shù)的分散性，即使同一規(guī)格型號的元件，其正（反）向伏安特性也各不相同，這就造成了靜態(tài)均壓問題。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，因而在各個晶閘管上會有不同的電壓分配，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、動態(tài)場壓61RP

中的電流應大于串聯(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．動態(tài)均壓由于晶閘管的結電容，開通與關斷時間，觸發(fā)特性以及反向恢復電荷等存在著差異。因而在開通和關斷過程中會出現(xiàn)瞬態(tài)電壓分配不均衡。如當關斷晶閘管時，先關斷的元件在關斷瞬間，承受全部換相的反向電壓，可能導致元件反向擊穿損壞。6364３.晶閘管串聯(lián)時對觸發(fā)電路的要求為了減小元件開通時間的差異，要求觸發(fā)脈沖前沿要陡，脈沖電流要大（強觸發(fā)）。

此外，由于串聯(lián)晶閘管的各個陰極所處的電位不同，當串聯(lián)晶閘管數(shù)較多時，串聯(lián)臂兩端的晶閘管的門極電位差異較大，故各個元件觸發(fā)電路的末級之間必須有足夠的絕緣強度。通常用具有兩個65二、晶閘管的并聯(lián)當晶閘管的額定電流小于電路實際要求的電流時，則可采用多個規(guī)格型號相同的元件相并聯(lián)。由于晶閘管正向伏安特性、導通時間等的差異，會造成靜態(tài)及動態(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