变流器主电路参数计算和保护环节设计

1、第三章 变流器主电路和保护环节设计 直流调速系统根据其基本组成部分，可分为主电路和控制电路两大部分。在系统设计确定主电路的接线方式和系统的控制方案后，就应着手分别对主电路进行参数计算和元件选择，它是系统设计中极其重要的一环。主电路参数计算和元件选择的具体内容是：整流变压器额定参数计算、晶闸管整流元件（或功率晶体管）的选择与联结、晶闸管的保护、电抗器参数的计算。第一节 整流变压器额定参数的计算 在一般情况下，晶闸管变流装置所要求的交流供电电压与电网供电电压是不一致的，并考虑尽可能减少电网和晶闸管装置间的相互干扰，要求晶闸管主电路与电网隔离，所以需配置整流变压器。计算整流变压器额定参数时，首先根据

2、整流电路的型式和负载所要求的整流电压取值过高，则晶闸管运行时的控制角过大，会造成直流电压谐波分量增大，功率因数变坏，无功功率增加；若选择过低，则有可能在控制角为时整流桥输出的直流电压仍达不到负载要求的额定值。整流变压器参数的计算，首先根据整流电路的型式和负载所要求的整流电压和整流电流，计算二次电压、二次电流和一次电流，进而计算其一次、二次容量、及平均计算容量S。最后根据上述数据选用现有电力变压器系列产品或自行设计。一、二次侧相电压变压器二次测相电压的计算公式为在要求不太精确的情况下，可由简化式确定：式中，为变流装置的最大整流输出电压（）；为整流变压器内阻和平波电抗器之和（）；为电动机额定电流（

3、）；为主电路中电流经过几个串联晶闸管的正向压降（）；为时与之比，见表3-1；为电网波动系数，通常取；为最小控制角，一般可逆系统，不可逆系统；为线路接线方式系数，见表3-1；为变压器短路电压比，以下，取，以上；为变压器二次实际工作电流与二次额定电流之比。表3-1 几种整流线路变压器电压计算系统电路型式AC电路型式AC单相全波0.90.707三相半波1.170.866单相桥式0.90.707三相桥式2.340.5表 3-2 整流变压器计算参数线路型式负载性质单相半波电阻性负载0.450.6372.683.483.08电感性负载0.451.1411.111.571.34单相全波电阻性负载0.91.2

4、71.251.751.5电感性负载0.91.411.111.571.34单相半控桥电阻性负载0.90.91.231.231.23电感性负载0.911.111.111.11单相全控桥电阻性负载0.90.91.231.231.23电感性负载0.911.111.111.11晶闸管在负载侧的单相桥式电阻性负载0.90.91.231.231.23电感性负载0.911.111.111.11三相半波电阻性负载1.171.731.241.511.38电感性负载1.171.731.211.481.34三相半控桥电阻性负载2.341.221.951.051.05电感性负载2.341.221.051.051.05三

5、相全控桥电阻性负载2.341.221.051.051.05电感性负载2.341.221.051.051.05双反星形带平衡电抗器电阻性负载1.173.401.051.511.28电感性负载1.173.461.051.481.26二、二次测相电压和一次测相电压对不同型式的整流线路，变压器二次、一次电流有效值、与负载电流的关系见表3-2。如三相全控桥式电路有，；三相零式电路，。为变压器匝数比（）。三、变压器容量计算变压器二次容量、一次容量、平均计算容量（视在容量）分别为式中，和为整流变压器一次侧、二次侧的相数。例3-1 某晶闸管直流调速系统，其电动机的额定值为，采用三相全控桥式整流电路供电，电网电

6、压波动系数，变压器短路电压比，管压降，变压器和平波电抗器的电阻不计。电网相电压，试确定整流变压器各额定参数。解：查表3-1得，忽略时有：所以变压器电压比为：二次侧相电流：一次侧相电流：二次容量：一次容量：平均计算容量：由表3-2可直接求出变压器的额定参数。第二节 主电路器件的计算与选择 正确合理地选择晶闸管元件是保证主电路可靠运行的重要条件之一。所谓正确合理地选择元件，系指晶闸管元件额定电流（通态平均电流）和额定电压一定要考虑合适的电流储备和电压储备系数，通常称安全系数。从设计和使用的经验来看，其安全系数应适当选大些，以保证系统工作可靠，特别是对某些生产上的关键设备更应如此。一、整流元件的额定

7、电压式中，为晶闸管元件的额定电压（V）；为晶闸管元件在电路中实际承受的最大电压（V）。对于不同型式整流电路的示于表3-3内，表中为整流变压器二次侧相电压有效值。二、整流元件额定电流式中，为晶闸管的额定电流（A）；为计算系数，示于表3-3内；为最大负载电流。表3-3 整流元件的最大峰值电压和额定电流的计算系数整流主电路单相半波单相双半波单相桥式三相半波三相桥式带平衡电抗器的双反星形电阻负载10.50.50.3740.3680.185电感负载0.450.450.450.3680.3680.184例3-2 根据上例所给数据，确定晶闸管的电压额定和电流额定。解：由例3-1知，变压器二次侧相电压，负载最

8、大电流，又查表3-3知，因此 ，因此取，选择KP300-8晶闸管6只。使用中还须注意的是，当周围环境温度超过或元件的冷却条件低于标准要求时，均应降低元件的额定值来使用。（三）GTR的选择对于PWM变换器主电路大功率晶体管（GTR）的选择，则需要根据电动机的额定电压和额定电流来选择。晶体管的最大集电极电流应大于最大工作电流；晶体管的耐压应根据反向击穿电压来估算。工程实践中，可按下式选择晶体管的电流和耐压 式中，为电动机允许过载倍数；、分别为电动机额定电流（A）、额定电压（V）。（四）晶闸管和晶体管的串并联运行1）在高电压和大电流的场合，往往因为单个晶闸管的电压和电流定额远不能满足要求，必须把晶闸

9、管串联或并联起来使用，或者把晶闸管装置成串联或并联起来使用。晶闸管串联、并联应用时，均压、均流是必须解决的两个问题，其具体实施方案和参数选择，可查阅有关资料，这里不再赘述。随着晶闸管制造工艺的改进，元件的电压等级和电流容量不断提高，因此对中小功率的晶闸管整流装置，采用元件串并联的情况会逐步减少。在大功率设备中广泛采用整流变压器二次侧绕组分组，分别对独立的整流装置供电，然后成组串联或成组并联，如图31a、b所示。整流组串联可提高输出电压，且两套装置之间不存在均压问题。整流组并联可提高输出电流，但一般需设置平衡电抗器以实现均流。如变压器漏抗合适可省去平衡电抗器。变压器两套二次侧绕组通常分别以Y、D

10、形式联结，串联后整流电压波形每周期脉动12次，即为等效的12相整流电路。由于脉动频率较高，故使整流电源质量大为提高，又可减小平波电抗器的体积。3-1晶闸管装置和晶体管的串联与并联a) 晶闸管装置成组串联 b）晶闸管装置成组并联 c）GTR的并联2）由于GTR对过压和敏感，故一般不宜进行串联运行。GTR并联运行时，应采取一定的均流措施。电流较小时，用接入发射极电阻的方法来均流较好；电流较大的场合，可采用均流电抗。具体电路如图3-1c所示。另外，并联应用时，应仔细匹配好并联GTR的参数，并使并联支路布线尽量对称，每个GTR集电极和基极支路中的电阻和电感应尽可能小而且一致。第三节 主电路保护环节的设

11、计与计算由于晶闸管承受过电压和过电流的能力较差，所以短时间的过压或过流就会造成元件损坏。因此在系统主电路设计中，对晶闸管装置的各种保护措施及主要保护环节的设计与计算，应予以足够的重视。为使系统能长期可靠地运行，除了合理地选择晶闸管外，必须针对过电压、过电流和电压、电流上升率的发生原因采取恰当的保护措施。一、过电压保护图3-2 晶闸管装置可能采用的几种过电压保护情况A避雷针 B接地电容 C阻容保护 D整流式阻容保护 E硒堆保护F压敏电阻 G用晶闸管作过压保护 H器件侧阻容保护电路中电感元件积累的能量骤然释放或外界侵入电路的大量电荷累积产生过电压，对系统的安全运行构成危害。所以，过电压保护的基本做

12、法，是在电路中设置吸收能量的保护元件，使能量得以释放，以保证晶闸管装置的可靠工作。根据晶闸管装置产生过电压部位的不同，过电压保护分为交流侧保护、直流侧保护和元件换相保护，见图3-2。实用时，可根据具体情况，选择其中几种。1交流侧过电压保护图3-3 阻容保护的接法a）单相 b）三相变压器二次测Y联结，阻容Y联结c）三相变压器二次测Y联结，阻容D联结 d）三相整流式阻容保护的接法（1）阻容保护 阻容保护是在整流变压器二次侧并联电阻和电容，其接线方式见图3-3，计算单相变压器交流侧过电压保护电容C和电阻R的公式为式中，S为单相变压器的平均计算容量；为变压器二次相电压有效值（V）；为变压器励磁电流百分

13、比，的变压器，对应的；为变压器的短路电压百分比，的变压器，对应的；C为电容；R为电阻。电容C的耐压大于或等于。电阻功率： 式中，、为RC正常工作时电压、电流有效值；为电源频率。以上计算公式是根据条件推导出来的。对于三相电路，如变压器二次侧与阻容吸收电路接法一致，则上述公式完全适用。如两者接法不同时，则可先按接法一致计算，然后把阻容电路进行YD变换，变换公式为，采用阻容保护后，若电容量增大，有利于吸收过电压和限制上升率，但电容量过大，不仅电容器体积很大，且增加了电阻的损耗，使电阻体积加大，而且电容量增大也使得晶闸管导通时增大，对元件不利。电阻值增大，有利于抑制振荡，但若电阻值选得过大，则影响抑制

14、过电压效果，一般电阻值应选得偏小些，而值选得偏大些以减少发热。阻容D联结时，电容值小，但耐压要求高；Y联结时，电容值大，但耐压要求低，实际应用时可根据阻容元件的情况决定采用D或Y联结。对于大容量的晶闸管装置，通常采用图3-3d所示的整流接法的阻容装置。这种保护接法，虽然多了一个整流桥，但只用一个电容，且电容C只承受直流电压，可采用体积小、电容量大电解电容器，可以显著减小保护装置的体积，其R、C参数可参阅有关资料。（2）非线性电阻保护图3-4 硒堆保护的接线a）单相 b）三相Y联结 c）三相D联结1）硒堆保护的具体接法见图3-4。硒堆由硒整流片串联而成，单相时用两组对接后再与电源并联，三相时用三

15、相对接成Y形，或用六组接成D形。每组串联的硒片数为式中，为正常工作时线电压有效值（V）；为每片硒片的击穿电压，与硒片的型号有关，一般为3050V。选择硒片面积A的经验公式为：式中，为变压器励磁电流百分比；为变压器二次线电流有效值（A）。硒片的面积有40×40mm2、60×60mm2、100×100mm2等规格。2）压敏电阻保护。压敏电阻是一种新型的保护元件，它常用于交、直流侧的过电压保护。其保护线路如图3-5所示。图3-5 压敏电阻保护的接法a）单相 b）三相Y联结 c）三相D联结压敏电阻选用主要考虑额定电压和通流容量，压敏电阻额定电压的选取通常可按下式计算图3-

16、6 直流侧过电压保护线路 图3-7 晶闸管换相过电压保护式中，为电网电压升高系数，一般取；为考虑参数下降10%而通过压敏电阻的漏电流仍保持在1mA以下，以及考虑整流装置允许过电压的系数。压敏电阻通流容量可根据整流变压器的空载励磁能量，来选择吸收冲击能量相当的压敏电阻。VYJ型浪涌吸收器（压敏电阻）的额定电压有：100，220，440，760，1000V等。通流容量有：0.5，1，1.5，2，3，4，5KA等。2直流侧过电压保护直流侧过电压保护接线方式见图3-6。直流侧与交流侧过电压保护方法相同，元件选择原则也相同。实际中采用压敏电阻保护较为合理。3元件换相保护为防止在换相过程中，被关断的晶闸管

17、出现反向过压，而导致反向击穿。通常在晶闸管元件两端并联RC阻容吸收电路，见图3-7。阻容电路参数可按表3-4选取，电容的耐压一般选取晶闸管实际承受最大电压的1.11.5倍。电阻功率选择：表3-4 晶闸管阻容电路经验数据晶闸管额定电流（A）1000500200100502010电容（）210.50.250.20.150.1电阻（）2510204080式中，为50Hz；为晶闸管工作峰值电压（V）；C为与电阻串联的电容量()。二、过电流保护 对于晶闸管整流装置，过电流保护设计是很重要的。如果短路或过电流数值过大，而切断的时间稍慢，就会造成晶闸管的损坏。所以过电流保护措施在系统中是必不可少的。过电流保

18、护措施有如图2-18所示数种。下面就几种主要保护措施的适用范围和元件的选择加以说明。1）流进线中串联电抗器（图3-8中的A）或采用漏抗较大的变压器以限制短路电流，但此种方法在有负载时有较大的压降。2）利用交流侧电流检测环节（图3-8中B）所得过电流信号送入电流调节器，控制触发脉冲快速后移，从而使晶闸管迅速阻断，达到抑制过电流的目的。3）交流侧经电流互感器接入过电流继电器或直流侧接入过电流继电器（图3-8中是B和F），过电流时继电器动作，跳开交流接触器或输入端的自动开关。这种方法只有在短路电流不大时才能起到保护作用。交流侧 整流主回路 直流侧 图3-8 晶闸管装置可能采用的几种过电流保护措施A-

19、进线电抗器限流 B-电流检测和过流继电器 C-交流侧快速熔断器 D-元件串联快速熔断器 E-直流侧快速熔断器 F-过流继电器 G-直流快速开关4）对大、中容量设备，以及经常逆变的场合，采用直流快速开关作直流侧过载和适中保护。快速开关的开关机构动作时间只有2ms，完全分断电弧的时间也不过2530ms，它是目前较好的过流保护装置。在晶闸管直流调速中，可按电动机额定电流选用。a)b)c)图3-9 快速熔断器的接法a)交流侧快速熔断器 b)与器件串联快速熔断器 c)直流侧快速熔断器5）快速熔断器是最简单有效的短路保护元件，是防止晶闸管损坏的最后一道防线。快速熔断器的接法有安装在交流侧、与元件串联、安装

20、在直流侧三种，见图3-9。交流侧快速熔断器能够对元件短路和直流侧短路起保护作用，但它对晶闸管元件的保护作用较差。直流侧快速熔断器仅能对直流侧短路与过载起保护作用。与元件串联快速熔断器，由于两者电流相同，故元件保护作用最好，应用极为广泛。对中、小容量系统。一般只采用此种接法。 还应注意，各种过流保护的动作顺序应该是：电流调节器限流（触发脉冲后移）过流继电器动作跳开关直流快速开关动作快速熔断器熔断。 选配与元件串联的快速熔断器，其熔体的额定电流一般按下式选择，式中，为晶闸管的额定电流；为熔体的额定电流；为实际流过晶闸管的最大电流有效值。中、小容量系统中，常选用=。目前生产的快速熔断器产品主要有RS

21、0、RS3（汇流排式）与小容量的RLS（螺旋式）。RLS额定电流为3100A，额定电压为500V。RS0、RS3额定电流为10450A，额定电压为250，500，750，1000V。（三）电压和电流上升率的限制L图3-10 晶闸管串接桥臂电抗器系统设计要求把作用于晶闸管的正向电压上升率限制到晶闸管断态电压临界上升率以下，把正向电流上升率限制到通态电流临界上升率以下。对和的限制措施是串桥臂电抗器L，L可以是空心电抗器、铁心电抗器。采用空心电抗器时L的电感应大于或等于2030H，采用铁心电抗器时，电感值可再大一些。其接线方法如图3-10所示。阻容吸收装置采用整流式接法，如3-3d所示，对限制也有好

22、处。还须特别指出的是，对于应用晶闸管装置所引起的功率因数恶化、高次谐波电流使得电网波形畸变等电力公害，除从电网方面采取补偿措施外，还应注意从晶闸管装置本身采取措施，以将其抑制在容许范围内。限于篇幅，关于改善功率因数、防止谐波危害的具体措施，读者可查阅有知文献资料。第四节 电抗器参数计算与选择在晶闸管变流装置供电的直流调速系统中，常在直流侧串有带空气隙的铁心电抗器，使输出电流连续、限制电流脉动，并抑制环流，以提高装置对负载供电的性能和提高运行的安全可靠性。下面分别讨论三种电抗器的电感量计算。 一、使输出电流连续的临界电感量对晶闸管直流调速系统，当负载电流较小，会出现电流断续的现象，使电动机的机械特性变软，影响系统的静、动态性能。电动