换流站及其主要设备3

1、第第3章章 换流站及其主要设备换流站及其主要设备一、换流站中主要电气设备一、换流站中主要电气设备 第一节第一节 引言引言1.3.1 1.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理 外形有螺栓型和平板型两种封装外形有螺栓型和平板型两种封装引出阳极引出阳极A、阴极、阴极K和门极（控制端）和门极（控制端）G三个联接端三个联接端对于螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器对于螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接且安装方便紧密联接且安装方便平板型封装的晶闸管可由两个散热器将其夹在中间平板型封装的晶闸管可由两个散热器将其夹在中间图1-6 晶闸管的外形、结构和电气图形符号a) 外形 b

2、) 结构 c) 电气图形符号 AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J31.3.1 1.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理 RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)图1-7 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理a) 双晶体管模型 b) 工作原理Ic1=1 IA + ICBO1 （1-1）Ic2=2 IK + ICBO2 （1-2）1.3.1 1.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理 IK=IA+IG （1-3） IA=Ic1+Ic2 （1-4）式中式中 1和和 2分别是晶体管分别是晶

3、体管V1和和V2的共基极电流增益；的共基极电流增益；ICBO1和和ICBO2分别是分别是V1和和V2的共基极漏电流。由以上的共基极漏电流。由以上式（式（1-1）（1-4）可得）可得 （1-5）晶体管的特性是：在低发射极电流下晶体管的特性是：在低发射极电流下 是很小的，而是很小的，而当发射极电流建立起来之后，当发射极电流建立起来之后， 迅速增大。迅速增大。 )(121CBO2CBO1G2AIIII1.3.1 1.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理阻断状态：阻断状态：IG=0， 1+ 2很小。流过晶闸管的漏很小。流过晶闸管的漏电流稍大于两个晶体管漏电流之和电流稍大于两个晶体管漏电

4、流之和开通（门极触发）：开通（门极触发）：注入触发电流使晶体管的发注入触发电流使晶体管的发射极电流增大以致射极电流增大以致 1+ 2趋近于趋近于1的话，流过晶闸管的话，流过晶闸管的电流的电流IA（阳极电流）将趋近于无穷大，实现饱和导（阳极电流）将趋近于无穷大，实现饱和导通。通。IA实际由外电路决定。实际由外电路决定。 1.3.1 1.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理其他几种可能导通的情况其他几种可能导通的情况：阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应 阳极电压上升率阳极电压上升率du/dt过高过高结温较高结温较高光直接照射硅片，即光触发光

5、直接照射硅片，即光触发 光触发可以保证控制电路与主电路之间的良好绝光触发可以保证控制电路与主电路之间的良好绝缘而应用于高压电力设备中之外，其它都因不易缘而应用于高压电力设备中之外，其它都因不易控制而难以应用于实践，称为光控晶闸管控制而难以应用于实践，称为光控晶闸管（Light Triggered ThyristorLTT）只有门极触发（包括光触发）是最精确、迅速而可只有门极触发（包括光触发）是最精确、迅速而可靠的控制手段靠的控制手段 1.3.2 1.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性1. 静态特性静态特性承受反向电压时，不论门极是否有触发电承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都

6、不会导通流，晶闸管都不会导通承受正向电压时，仅在门极有触发电流的承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通情况下晶闸管才能开通晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下到接近于零的某一数值以下 1.3.2 1.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性 第第I象限的是正向特性象限的是正向特性 第第III象限的是反向特性象限的是反向特性 正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMU

7、RSM图1-8 晶闸管的伏安特性IG2IG1IG1.3.2 1.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性IG=0时，器件两端施加正向电压，正向阻断状态，时，器件两端施加正向电压，正向阻断状态，只有很小的正向漏电流流过，正向电压超过临界极只有很小的正向漏电流流过，正向电压超过临界极限即正向转折电压限即正向转折电压Ubo，则漏电流急剧增大，器件开，则漏电流急剧增大，器件开通通随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿晶闸管本身的压降很小，在晶闸管本身的压降很小，在1V左右左右导通期

8、间，如果门极电流为零，并且阳极电流降至导通期间，如果门极电流为零，并且阳极电流降至接近于零的某一数值接近于零的某一数值IH以下，则晶闸管又回到正向以下，则晶闸管又回到正向阻断状态阻断状态。IH称为维持电流。称为维持电流。（伏安特性图） 1.3.2 1.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性晶闸管上施加反向电压时，伏安特性类似二极管的晶闸管上施加反向电压时，伏安特性类似二极管的反向特性反向特性 晶闸管的门极触发电流从门极流入晶闸管，从阴极晶闸管的门极触发电流从门极流入晶闸管，从阴极流出流出阴极是晶闸管主电路与控制电路的公共端阴极是晶闸管主电路与控制电路的公共端门极触发电流也往往是通过触发电路在

9、门极和阴极门极触发电流也往往是通过触发电路在门极和阴极之间施加触发电压而产生的之间施加触发电压而产生的晶闸管的门极和阴极之间是晶闸管的门极和阴极之间是PN结结J3，其伏安特性，其伏安特性称为门极伏安特性。为保证可靠、安全的触发，触称为门极伏安特性。为保证可靠、安全的触发，触发电路所提供的触发电压、电流和功率应限制在可发电路所提供的触发电压、电流和功率应限制在可靠触发区。（靠触发区。（伏安特性图伏安特性图） 1.3.2 1.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性2. 动态特性动态特性 图1-9 晶闸管的开通和关断过程波形 100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA

10、1.3.2 1.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性1) 开通过程（开通过程（特性图特性图)延迟时间延迟时间td：门极电流阶跃时刻开始，到阳极门极电流阶跃时刻开始，到阳极电流上升到稳态值的电流上升到稳态值的10%的时间的时间上升时间上升时间tr：阳极电流从阳极电流从10%上升到稳态值的上升到稳态值的90%所需的时间所需的时间开通时间开通时间tgt以上两者之和，以上两者之和， tgt=td+ tr （1-6） 普通晶闸管延迟时间为普通晶闸管延迟时间为0.51.5 s，上升时间为上升时间为0.53 s 1.3.2 1.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性2) 关断过程关断过程反向阻断恢复时

11、间反向阻断恢复时间trr：正向电流降为零到反向恢复电正向电流降为零到反向恢复电流衰减至接近于零的时间流衰减至接近于零的时间正向阻断恢复时间正向阻断恢复时间tgr：晶闸管要恢复其对正向电压的晶闸管要恢复其对正向电压的阻断能力还需要一段时间阻断能力还需要一段时间在正向阻断恢复时间内如果重新对晶闸管施加正在正向阻断恢复时间内如果重新对晶闸管施加正向电压，晶闸管会重新正向导通向电压，晶闸管会重新正向导通实际应用中，应对晶闸管施加足够长时间的反向实际应用中，应对晶闸管施加足够长时间的反向电压，使晶闸管充分恢复其对正向电压的阻断能电压，使晶闸管充分恢复其对正向电压的阻断能力，电路才能可靠工作力，电路才能可

12、靠工作 关断时间关断时间tq：trr与tgr之和，即 tq=trr+tgr （1-7)） 普通晶闸管的关断时间约几百微秒。普通晶闸管的关断时间约几百微秒。 1.3.3 1.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数1. 电压定额电压定额1) 断态重复峰值电压断态重复峰值电压UDRM在门极断路而结温在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的为额定值时，允许重复加在器件上的 正向峰值电压正向峰值电压。2) 反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM 在门极断路而结温在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。3) 通态（峰值）电压通态

13、（峰值）电压UTM晶闸管通以某一规定晶闸管通以某一规定倍倍 数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。通常取晶闸管的通常取晶闸管的UDRM和和URRM中较小的标值作为该器件中较小的标值作为该器件的额定电压的额定电压。选用时，额定电压要留有一定裕量选用时，额定电压要留有一定裕量,一般一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压23倍倍 额定电压举例n在实际中选用器件的依据：一般取在实际中选用器件的依据：一般取SCR的额定的额定电压为其在正常工作电路中它所能承受的峰值电压为其在正常工作电路中它所能承受的峰值电压的电压的2

14、3倍。倍。n例如：在三相电路中，例如：在三相电路中，SCR承受的是线电压，承受的是线电压，且相电压为且相电压为220V，则选用能在该电路中正常，则选用能在该电路中正常工作的工作的SCR的额定电压应为：的额定电压应为：22023) 32(TU1.3.3 1.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数2. 电流定额电流定额 1) 通态平均电流通态平均电流 IT(A V) 额定电流额定电流- 晶闸管在环境温度为晶闸管在环境温度为40 C和规定的冷却状态和规定的冷却状态 下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值工频正弦半波电流的平均

15、值。使用时应按实际电流与通态平均电流有效值使用时应按实际电流与通态平均电流有效值相等的原则来选取晶闸管相等的原则来选取晶闸管应留一定的裕量，一般取应留一定的裕量，一般取1.52倍倍 2）. 电流定额电流定额 通态平均电流通态平均电流 IT(AV) 额定电流定义额定电流定义：晶闸管在环境温度为晶闸管在环境温度为40 C和和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。值。使用时应按实际电流与通态平均电流有效使用时应按实际电流与通态平均电流有效值相等的原则来选取晶闸管值相等的原则来

16、选取晶闸管应留一定的裕量，一般取应留一定的裕量，一般取1.52倍倍 mTavIIttdII2sin2210额定电流选取依据n正弦半波时的有效值是正弦半波时的有效值是TavTavrmsTIItdtII57. 12)sin2(2120)(上式仅在正弦时有效。上式仅在正弦时有效。若已知若已知SCR的额定电流为的额定电流为100A，则允许通，则允许通过正弦波的幅值是过正弦波的幅值是314A；允许通过正弦波；允许通过正弦波的有效值是的有效值是157A。通过任意波形的有效值是多少？（通过任意波形的有效值是多少？（157A）1.3.3 1.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数2) 维持电流维持电流 IH

17、 使晶闸管维持导通所必需的最小电流使晶闸管维持导通所必需的最小电流一般为几十到几百毫安，与结温有关，结温越高，一般为几十到几百毫安，与结温有关，结温越高，则则IH越小越小3) 擎住电流擎住电流 IL 晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信 号后，号后， 能维持导通所需的最小电流能维持导通所需的最小电流 对同一晶闸管来说，通常对同一晶闸管来说，通常IL约为约为IH的的24倍倍4) 浪涌电流浪涌电流ITSM 指由于电路异常情况引起的并使结温超过指由于电路异常情况引起的并使结温超过 额定结温的不重复性最大正向过载电流额定结温的不重复性最大正向过载电流 1.3.3 1.3

18、.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数3. 动态参数动态参数 除开通时间除开通时间tgt和关断时间和关断时间tq外，还有：外，还有： (1) 断态电压临界上升率断态电压临界上升率du/dt 指在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸指在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸 管从断态到通态转换的外加电压最大上升率管从断态到通态转换的外加电压最大上升率在阻断的晶闸管两端施加的电压具有正向的上升率时，相当于一个电容的J2结会有充电电流流过，被称为位移电流位移电流。此电流流经J3结时，起到类似门极触发电流的作用。如果电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通 1.3.3 1.3.3 晶闸管

19、的主要参数晶闸管的主要参数(2) 通态电流临界上升率通态电流临界上升率di/dt 指在规定条件下，晶闸管能承受而指在规定条件下，晶闸管能承受而 无有害影响的最大通态电流上升率无有害影响的最大通态电流上升率 如果电流上升太快，则晶闸管刚一开通，如果电流上升太快，则晶闸管刚一开通，便会有很大的电流集中在门极附近的小区便会有很大的电流集中在门极附近的小区域内，从而造成局部过热而使晶闸管损坏域内，从而造成局部过热而使晶闸管损坏 1.3.4 1.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件1. 快速晶闸管（快速晶闸管（Fast Switching ThyristorFST)包括所有专为快速应用而设计的晶闸管

20、，有包括所有专为快速应用而设计的晶闸管，有快速晶闸管和高频晶闸管快速晶闸管和高频晶闸管管芯结构和制造工艺进行了改进，开关时间管芯结构和制造工艺进行了改进，开关时间以及以及du/dt和和di/dt耐量都有明显改善耐量都有明显改善普通晶闸管关断时间数百微秒，快速晶闸管普通晶闸管关断时间数百微秒，快速晶闸管数十微秒，高频晶闸管数十微秒，高频晶闸管10 s左右左右高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高不易做高由于工作频率较高，选择通态平均电流时不由于工作频率较高，选择通态平均电流时不能忽略其开关损耗的发热效应能忽略其开关损耗的发热效应 1.3.4 1.3.

21、4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件2. 双向晶闸管（双向晶闸管（Triode AC SwitchTRIAC或或Bidirectional triode thyristor）图1-10 双向晶闸管的电气图形符号和伏安特性a) 电气图形符号 b) 伏安特性 a)b)IOUIG=0GT1T21.3.4 1.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件可认为是一对反并联联接的普通晶闸管的可认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成集成有两个主电极有两个主电极T1和和T2，一个门极，一个门极G正反两方向均可触发导通，所以双向晶闸正反两方向均可触发导通，所以双向晶闸管在第和第管在第和第III象限有对称的伏安特性

22、象限有对称的伏安特性与一对反并联晶闸管相比是经济的，且控与一对反并联晶闸管相比是经济的，且控制电路简单，在交流调压电路、固态继电制电路简单，在交流调压电路、固态继电器（器（Solid State RelaySSR）和交流）和交流电机调速等领域应用较多电机调速等领域应用较多通常用在交流电路中，因此不用平均值而通常用在交流电路中，因此不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。用有效值来表示其额定电流值。 1.3.4 1.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件3. 逆导晶闸管（逆导晶闸管（Reverse Conducting ThyristorRCT）将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率将

23、晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件集成器件具有正向压降小、关断时间短、高温特性好、额定结具有正向压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温高等优点温高等优点逆导晶闸管的额定电流有两个，一个是晶闸管电流，逆导晶闸管的额定电流有两个，一个是晶闸管电流，一个是反并联二极管的电流一个是反并联二极管的电流图1-11 逆导晶闸管的电气图形符号和伏安特性a) 电气图形符号 b) 伏安特性 b)a)UOIKGAIG=01.3.4 1.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件4. 光控晶闸管（光控晶闸管（Light Triggered ThyristorLTT）图1-12 光控晶闸管的电气图形符号和伏安特性a) 电气图形符号 b) 伏安特性 光强度强弱b)AGKa)OUAKIA1.3.4 1.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件又称光触发晶闸管，是利用一定波长的光照信号触发又称光触发晶闸管，是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管导通的晶闸管小功率光控晶闸管只有阳极和阴极两个端子小功率光控晶闸管只有阳极和阴极两个端子大功率光控晶闸管则还带有光缆，光缆上装有作为触大功率光控晶闸管则还带有光缆，光缆上装有作为触发光源的发光二极管或半导体激光器发光源的发光二极管或半导体激光器光触发保证了主电路与控制电路之间的绝缘，且可避光触发保证