第8-晶闸管主电路的参数计算及保护

1第一节晶闸管电压电流参数的选择合理地选择晶闸管，就是在保证晶闸管装置可靠运行的前提下，降低成本，获得较好的技术经济指标。在采用普通型（KP型）晶闸管的整流电路中，主要是正确地选择晶闸管的额定电压与额定电流参数。2一般，晶闸管的参数计算及选用原则如下：

（1）计算每个支路中晶闸管元件实际承受的正、反向工作峰值电压。

（2）计算每个支路中晶闸管元件实际流过的电流有效值和平均值。

（3）根据整流装置的用途、结构、使用场合及特殊要求等确定电压和电流的储备系数。

（4）根据各元件的制造厂家提供的元件参数水平并综合技术经济指标选用晶闸管元件。3一、晶闸管额定电压UTe的选择晶闸管额定电压必须大于元件在电路中实际承受的最大电压Um，考虑到电网电压的波动和操作过电压等因素，还要放宽2～3倍的安全系数。即按下式选取45二、晶闸管额定（通态）平均电流IT（AV）的选择为使晶闸管元件不因过热而损坏，需要按电流的有效值来计算其电流额定值。即必须使元件的额定电流有效值大于流过元件实际电流的最大有效值。由第一章知，晶闸管流过正弦半波电流的有效值I和额定值（通态平均电流）IT（AV）的关系，当α=0°时为6考虑（1.5～2）倍的电流有效值安全系数后，式（8.2）可以写为：7对非标准负载等级，根据一般晶闸管元件的热时间常数，通常取负载循环中热冲击最严重的15min内的有效值作为直流电流的额定值。即8第二节晶闸管过电压保护与一般半导体元件相同，晶闸管元件的主要弱点是过电压过电流的承受能力差。当施加在元件两端的电压超过其正向转折或反向击穿电压时，即使时间很短也会导致元件损坏，或使元件发生不应有的转折导通，造成事故或元件性能降低，留下隐患。过电压保护的目的是使元件在任何情况下不致受到超过元件所能承受的电压的侵害。因此必须采取有效措施消除和抑制可能产生的各种过电压。9一、产生过电压的原因整流器中产生过电压的原因有外因过电压和内因过电压两种。前者主要来自系统中的通断过程和雷击，后者则主要由于晶闸管元件的周期通断（换相）过程，即晶闸管载流子积蓄效应引起的过电压。主要有下列几种。1.雷击过电压2.静电感应过电压3.切断电感回路电流所造成的过电压4.晶闸管载流子积蓄效应引起的过电压（换相过电压）。10图8.1降压变压器网侧合闸过电压11图8.2切断电感回路电流产生过电压12图8.3其他并联用电设备分闸时产生过电压13二、过电压的保护正常工作时，晶闸管承受的最大峰值电压Um如表8.1所示。超过此峰值电压的就算过电压。在整流装置中，任何偶然出现的过电压均不应超过元件的不重复峰值电压Udsm，而任何周期性出现的过电压则应小于元件的重复峰值电压Ursm。14抑制暂态过电压的方法一般有3种：①用电阻消耗过电压的能量；②用非线性元件限制过电压的幅值；

③用储能元件吸收过电压的能量。若以过电压保护装设的部位来分，有交流侧保护，直流侧保护和元器件保护3种。15图8.4晶闸管内部载流子积蓄效应产生过电压161.交流侧过电压的保护（1）避雷器用以保护大气雷击所产生的过电压，如图8.5所示。主要保护变压器。因此种过电压能量较大，持续时间也较长，一般采用阀型避雷器。17图8.5晶闸管装置可能采取的各种过电压保护措施18（2）RC过电压抑制电路通常是在变压器次级（元件侧）并联RC电路，以吸收变压器铁心的磁场释放的能量，并把它转换为电容器的电场能而储存起来。19图8.6阻容过电压保护电路的接法20单相整流电路RC参数的计算公式为电容Ca

的耐压电阻Ra的功率为212223这虽然多了一个三相整流桥，但是只用一个电容器，且因只承受直流电压而可用体积小、容量大的电解电容，从而减小RC电路的体积。整流式RC电路的接线方式及计算公式如表8.3所示。24图8.7硒片的伏安特性25（3）用非线性元件抑制过电压当发生雷击或

从电网侵入更高的浪涌电压时，仅用阻容保护是不

够的，此时过电压仍可能超过元件的允许值。所以

必须同时设置非线性元件保护。非线性元件有与稳

压管相近似的伏安特性，可以把浪涌过电压抑制在

晶闸管元件允许的范围。26①硒堆若干个硒整流片串联组成硒堆。硒片的伏安特性如图8.7所示。它具有较陡的反向非线性特性。当超过其转折电压时，反向电流增加很快，可消耗很大的瞬时功率，使过电压被限制在其反向击穿电压。每片硒片的额定反向电压有效值UR

约为20～30V。每堆的片数n为计算硒片面积S的经验公式为27图8.8硒堆保护的联结方法28②金属氧化物压敏电阻这是由氧化锌，氧化铋等烧结制成的非线性电阻元件。其伏安特性如图8.9所示。由于它具有正反向相同的很陡的伏安特性，击穿前漏电流为微安数量级，损耗很小，过电压时（击穿后）则能通过高达数千安的浪涌电流，所以抑制过电流能力很强。29图8.9压敏电阻的理想伏安特性30图8.10压敏电阻过电压保护接线方法31压敏电阻的参数计算与选用方法：

额定电压U1mA的选取可按下式计算。在交流情况下：在直流情况下：322.直流侧的过电压保护整流器直流侧开断时，如直流侧快速开关断开或桥臂快熔熔断等情况，也会在A、B之间产生过电压，如图8.11所示。33图8.11直流侧快速开关跳角或快熔熔断引起的过电压34图8.12用非线性元件抑制直流侧过电压35（1）在A、B之间接入压敏电阻或硒堆，如图8.12（a），其参数选择的原则与交流侧保护相同。36图8.13换相过电压保护电路37（2）用晶闸管泄能。如图8.12（b）、（c）所示。图8.12（b）中应用转折二极管BOD，当A、B间直流过电压超过BOD的转折电压时，BOD立即导通并对电容器C充电，当C充电电压达到VT触发电平时，VT导通，过电压能量通过R1，VT泄放，以达到抑制过电压的目的。383.晶闸管换相过电压的保护晶闸管换相过电压的保护，通常是在晶闸管元件两端并联RC电路，如图8.13所示。电容C的选择可按式（8.14）计算39电容C的耐压应大于正常工作时晶闸管两端电压的峰值的1.5倍。电阻R一般取R=10～30Ω，对于整流管取下限值，对于晶闸管取上限值。其功率应满足40实际应用中，RC的值可按经验数据选取，如表8.4所示。41第三节晶闸管过电流保护及电流上升率、电压上升率的限制变流装置发生过电流的原因归纳起来有如下几方面：

（1）外部短路如直流输出端发生短路。

（2）内部短路如整流桥主臂中某一元件被击穿而发生的短路。

（3）可逆系统中产生换流失败和环流过大。

（4）生产机械发生过载或堵转等。一、过电流保护42晶闸管变流装置可能采用的过流保护措施及其动作时间如图8.14所示。可按实际需要选择其中一种或数种。图8.14晶闸管装置过电流保护措施及其动作时间43下面，就图8.14中的过电流保护措施的适用范围，相互协调及元件选择作简要说明。1.交流断路器2.进线电抗器3.灵敏过电流继电器4.短路器5.电流反馈控制电路6.直流快速开关7.快速熔断器4445表8.6快速熔断器时间/电流特性46表8.7熔断器的接入方式与特点47表8.8整流电路形式与系数Kc的关系表48快熔的选用原则如下：

①额定电压的选择快熔的额定电压URN不小于线路正常工作电压的方均根值。

②额定电流的选择快熔的额定电流IRN应按它所保护的元件实际流过的电流IR（方均根值）来选择，而不是根据元件的标称额定电流ITAV值来确定。一般可按下式计算49在确定快熔额定电流时要注意两点情况：①在同一整流臂中若有多个元件并联时，要考虑电流不均衡系数，快熔应按在支路中流过最大可能电流的条件来选择。②要考虑整流柜内的环境温度，一般要比柜外为高，有时可相差10°C。50③I2t值的核算：快熔有一定的允许通过的能量I2t值，元件也具有承受一定I2t值的能力。为了使快熔能可靠地保护元件，要求快熔的（I2t）R值在任何情况下都应小于元件的I2TSMt值。其关系为51二、电流上升率di／dt的限制晶闸管在导通的初瞬，电流主要集中在靠近门极的阴极表面较小的区域，局部电流密度很大，然后随着时间的增长才逐渐扩大到整个阴极面。此过程约需几微秒到几十微秒。若导通时电流上升率di／dt太大，会引起门极附近过热，导致PN结击穿使元件损坏。因此必须把di／dt限制在最大允许的范围内。52如图8.16所示。通常，限制di／dt的措施主要有：1.在晶闸管阳极回路串入电感Ls。图8.16产生di／dt的情况及抑制措施53Ls的数值可用图8.17所示的换相过程等效电路来计算。图中，设已触发VT2

而VT1

尚未关断。u为交流电源线电压。由图8.17可得图8.17换相等效电路54三、电压上升率du／dt的限制处在阻断状态下晶闸管的J2

结面相当于一个结电容，当加到晶闸管上的正向电压上升率过大时，会使流过J2

结面的充电电流过大，起了触发电流的作用，造成晶闸管误导通。55图8.18串入进线电感LT

限制du／dt56产生du／dt过大的原因及其限制措施如下：1.交流侧产生的du／dt进线电感

LT

近似按下式计算2.晶闸管换相时产生的du／dt57第四节晶闸管串并联运行在电力电子设备中，当一个臂的电压及电流大于单只晶闸管所允许的电压及电流时，就需要用两只或数只元件作串并联连接。由于晶闸管的伏安特性，开通时间，恢复电荷等方面的分散性，影响它们直接串并联时电压及电流的均衡。为使其实现电压电流的均衡，就需要在元件特性的选配，门极触发脉冲，均压均流电路等方面采取相应措施。58一、晶闸管的串联晶闸管的工作状态可分为：①正向阻断状态；②开通过程；③正向导通状态；④反向导通；⑤关断过程（阻断能力恢复过程）；⑥反向阻断状态。上述各种工作状态中，除正（反）向导通状态因正向压降很小不存在均压问题外，由于晶闸管参数的分散性，即使同一规格型号的元件，其正（反）向伏安特性也各不相同，这就造成了静态均压问题。591.静态均压

由于串联晶闸管的正（反）向阻断特性不同，但流过的漏电流都相同，因而在各个晶闸管上会有不同的电压分配，如图8.19（a）所示。60图8.19串联晶闸管的正向伏安特性及静、动态场压61RP

中的电流应大于串联元件的漏电流I0，RP

的值可由下式确定均压电阻RP

的功率PRP为62２．动态均压由于晶闸管的结电容，开通与关断时间，触发特性以及反向恢复电荷等存在着差异。因而在开通和关断过程中会出现瞬态电压分配不均衡。如当关断晶闸管时，先关断的元件在关断瞬间，承受全部换相的反向电压，可能导致元件反向击穿损坏。6364３.晶闸管串联时对触发电路的要求为了减小元件开通时间的差异，要求触发脉冲前沿要陡，脉冲电流要大（强触发）。

此外，由于串联晶闸管的各个阴极所处的电位不同，当串联晶闸管数较多时，串联臂两端的晶闸管的门极电位差异较大，故各个元件触发电路的末级之间必须有足够的绝缘强度。通常用具有两个65二、晶闸管的并联当晶闸管的额定电流小于电路实际要求的电流时，则可采用多个规格型号相同的元件相并联。由于晶闸管正向伏安特性、导通时间等的差异，会造成静态及动态电流分配的不均衡及开通过程中电流上升率的不同，如图8.20所示。故必须采取均流措施。66图8.20晶闸管通态V—A特性及开通时间造成的电流不均衡671.串联电阻器均流2.串联电抗器均流电感LS

可按下