第二章三相可控整流電路2

1、 2.5 2.5 電力電子器件的保護電力電子器件的保護與容量擴展與容量擴展 2.62.6晶閘管相控觸發(fā)電路晶閘管相控觸發(fā)電路 2.72.7觸發(fā)脈沖與主電路電壓的觸發(fā)脈沖與主電路電壓的同步同步脈沖變壓器與脈沖變壓器與防防 誤觸發(fā)誤觸發(fā)措施措施 外因過電壓：外因過電壓：主要來自雷擊和系統(tǒng)操作過程等外因 操作過電壓操作過電壓：由分閘、合閘等開關操作引起 雷擊過電壓雷擊過電壓：由雷擊引起 內(nèi)因過電壓：內(nèi)因過電壓：主要來自電力電子裝置內(nèi)部器件的開關 過程 換相過電壓換相過電壓：晶閘管或與全控型器件反并聯(lián)的二極管 在換相結束后，反向電流急劇減小，會由線路電感在 器件兩端感應出過電壓。 關斷過電壓關斷過電壓

2、：全控型器件關斷時，正向電流迅速降低 而由線路電感在器件兩端感應出的過電壓。 電力電子裝置可能的過電壓電力電子裝置可能的過電壓外因過電壓外因過電壓和內(nèi)因內(nèi)因 過電壓過電壓 （一）晶閘管關斷過電壓及其保護 這個電動勢與外 電壓串聯(lián)，反向加在 已恢復阻斷的晶閘管 上，此過電壓值可達 工作峰值電壓的56 倍。 對于這種尖峰狀的瞬時過電壓，常用的方法是晶 閘管兩端并接電容，利用電容電壓不能突變的特性吸 收尖峰過電壓，把它限制在允許范圍內(nèi)。 （二）交流側過電壓及其保護 交流側電路在接通、斷開時會出現(xiàn)過電壓，通常 發(fā)生在下列幾種情況：由高壓電源供電或電壓比很 大的變壓器供電，在一次側合閘瞬間，由于一、二次

3、 繞組之間存在分布電容使高壓耦合到低壓出現(xiàn)過電壓。 阻容參數(shù) 解決辦法是在單相變壓器二次側或三相變壓器二次 側星形中點與地之間并聯(lián)o5F左右電容，也可在 變壓器一、二次繞組間加屏蔽層。與整流裝置并 聯(lián)的其它負載或裝置直流側斷開時，因電源回路電 感產(chǎn)生感應電動勢造成過電壓。整流變壓器空載 且電源電壓過零時一次側斷電，因變壓器勵磁電流 突變導致二次側感應瞬時過電壓。一般來說，開關 速度越快過電壓越高。 （三）過電壓保護器件 對于電網(wǎng)遭受雷擊或從電網(wǎng)侵入的干擾過電壓稱 為偶發(fā)性浪涌電壓，要求高的場合通常采用閥型避雷 器。 目前已大量采用壓敏電阻等非線性元件，它是以 氧化鋅為基體的金屬氧化物，有兩個電

4、極，極間充填 有氧化鉍等晶粒。正常電壓時晶粒呈高阻態(tài)僅有 100A左右的漏電流，過電壓時引起電子雪崩呈低阻 使電流迅速增大吸收過電壓。 壓敏電阻具有伏安特性。 主要參數(shù)為：漏電流為m時的額定電壓值 e亦稱1mA ，殘壓比為放電電流達規(guī)定值IY時的 電壓UY與1mA之比。允許通流容量為規(guī)定脈沖波 形下允許通過的最大沖擊電流。 TVS具有單向與雙向保護兩種形式，接線形式與 壓敏電阻相同，有時產(chǎn)品用穩(wěn)壓管符號來表示。 晶閘管裝置可能采用的幾種過電流保護措施 1）串接交流進線電抗或采用漏抗大的整流變壓器， 利用電抗限制短路電流。 2）電流檢測和過流繼電器 3）直流快速開關 4）快速熔斷器 變流裝置中大

5、多采用幾種過電流保護，各種保護必 須選配調(diào)整恰當，快熔作為最后保護措施，非不得已希 望不要熔斷。 關斷緩沖電路關斷緩沖電路（du/dt抑制電路）吸收器件的關斷過 電壓和換相過電壓，抑制du/dt，減小關斷損耗。 開通緩沖電路開通緩沖電路（d di i/d/dt t抑制電路）抑制器件開通時的 電流過沖和d di i/d/dt t，減小器件的開通損耗。 復合緩沖電路復合緩沖電路關斷緩沖電路和開通緩沖電路的結合。 按能量的去向分類法：耗能式緩沖電路耗能式緩沖電路和饋能式緩沖電路饋能式緩沖電路 （無損吸收電路）。 通常將緩沖電路專指關斷緩沖電路，將開通緩沖電路叫做 d di i/d/dt t抑制電路。

6、 緩沖電路緩沖電路( (SnubberSnubber Circuit) Circuit) ： 又稱吸收電路吸收電路， 抑制器件的內(nèi)因過電壓、du/dt、過電流和di/dt， 減小器件的開關損耗。 （一）電壓上升率dudt的限制 晶閘管阻斷時，其陽陰極之間相當一個結電容， 當突加正向陽極電壓時會產(chǎn)生充電電流，此電流流過 門極相當于觸發(fā)電流可能導致晶閘管誤導通。因此對 管子的最大正向電壓上升率必須加以限制，如100A 以上的KP型晶閘管允許斷態(tài)電壓臨界dudt值為 100Vs。 在有整流變壓器的裝置中，由于變壓器漏感與 管子兩端阻容吸收電路的作用，加到管子的dudt 值不會太大，在無整流變壓器時可

7、串入交流進線電 抗，也可在每整流橋臂串入橋臂電感(2030) 或在橋臂上套入12個鐵淦氧磁環(huán)。 （二）電流上升率（didt）的限制 晶閘管開通時，如陽極電流上升太快，使電流 來不及擴展到整個管子的PN結面，造成門極附近因 電流密度過大而燒毀，故必須限定晶閘管的通態(tài)電 流臨界didt值，如KP100管子其值為50A s。 b) t u CE iC O di dt抑制電路 無時 di dt抑制電路 有時 有緩沖電路時 無緩沖電路時 u CE iC 緩沖電路作用分析緩沖電路作用分析 無緩沖電路： 有緩沖電路： 圖1-38di/dt抑制電路和 充放電型RCD緩沖電路及波形 a) 電路 b) 波形 A

8、D C B 無緩沖電路 有緩沖電路 u CE iC O 圖1-39關斷時的負載線 充放電型RCD緩沖電路， 適用于中等容量的場合。 圖1-38di/dt抑制電路和 充放電型RCD緩沖電路及波形 a) 電路 其中RC緩沖電路主要用 于小容量器件，而放電 阻止型RCD緩沖電路用 于中或大容量器件。 圖1-40另外兩種常用的緩沖電 路 a)RC吸收電路 b)放電阻止型RCD吸收電路 （1）晶閘管串聯(lián) 并接均壓電阻j是防止靜態(tài)不均壓的有效方法， 圖b為均壓電阻連接，j值按下式選取 均壓電阻功率可按下式估算 式中 Um器件承受正反向峰值電壓； n串聯(lián)器件數(shù)； KRj系數(shù)，單相為025，三相為045，直流

9、為1。 由于晶閘管兩端的阻容吸收電路在串聯(lián)時可起動 態(tài)均壓作用，故不必再另接電阻電容。 （2）晶閘管并聯(lián) 器件并聯(lián)，若一個管子先 導通且管壓降較低時，可能導 致其它并聯(lián)管子不能觸發(fā)導通， 使先導通的管子承擔全部電流 而燒毀。因此必須采用強觸發(fā)， 提高觸發(fā)脈沖前沿以縮短管子 開通時間，達到盡量保持導通 一致。因此，非不得已最好不 采用管子并聯(lián)的做法。 一、同步電壓為正弦波的觸發(fā)電路 根據(jù)信號疊加的方式可分為串聯(lián)疊加與并聯(lián)疊加。 1）串聯(lián)疊加是 各信號串聯(lián)為電 壓相加進行控制。 2）并聯(lián)疊加控制是各控制信號并聯(lián)為電流疊加，為了減 小各信號間的相互影響，要求各信號提供電流呈恒流特 性。 因此并聯(lián)疊加

10、可變換成串聯(lián)電壓疊加，但并聯(lián)疊加 各控制信號可有公共接點，由于各信號串入大電阻，信 號間相互影響小。 因此調(diào)節(jié)（R4） 即可調(diào)節(jié)脈寬，通常在 三相全控電路中脈寬調(diào) 至90o，各點波形如 ： 由上述觸發(fā)電路送出的觸發(fā)脈沖只能在正弦波同 步電壓單調(diào)上升段范圍內(nèi)移相，為了保證在晶閘管需 要的時刻收到觸發(fā)脈沖而導通，觸發(fā)電路引入的同步 電壓必須與被觸發(fā)晶閘管的陽極電壓之間保持嚴格的 相位關系。 由此可見，對于NPN晶體管組成的正弦波同步觸發(fā)電路，要求電路工作 在整流與有源逆變兩種狀態(tài)時，每只晶閘管觸發(fā)電路的同步電壓US，滯后被 觸發(fā)晶閘管的陽極電壓120o，晶閘管VTl到VT2依次相差60o，對應觸發(fā)

11、電路 的同步電壓也依次相差60o，總之必須一一對應，這樣才能保證六個晶閘管 的控制角一致。 同步電壓與晶閘管陽極電壓之間要求的特定相位關系，可通過同步變壓器 的不同連接來實現(xiàn)。 正弦波同步觸發(fā)電路的優(yōu)點是整流輸出電壓與控制電壓成正比關系即d c，電路可看成一個線性放大器。該觸發(fā)電路還能部分補償交流電壓波 動對直流電壓的影響。 可增設最小控制角min與最小逆變角min限制信號 U1和U1，電路和合成波形。 二、同步電壓為鋸齒波的觸發(fā)電路 1鋸齒波形成、同步移相環(huán)節(jié) 電路各點的波形： 2脈沖形成放大環(huán)節(jié) 3其它環(huán)節(jié) （1）強觸發(fā) 晶閘管采用強觸發(fā)可縮短開通時間， 提高管子承受電流上升率的能力，有利

12、于改善串并聯(lián) 元件的動態(tài)均壓與均流，增加觸發(fā)的可靠性。因此在 大中容量系統(tǒng)的觸發(fā)電路都帶有強觸發(fā)環(huán)節(jié)。 （2）雙脈沖形成 對于三相全控橋整流電路觸發(fā) 必須采用寬脈沖或雙窄脈沖，本電路采用內(nèi)雙脈沖， 由V5、V6管構成一個“或”門，不論哪個管子截止， 電路即輸出觸發(fā)脈沖。 為了得到雙脈沖，六個觸發(fā)電路的x、Y端可按圖方式連接。 需要特別注意：使用這種觸發(fā)電路的晶閘管裝置， 要求三相電源有確定的相序。在新裝置安裝使用時，必 須先測定電源的相序，按照裝置要求正確連接，才能正 常使用。 （3）脈沖封鎖 在事故情況下或在可逆邏輯無環(huán) 流系統(tǒng)，要求一組晶閘管橋路工作，另一組橋路封鎖， 這時可將脈沖封鎖引出

13、端接零電位或負電位，晶體管 V7、V8就無法導通觸發(fā)脈沖無法輸出。 三、集成觸發(fā)器和數(shù)字式移相觸發(fā) 電力電子器件及其門控電路的集成化和模塊化是 電力電子技術的發(fā)展方向，其優(yōu)點是體積小，功耗低， 調(diào)試接線方便、性能穩(wěn)定可靠。 （一）KC04移相集成觸發(fā)器 引出管腳順序由缺口開始，按逆時針方向排列。它與分立元 件組成的鋸齒波同步觸發(fā)電路一樣，由同步信號、鋸齒波產(chǎn)生、 移相控制、脈沖形成和整形放大輸出等環(huán)節(jié)組成。 KC04移相觸發(fā)器主要用于單相或三相全控橋式 裝置，其主要技術數(shù)據(jù)如下： 電源電壓：DC15V允許波動5 電源電流：正電流15mA，負電流8mA 移相范圍：170o (同步電壓30V，R4

14、15k) 脈沖寬度：400s2ms 脈沖幅值：13V 最大輸出能力：100mA 正負半周脈沖相位不均衡范圍：3o 環(huán)境溫度：1070 KC41C與三 塊KC04(KC09) 可組成三相全控 橋雙脈沖觸發(fā)電 路，內(nèi)部電路與 外部接線。 （二）KC41C六路雙脈沖形成器 由三塊 KC04、一 塊KC41C可 組成觸發(fā)組 件，用于三 相橋式全控 變流器的觸 發(fā)。 （三）數(shù)字式移相觸發(fā)器 數(shù)字式移相觸發(fā)電路的工作原理框圖 利用專用芯片進行直接數(shù)字控制已較普遍采用， 其控制靈活便于實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化，構成的數(shù)字 移相觸發(fā)器其三相對稱精度可達75o15o。 一、同步的概念 觸發(fā)脈沖必須在管子陽極電壓為正

15、時的某一區(qū)間內(nèi) 出現(xiàn)，晶閘管才能被觸發(fā)導通。 正確選擇同步信號電壓相位以及得到不同相位同 步電壓的方法，稱為晶閘管電路的同步或定相。 三相橋式全控整流電路來說明： 當脈沖移相范圍要求較小時，如正弦波移相電 路為了避免同步電壓頂部過于平坦，交點不明確導 致電壓不穩(wěn)定，可選擇線性較好的工作段，將同步 信號電壓USB前移30o。 二、實現(xiàn)同步的方法 晶閘管整流裝置是通過三相同步變壓器不同連 接方式或配合阻容濾波產(chǎn)生的移相效應，得到要求 相位的同步電壓。 三相變壓器繞組可接成星形或三角形。 三相同步變壓器12種接法與鐘點表示： 實現(xiàn)同步的具體步驟如下： 1）根據(jù)不同觸發(fā)電路與脈沖移相范圍的要求， 確定

16、同步信號電壓US與對應晶閘管陽極電壓之間 的相位關系。 2）根據(jù)整流變壓器TR的接法與鐘點數(shù)，以 電網(wǎng)某線電壓作參考矢量，畫出整流變壓器二次 側也就是晶閘管陽極電壓的矢量位置，再根據(jù)步 驟）確定的US與晶閘管陽極電壓的相位關系， 畫出對應的同步相電壓與線電壓矢量。 3）根據(jù)同步變壓器一次、二次線電壓位置， 定出同步變壓器TS的鐘點數(shù)與接法。 三、脈沖變壓器 觸發(fā)電路常通過脈沖變壓器輸出觸發(fā)脈沖。脈沖 變壓器有以下作用：阻抗匹配，降低脈沖電壓增大 輸出電流，更好觸發(fā)晶閘管；可改變脈沖正負極性 或同時送出兩組獨立脈沖；將觸發(fā)電路與主電路在 電氣上隔離，有利于防干擾更安全。 1）由于傳遞單向脈沖，鐵心中磁通密度變化為 BmBr，比交流電壓小得多。因此鐵心截面應適當 選大一些，材料應采用冷軋硅鋼片或坡莫合金、鐵淦 氧，設計時Bm通常取8B。為了減小Br，可使 鐵心留有一點氣