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小功率晶闸管整流电路
课程设计内容本课程设计的内容是利用所学过的《电力电子技术》课程的相关理论知识和 给定设计指标（具体设计参数见设计任务书） ，设计一个满足性能要求的小功率 电力电子电路。具体应包括以下内容： 1. 根据设计要求确定电气系统方案； 2. 绘制系统框图和电气原理草图； 3. 4. 5. 6. 主电路参数计算和元器件选择； 系统保护环节设计； 触发电路选择和校验； 绘制系统电气原理总图，列出元器件明细表；7. 完成设计报告； 8. 对设计进行全面总结§2-1设计方案的确定设计一个电力电子变流装置（电路），必需满足用户要求，首先要考虑技 术性能指标；第二是经济指标；第三是先进性、合理性和可行性。因此，为使一 个控制系统设计确保技术指标先进、合理，经济指标良好，又为今后的发展和进 一步技术改造留有余地，就必须对设备的使用条件，被控制设备的工艺要求进行 充分调研，搜集与设计有关的技术资料，了解国内外同类产品的技术水平和发展 趋势，然后对系统设计的总体方案进行必要的比较和论证，使之变成一个可以付 诸实施的技术方案。 一、对电气控制系统的技术要求 ①输出一定的直流电压和电流。 ②输出电压的脉动指标在允许范围内。 ③具有自动稳压功能和一定的稳压精度。 ④对调速系统应有静态技术指标和动态技术指标的要求。 静态技术指标是指系统的调速范围D和静差率s。不同的生产机械要求也不 同，表2-1给出了常见生产机械的静态调速指标。表2-1 几种常见生产机械的静态调速指标调速系统的动态指标是指系统在稳定的前提下，对阶跃给定信号的跟随性能 指标和在扰动信号作用下的抗扰动性能指标，如超调量、过渡过程时间、动态速 降及振荡次数等。 此外，在设计一个实际系统时，还要考虑系统的可靠性、使用寿命、工作环 境以及尽量做到体积小、重量轻、外形美观、使用维护方便等。 二、直流电动机选择 设计一个电力拖动系统时，需要根据被控对象的特点和技术要求，合理选择 电动机。 1.电动机类型的选择 要根据负载性质来选定。对起动、制动及调速有较高要求的生产机械，宜选 用直流他励电动机；而需要较大起动转矩和恒功率调速的机械 (如电车、蓄电池 车、牵引机械等)常用直流串励电动机或直流积复励电动机。 2.电动机容量的选择 要根据生产机械的负载功率、电力拖动系统的运行情况(连续、断续、短时)、 电动机发热是否超过允许的温升限度、电动机的过载能力和起动转矩是否满足要 求进行选择。常用的有两种方法，一种是分析计算法，即按照生产机械的功率、 工作情况，预选一台电动机，然后按照电动机的实际负载情况作出负载图，根据 负载图进行发热校验以及过载能力校验，从而确定预选电动机是否合格，直至合 格为止。另一种是调查统计类比法。它是在调查研究了经过长期运行的同类生产 机械的电动机容量后，然后通过对主要参量、工作条件类比的方法来确定电动机 容量。3.电动机转速的选择 直流电动机的最高转速应与生产机械的最高转速相适应， 同时还应考虑调速 方式，即减压调速还是调磁调速，以便充分利用电动机功率。 4. 电动机结构型式的选择 在正常环境条件下，可采用防护式电动机；在空气中有较多粉尘的场所，宜 用封闭式电动机；在湿热带地区或比较潮湿的场所，应选用湿热带型电动机；在 露天场所，宜用户外电动机；在高温车间，应选用绝缘等级与周围环境相适应的 电动机；在有爆炸危险的场所，应选用防爆型电动机；在有腐蚀性气体或游离物 的场所，应选用防腐式电动机。 除上述四点外， 还应考虑直流电动机的额定电压(如11OV、220V、 440V 等)， 是单端出轴还是两端出轴，是立式安装还是卧式安装，电动机转速较高时还应考 虑机械减速装置等，这些都必须在设计时根据具体条件，经过经济核算，合理地 选择电动机。 三、主电路的选择 一般说来，对于晶闸管整流装置在整流器功率很小时(4KW 以下)，用单相整 流电路，功率较大时用三相整流电路。在单相整流电路中，全波电路比半波电路 脉动成分小，滤波容易。所以，全波电路比半波电路用得多， 但对脉动要求不 高的场合(如小型充电机)也可采用半波整流电路。在全波电路里，单相桥式电路 比双半波电路具有变压器利用率高、加在器件上的反向电压低等优点，因此多采 用单相桥式整流电路。在需要有源逆变的场合应采用单相全控桥式整流电路。双 半波整流电路由于使用的整流器件少，在电压不高的小功率电路中也被采用。 在三相整流电路中，三相零式电路突出的优点是电路简单，用的晶闸管少， 触发器也少，对需要220V 电压的用电设备直接用380V电网供电，而不需要另设 整流变压器。但缺点是要求晶闸管耐压高，整流输出电压脉动大，需要平波电抗 器容量大，电源变压器二次电流中有直流分量，增加了发热和损耗。因零线流过 负载电流，在零线截面小时压降大，往往需要从变压器单独敷设零线。而三相桥 式整流电路，在输出整流电压相同时，电源相电压可较零式整流电路小一半，因 此显著减轻了变压器和晶闸管的耐压要求。变压器二次绕组电流中没有直流分 量，利用率高。输出整流电压脉动小，所以平波电抗器容量就可小一些。三相桥 式整流电路的缺点是整流器件用得多，全控桥需要六个触发电路，需要220V电压 的设备也不能用380V电网直接供电， 而要用整流变压器 三相半控桥式整流电路， 。 虽然只用三只晶闸管、三个触发电路，但整流输出电压脉动大，且不能用于需要 有源逆变的场合，故在要求较高的场合还应选择三相全控桥式整流电路。 在需要低电压大电流供电的场合(如电解、电镀)，可采用带平衡电抗器的双 反星形晶闸管整流电路。对于特大功率的整流装置(数千千瓦) ，为了减轻对电 网的干扰，特别是减轻整流装置对电网的影响，可采用12相及12相以上的多相整 流电路。对于电动机可逆运行系统，根据容量不同可选择不同的可逆运行方案。4KW 以下的小容量直流电动机，可采用接触器实现反转的电枢可逆系统。容量较大的 电动机， 可采用两套反并联结或交叉联结的晶闸管整流装置来实现电枢反接的可 逆系统。在可逆系统中多采用容量对称两套晶闸管装置实现。只有在电动机正反 向负载电流相差十分悬殊的场合， 需要根据正反两个方向实际负载电流大小分别 选择两套整流装置的容量，这对大系统来说可以达到节省投资的目的。对于磁场 可逆方案，其优点就是磁场回路可用两套小容量晶闸管整流装置供电，可节省投 资。其缺点是控制电路复杂，过渡过程时间长，电动机换向条件恶化，因此只适 用于大容量系统和对快速性要求不高的场合。四、触发电路的选择 晶闸管的门极电压又叫触发电压，产生触发信号的电路叫触发电路。触发电 路性能的好坏，直接影响到系统工作的可靠性。因此触发电路必须保证迅速、准 确、可靠地送出脉冲。为达到这个目的， 正确选用或设计触发电路是非常重要的， 一个触发电路性能的优劣常用下列几点来衡量： 1．触发脉冲必须保持与主电路的交流电源同步，以保证每个周期都在相同 的延迟角α处触发导通晶闸管。 2．触发脉冲应能在一定的范围内移相。对于不同的主电路要求的移相范围 也不同。例如对于三相半波电路、电阻性负载，要求的移相范围为0°～ 150°； 大电感负载(电流连续)，只要求整流，则移相范围为 0°～ 90°；如既要求整流又要逆变，则为30°～ 150°；三相全控桥式电路， 电阻负载时为0°～ 120°，既要整流又要逆变时，其移相范围为30°～ 150°， 为保证逆变可靠，对最小逆变角βmin 应加以限制；三相半控桥式电路，移相范 围为0°～ 180°。 3．触发信号应有足够的功率（电压与电流）。为使所有合格的器件在各种 可能的工作条件下都能可靠触发，触发电路送出的触发电压和电流，必须大于器 件门极规定的触发电压UGT 与触发电流IGT 。例如 KP50 就要求触发电压不小于 3.5V， 电流不小于l00mA； KP200 则要求触发电压不小于4V， 电流不小于200mA 。 故触发电压在4V以上、1OV以下为宜，这样就能保证任何一个合格的器件换上去 都能正常工作。在触发信号为脉冲形式时，只要触发功率不超过规定值，触发电 压、电流的幅值在短时间内可大大超过额定值。 4．不该触发时，触发电路的漏电压应小于0.15～0.2V，以防误触发。 5．触发脉冲的上升前沿要陡。否则，因温度、电源电压等因素变化时将造 成晶闸管的触发时间不准确。设脉冲的幅值为Um， 脉冲前沿是指由0.1Um上升到 0.9Um所需要的时间，一般要在10μs以内为宜。 6．触发脉冲应有一定的宽度。一般晶闸管的开通时间为6μs左右， 故触发 脉冲的宽度至少应在6μs以上，最好应有20～50μs。对于电感负载，触发脉冲的宽度应加大，否则在脉冲终止时主电路电流还上升不到晶闸管的擎住电流，则 晶闸管又重新关断 因此脉冲宽度不应小于100μs， 。 最好达到1ms， 相当于5OHz 正触发电路名称 优点 缺点 适用范围弦波的18°，对于三相桥式全控整流电路，若采用宽脉冲触发，则脉冲宽度应大 于60°，一般设计成90°（5ms），对于较宽的触发信号也可用脉冲列的形式代 替。图2-1表示常用的三种触发脉冲波形。图2-1 三种常用触发脉冲波形图2-2 强触发脉冲波形在功率较大的系统中，或者主回路有电容放电以及晶闸管串、并联使用的场 合，均可能造成通过晶闸管的电流上升率di/dt过高，若导通面积的扩展速度不 够快时，将引起局部结温过高而损坏器件。提高门极电流的电平和前沿陡度，能 够有效地提高导通面积的扩展速度，提高器件承受di/dt的能力。因此在晶闸管 电流上升率di/dt较大的场合，必须采用强触发。强触发脉冲的幅值Igm 可取最 大触发电流IG的5倍，前沿宽度t1在几微秒以内，强触发脉冲宽度t2应大于5Oμs （但也不能太大，以防超过门极允许功率），脉冲持续时间t3应大于550μs（如 图2-2）。 晶闸管的触发电路种类很多，表2-2列出了几种常用的触发电路类型、优缺 点和适用范围，可供设计时参考。触发电压为正弦波，上升前措 阻容移相桥 触发电路 结构简单、成本低、工作 可靠、调节方便 不陡，受电网波动影响大，触发准 仅适用于小功率晶 确性与可靠性差，由于不是脉冲触 闸管整流装置，且控制 发，门极电流大，增加了晶闸管损 精度要求低的场合 耗，而且调节范围也受到限制 不附加放大环节， 单结晶体管 触发电路 电路简单、成本低、触发 脉冲前沿陡，工作可靠、抗干 扰能力强，易于调试 脉冲宽度窄，输出功率小，控 可触发5OA以下的晶闸 制线性度差，移相范围一般小于 路中使用不易一致 管，常用于要求不高的 电路中，但在大电感负 载中不易采用 180°。 电路参数差异大， 在多相电 小功率单相或三相半波用小晶闸管放 触发电路电路简单、可靠，触发功需要单结晶体管电路触发小晶 闸管、用的器件相应增多用于触发大功率晶 闸管或多只晶闸管串并 联的场合大脉冲功率的 率大，可获得宽脉冲触发电路简单， 易于调整， 能输出宽脉冲，直流输出电压 正弦波同步 触发路 Ud 与控制电压Uc 为线性关系， 能部分补偿电网电压波动对输 出电压的影响。在引入正反馈 时，脉冲前沿陡度可提高 不受电网电压波动与波形 畸变的直接影响，抗干扰能力 整流输出电压Ud与控制电压Uc 在大中容量晶闸管 锯齿波同步 强， 移相范围宽。具有强触发、 触发电路 间不是线性关系，电路比较复杂 装置中得到广泛的应用 双脉冲和脉冲封锁等环节，可 触发20OA的晶闸管 体积小、功耗低、调试方 便、性能稳定可靠 移相范围小于180°， 为保证触 发脉冲对称度，要求交流电网波形 畸变率小于5% 广泛应用于各种晶 闸管装置中 由于同步信号为正弦波，故受 电网电压的波动及干扰影响大，实 际移相范围只有150°左右 不适用于电网电压 波动较大的场合。可用 于功率较大的晶闸管装 置中集成触发电路数字式触发电路触发准确、精度高线路复杂、成本高用于要求较高的场合常用触发电路比较表 表2-2 常用触发电路比较表五、保护电路的设置 晶闸管有许多优点，但是它承受过电压和过电流的能力很差，短时间过压过 流就会使器件损坏。晶闸管能承受电压和电流上升率是有一定限制的，当电流上 升率过大时，会使器件局部烧穿而损坏。当电压上升率太大时，又会导致晶闸管 误导通，使运行不正常。为了使器件可靠地长期运行，除了合理选择晶闸管外，还必须针对过电压和过电流采取恰当的保护措施。 所谓过电压，就是指超过整流电路正常工作时的最大峰值电压，分操作和浪 涌过电压两种。操作过电压是指晶闸管装置拉闸、合闸和晶闸管关断等电磁过程 引起的过电压。浪涌过电压是由于雷击等原因从电网侵入的偶然性过电压。 阻容吸收装置可将操作过电压抑制在规定范围之内，但对浪涌过电压不能有 效的抑制，还需设置非线性电阻元件来吸收浪涌过电压。目前常用的非线性电阻 元件有硒堆和压敏电阻两种。 压敏电阻是一种新型的过电压保护元件，是由氧化锌、氧化锡等烧结制成。 压敏电阻具有很陡的正反向对称的稳压管特性，平时漏电流很小（微安级），而 放电时可通过高达数千安的冲击电流，抑制过电压的能力很强。对浪涌过电压反 应快，而且本身体积小，是一种较好的过电压保护元件，目前已基本取代硒堆。 晶闸管装置在运行时，有可能产生过电流。其原因可能是生产机械过载、输 出端短路、某一器件被击穿短路、器件误触发或逆变失败等。如不采取措施就会 烧毁晶闸管，影响电路的正常工作。常用的过电流保护措施有如图2-3 所示的几 种：图2-3 过电流保护措施1．在交流侧串入电抗器（图 2-3 中的 A）或采用漏抗较大的变压器可以有 效地限制短路电流，从而限制了晶闸管中的电流。但在负载电流较大时会产生较 大的电压降。 2．在控制电路中设置电流调节器或电流截止反馈环节，把过电流限制在一 定的数值之内。或用拉入逆变的方法，使整流器转为逆变状态工作，把整流电路 中的能量回送到电网，使故障电流迅速下降。 3．采用过电流继电器和断路器的方法。可在交流侧经过电流互感器接入过 电流继电器(图 2-3 中的B)或者在直流侧接入过电流继电器（图 2-3中的 F）。 当发生过电流故障时，过电流继电器动作，引起交流输入端的断路器跳闸。由于 过电流继电器和断路器的动作时间需几百毫秒， 故只保护过载电流。 4．用直流快速断路器作过电流保护(图2-3中的G)。直流快速断路器的动作 时间仅有2ms，全部断孤时间不超过25～30ms，是目前较好的直流侧过电流保护 装置，多用于大容量系统中。 5．采用快速熔断器作过电流保护(图2-3中的C、D、E)。快速熔断器有较好 的快速熔断特性，其熔断时间一般都小于1Oms，一旦发生过电流可及时熔断，保护晶闸管。在设计晶闸管装置过电流保护环节时， 可根据需要选择其中一种或 几种进行过电流保护。 此外，由于电路中电感的存在，器件关断时易产生过电压和大的du/dt，给 器件安全运行带来威胁。同时在器件开通时又可能产生过大的 di/dt 而烧毁器 件。为此，设置缓冲保护电路是必要的。缓冲保护电路各不相同，经常采用的方 法是利用串联电感来限制dt/dt，利用并联电容来抑制过电压和du/dt。§2-2一、晶闸管整流主电路计算主电路计算主电路计算所包含的具体内容是： ① 整流变压器额定参数计算。 ② 整流元件的计算与选择。 ③ 晶闸管保护电路的计算。 ④ 电抗器的参数计算。 （一）整流变压器额定参数的计算 一般情况下，整流装置所要求的交流供电电压与电网电压不一致，因此需要使 用整流变压器。此外，整流变压器还可减小电网和整流装置的相互干扰。 已知条件：①一次电压；②整流电路接线方式和负载性质；③整流输出电压和 电流。 计算参数：①二次相电压U2和相电流I2；②一次相电流I1；③一次侧容量S1、 二次侧容量S2和平均容量S。 1. U2的计算 U2是一个重要参数，选择过低，无法保证输出额定电压。选择过高， 又会 造成延迟角α加大，功率因数变坏，整流元件的耐压升高，增加了装置的成本。 一般可按下式计算，即：式中：Udmax ―― 整流电路输出电压最大值； nUT C Ush I2/I2N―― 主电路电流回路n个晶闸管正向压降； ―― 线路接线方式系数，见附录一； ―― 变压器的短路比， 对10～100KV?A变压器， sh = 0.05～0.l； U ―― 变压器二次实际工作电流与额定电流之比，应取最 大值。 在要求不高的场合或近似估算时，用下式计算则更加方便，即：式中 A ―― 理想情况下，α=0°时整流电压Udo与二次电压U2之比，即 A=Udo/U2，见附录一； B ―― 延迟角为α时， 输出电压 Ud 与 Udo 之比，即 B= Ud / Udo ， 见 附录一，α考虑10°裕量，B=cosα=cos10°=0.985； ε―― 电网波动系数，通常取ε= 0.9 l～1.2 ―― 考虑各种因素的安全系数。 2. 二次相电流I2和一次相电流I1 I1 = KI1Id / K 式中 I2 = KI2Id K ―― 变压器变比； KI1、KI2 ―― 由附录一选取，对于三相全控桥 KI1=KI2=0.816； K=N1/N2 ―― 变压器一次与二次匝数比。考虑变压器的励磁电流时，I1应 乘以1.05左右的系数。 3. 变压器的容量计算 S1 = m1U1I1 S2 = m2U2I2 S = 1/2(S1 + S2 ) 式中 m1、m2―― 一次侧、二次侧绕组的相数， 对不同接线方式可由附录一查得。 在已知整流功率 Pd = UdId 的情况下，也可应用附录一中的容量比值对变压 器进行计算。 （二） 整流元件的选择 晶闸管和整流管的选择主要指合理地选择器件的额定电压和电流。1.晶闸管的额定电压 在已知U2的条件下，由根据晶闸管实际承受的最大峰值电压UTm，乘以(2～ 3)倍的安全裕量，参照标准电压等级，即可确定晶闸管的额定电压UTN。即： UTN =（2～3）UTm 2. 晶闸管的额定电流 选择晶闸管额定电流的原则是必须使管子允许通过的额定电流有效值ITN大 于实际流过管子电流最大有效值IT，即：或考虑（1.5～2）倍的裕量 IT（AV） = （1.5～2）KId 式中 K=IT/（1.57Id）――电流计算系数，可查表得，对三相全控桥，K=0.367。min选择K值时应注意负载的性质，除恒流负载应按αmax 来选择外，其它均以α 来选择。 整流二极管的选择与计算和晶闸管相同，故可参照晶闸管的选择与计算方法进行，这里不再重述。 此外，还需注意以下几点 : ① 当周围环境温度超过+40℃时，应降低元件的额定电流值。 ② 当元件的冷却条件低于标准要求时，也应降低元件的额定电流值。 ③关键、重大设备，电流裕量可适当选大些。 目前由于品闸管元件制造工艺水平不断改进，元件的耐压和电流容量都有 较大提高，对于中、小功率品闸管整流装置来说，采用品闸管串且并联情况已逐 步减少，故这里不再介绍串、并联问题。如果设计者采用串、并联方式，一定要 注意晶闸管元件串联时的均压问题和并联时的均流问题，相关内容请参考教材。 （三）晶闸管保护环节的设计与计算 1. 过电压保护 设计要求 : ①把操作过电压抑制在元件额定电压UTN以下；②把浪涌过电压 抑制在元件的断态和反向不重复峰值电压 UDSM 和 URSM 以下。 以过电压保护部位来分，有交流侧过电压保护、直流侧过电压保护和器件 两端的过电压保护三种。 (1) 交流侧过电压保护措施 1）阻容保护 即在变压器二次并联电阻R和电容C进行保护，各种接线方式如图2-4所示。图 2-4 阻容保护的接法 联结， a）单相 b）三相变压器二次侧 Y 联结，阻容保护 Y 联结 c）三相变压器二次侧 Y 联 结，阻容保护 D 联结对于三相电路，如图2-4b)、c)中R和C的数值可按表2-3进行换算。表2-3 变压器和阻容装置不同接法时电阻和电容的数值单相 与变压器 阻容装置接法 二次侧并联 电容 电阻 C R变压器接法三相、二次Y联结 Y联结 C R D联结 1/3C 3R三相、二次D联结 Y联结 3C 1/3R D联结 C R对于大容量的晶闸管装置，三相阻容保护装置比较庞大，这时，可以采用图 2-5所示的整流式接法。虽然多了一个三相整流桥，但只用了一个电解电容，从 而可以减小了保护装置的体积。图2-5 三相整流式阻容保护的接法电容C的选择与图2-4中单相电路电容的计算方法相同，耐压值应大于 1.5倍交流线电压的峰值。 Rc、R的数值可按下式计算，单位为Ω。在电阻R中，平时几乎没有电流，只在过电压时流过瞬时电流，所以电阻R的 功率可以不必专门考虑，一般可取4～lOW。 2）非线性元件保护 阻容吸收保护简单可靠，应用较广泛，但会发生雷击或从电网侵入很大的浪 涌电压，对于这种能量较大的过电压就不能完全抑制。根据稳压管的稳压原理， 目前较多采用非线性元件吸收装置，接入整流变压器二次侧，以吸收较大的过电 压能量。 常用的非线性元件有硒堆和压敏电阻等。 ① 硒堆 通常用的硒堆就是成组串联的硒整流片。单相时用两组对接后再与电源、并 联，三相时用三组对接成Y形或用六组接成△形，如图2-6所示。图 2-6 硒堆保护的接法 三相Y 三相△ a）单相 b）三相Y接 c）三相△接当电源电压正负交变时，总有一组晒堆处在反向受压状态。在正常工作情况 下，受反压的硒堆工作在伏安特性（如图2-7）的A点，漏电流很小。B 点对应的 电压UB 是阻容保护装置限制的操作过电压峰值， 硒片允许最大反向电流密度 (2.5～4)mA/cm2，这时一切都正常。在阻容保护装置抑制过电压的同时，硒 堆也能吸收掉一部分变压器磁场释放出来的能量。当出现异常的浪涌电压时，硒 堆工作点继续上升到C点，造成硒片击穿，如同电源经硒堆作瞬时的短路，硒堆 吸收浪涌的能量，从而限制了过电压的数值。硒片由于面积较大，击穿时只是烧 焦几点，待浪涌电压消失后，整个硒片仍能恢复正常，继续起过电压保护作用。图2-7 硒堆伏安持性及其保护作用 UA ―― 正常电压峰值 UB ―― 操作过电压峰值 操作过电压峰值 Uc ―― 击穿电压 IB ―― 硒片允许最大反向电流每片硒片的额定反向电压有效值可由产品目录查得，一般为20～3OV。考虑 到电网电压的可能升高和硒片特性的分散性，通常用（1.1～1.3）倍的正常工作 线电压U2l除以每片额定电压， 即得每组所需硒片数。 硒片的面积有16 ×16、 22 2 ×22、40×40、60×60 、100×100 mm 等规格，可根据装置来选用。通常1OKW 以下用16×16、22×22 mm2的晒片，20～3OKW可用40×40 mm2的，30～100KW采用 60×60 mm2的硒片。 采用硒堆保护的优点是它能吸收较大的浪涌能量，缺点是硒堆的体积大，反 向伏安特性不陡，并且长期放置不用会产生“贮存老化”，即正向电阻增大，反 向电阻降低，性能变坏，失去效用。使用前必须先经过“化成”，才能复原。 “化 成”的方法是：先加50%的额定交流电压10分钟，再加额定交流电压2小时。由此 可见，硒堆并不是一种理想的保护元件。 ② 压敏电阻 金属氧化物压敏电阻是近几年发展的一种新型过电压保护元件。它是由氧化 锌、氧化铋等烧结制成的非线性电阻元件，在每一颗氧化锌晶粒外面裹着一层薄 的氧化铋，构成类似硅稳压管的半导体结构，具有正反向都很陡的稳压特性，其 伏安特性如图 2-8所示。压敏电阻的伏安特性 图2-8 压敏电阻的伏安特性正常工作时压敏电阻没有击穿，漏电流极小（μA级），故损耗小； 遇到 尖峰过电压时，可通过高达数千安培的放电电流，因此抑制过电压的能力强。此 外还具有反应快、体积小、价格便宜等优点，是一种较理想的保护元件，目前已 逐步取代硒堆保护。用硒堆或压敏电阻抑制过电压时的电流、电压变化情况，如图2-9所示。压敏电阻抑制过电压 图2-9 用硒堆或压敏电阻抑制过电压没有任何保护时浪涌电压为U0 ；如用晒堆保护，电压只能抑制到Ux，如用 压敏电阻保护，电压被抑制到残压UY，由于通过较大的放电电流IY， 所以能把 浪涌量消耗。浪涌以后，又可恢复正常。压敏电阻承受的电压应低于额定电压 U1mA。由于压敏电阻正反向特性对称，因此在单相电路中用一个压敏电阻，而在 三相电路中用三个压敏电阻接成Y形或D形，常用的几种按法如图2-10 所示。压 敏电阻的主要缺点是平均功率太小， 仅有数瓦， 一旦工作电压超过它的额定电压， 很短时间内就被烧毁。图 2-10 压敏电阻保护的接法 a）单相板 单相板 b）三相Y联接 三相Y c）三相D联接 三相D压敏电阻的主要参数为： a. 标称电压U1mA：指漏电流为1mA时压敏电阻上的电压； b. 通流量：在规定冲击电流波形(前沿8μs，波形宽20μs)下，允许通过的浪涌 峰值电流； c. 残压：压敏电阻通过浪涌电流时在其两端的电压降。压敏电阻的选择为： a）标称电压UlmA U1mA=1.3 2 U式中U ―― 压敏电阻两端正常工作电压有效值(V)。 b) 通流量：应大于实际可能产生的浪涌电流值，一般取5kA以上。 c) 残压：由被保护元件的耐压决定，对于晶闸管，应使得在通过浪涌电流 时，残压抑制在晶闸管额定电压以下，并留有一定裕量。 3）直流侧过电压保护措施 直流侧保护可采用与交流侧保护相同的方法，可采用阻容保护和压敏电阻保 护。但采用阻容保护易影响系统的快速性，并且会造成 di/dt 加大。因此，一 般不采用阻容保护，而只用压敏电阻作过电压保护，如图2-11所示。图2-11 直流侧压敏电阻保护电路的接法图2-12 晶闸管两端阻容保护电路的接法压敏电阻的标称电压UlmA，一般用下面公式计算，即： UlmA ≥（1.8～2）UDC 式中 UDC ―― 正常工作时加在压敏电阻两端的直流电压(V)。 通流量和残压的选择同交流侧。 4）晶闸管两端的过电压保护措施 抑制晶闸管的关断过电压一般采用在晶闸管两端并联阻容保护电路的方 法，如图 2-12 所示。 阻容保护的数值一般根据经验选定，见表 2-4。表 2-4 与晶闸管并联的阻容经验数据晶闸管额定电流/A 电容/μF 电阻/Ω10 0.l 10020 0.15 850 0.2 40100 0.25 20200 0.5 10500 1 5电容耐压可选加在晶闸管两端工作电压峰值Um 的1.1～1.5倍。 电阻功率PR 为： PR = （fCUm2×10-6）W 式中：f ――电源频率（Hz）； C ――与电阻串联电容值（Μf）； Um ――晶闸管工作电压峰值(V)。 目前阻容保护参数计算还没有一个比较理想的公式， 因此在选用阻容保护元 件时，在根据上述介绍公式计算出数据后，还要参照以往用得较好且相近的装置 中的阻容保护元件参数进行确定。 2.过电流保护 过电流保护措施很多，如过电流继电器、断路器和快速熔断器等。这里主要 介绍快速熔断器的选择方法。 快速熔断器简称快熔，其断流时间短，保护性能较好，是目前应用最普遍的 保护措施。快速熔断器可以安装在直流侧、交流侧和直接与晶闸管串联，如图 2-13 所示。快速熔断器 熔断器的接法 图2-13 快速熔断器的接法 a）交流侧快熔 b）元件串联快熔 c）直流侧快熔其中以图b接法时保护晶闸管最为有效；图c只能在直流侧过载、短路时起作 用，图a对交流、直流侧过流均起作用，但正常运行时通过快熔的有效值电流往 往大于流过晶闸管中的有效值电流， 故在产生过电流时对晶闸管的保护作用就差 些，使用时可根据实际情况选用其中的一、二种甚至三种全用上。 目前常用的快速熔断器有RLS系列和RS3系列，它们的特性见附录二。快速熔 断器的选择主要考虑下述两个方面。 ①快速熔断器的额定电压应大于线路正常工作电压的有效值。 ②快速熔断器熔体的额定电流（有效值）Im 应小于1.57IT（AV） （IT（AV）为被保护晶闸管的通态平均电流）。同时又应大于正常运行时晶闸管 （或线路）通过的电流有效值IT，即： 1.57IT（AV）≥IFU≥IT（或I2、I） 3.电压和电流上升率的限制1）电压上升率 du/dt的限制 正向电压上升率du/dt较大时，会使晶闸管误导通。因此作用于晶闸管的正 向电压上升率应有一定的限制。 造成电压上升率 du/dt 过大的原因一般有两点： ①由电网侵入的过电压。 ②由于晶闸管换相时相当于线电压短路，换相结束后线电压又升高， 每一次 换相都可能造成 du/dt 过大。 限制 du/dt 过大可在电源输入端串联电感和在晶闸管每个桥臂上串联电 感，利用电感的滤波特性，使du/dt 降低。串联电感后的电路如图 2-14、2-15 所示。图2-14 串联进线电感直接接入电网 a） 单相电路 b） 三相电路图2-15 晶闸管串接桥臂电抗器2）电流上升率di/dt 的限制 导通时电流上升率di/dt太大， 则可能引起门极附近过热， 造成晶闸管损坏。因此，对晶闸管的电流上升率di/dt必须有所限制。 产生di/dt过大的原因，一般有： ① 晶闸管导通时，与晶闸管并联的阻容保护中的电容突然向晶闸管放电。 ② 交流电源通过晶闸管向直流侧保护电容充电。 ③ 直流侧负载突然短路等等。 限制di/dt，除在阻容保护中选择合适的电阻外，也可采用与限制 du/dt相 同的措施，即在每个桥臂上串联一个电感。 限制du/dt和di/dt 的电感，可采用空心电抗器，要求L≥ (20～30 )μH； 也可采用铁心电抗器，L值可偏大些。在容量较小系统中，也可把接晶闸管的导 线绕上一定圈数，或在导线上套上一个或几个磁环来代替桥臂电抗器。 （四）电抗器参数计算 为了使直流负载得到平滑的直流电流，通常在整流输出电路中串入带有气隙 的铁心电抗器Ld，称平波电抗器。其主要参数有流过电抗器的电流，一般是已知 的，因此电抗器参数计算主要是电感量的计算。 1.使输出电流连续的临界电感量 L1 对于电动机负载的晶闸管可控整流电路，当负载电流小到一定程度，会出现 输出电流断续的现象，这将使直流电动机的机械特性变软。为了使输出电流在最 小负载电流Idm时仍能连续，所需的临界电感量L1可用下式计算，单位为mH。L1 = k1U2 I d min式中 K1 ――与整流电路形式有关的系数，由表2-5查得； Idmin ――最小负载电流，常取电动机额定电流的5%～10%计算。 2.限制输出电流脉动的电感量 L2 由于晶闸管整流装置的输出电压是脉动的，因此输出电流波形也是脉动的。该脉 动电流可以看成一个恒定直流分量和一个交流分量组成。通常负载需要的只是直 流分量，对电动机负载来说，过大的交流分量会使电动机换向恶化和铁耗增加， 引起过热。因此，应在直流侧串入平波电抗器，用来限制输出电流的脉动量。平 波电抗器的临界电感量 L2（单位为 mH ）可用下式计算：U2 L2 = K2 S I i d式中 K2 ―― 系数，与整流电路形式有关，可查表2-5 Si ―― 电流最大允许脉动系数，通常单相电路Si≤20%，三相电路 Si≤（5～10）%。平波电抗器系数表 表2-5 平波电抗器系数表 输 系 整流电路形式出 端 形 式数 单 相 半 波 单 相 全 波单 相 半 控 桥 1.67 2.8 3.18 1.67 2.8 3.18用管 一的 个单 晶相 闸桥 1.67 2.8 3.18 － － －单 相 全 控 桥三 相 半 波三 相 半 控 桥 1.78 2.88 3.9 1.78 2.88 3.9三 相 全 控 桥六 相 半 波带双 平反 衡量 抗形 器输出 端有 续流 二极 管 输出 端没 有续 流二 极管K1 K2 KT K1 K2 KT2.7 5.05 6.37 － － －1.67 2.8 6.37 － － －1.67 1.03 2.8 1.660.655 0.378 0.325 0.925 0.56 0.338 3.9 5.51 7.83.18 6.75 2.86 1.46 4.5 2.250.695 0.401 0.348 1.045 0.605 0.523 3.9 5.51 7.83.18 6.75Lr =KrU2 Ir式中 Kr ―― 计算系数，一般取 Kr= K1 ； Ir ――要求的环流值，通常取Ir =(3%～10%)ID (ID为直流电动机电枢电 流)。 实际所需的均衡电感量为LraLra = Lr 一 LT如果均衡电流经过变压器两相绕组，计算Lra时，应代入2LT 。 一般说来，均衡电抗器Lra和平波电抗器Ld分设的方案比较经济，故采用较为 普遍，如图2-16所示。图2-16 Ld 和 Lra 分设的主电路图 a）三相半波反并联 b）三相桥式反并联二、电力电子器件选用原则 电力电子器件应用广泛，为达到应用电路功能良好、经济、维护方便，恰当 地选用电力电子器件是十分重要的。 （一）品种选择 目前普通晶闸管输出功率最大，但工作频率最低，在几十到几百赫内工作最 为理想。GTO 输出功率稍低一些，但工作频率要高一些，它是快速晶闸管最有力 的竞争者，而且逐渐显示出优势，它的最佳工作频率为几百至1.2KHz。GTR的容 量和IGBT大体相当，输出功率都低于GT0，最佳工作频率约为1～1OKHz，IGBT为 20～5OKHz，IGBT输入功率远比GTR低，控制更加方便，但它是电压控制器件，抗 干扰能力稍差。MOSFET 的电流和电压容量都比IGBT低， 但工作频率高， 可达50～100KHz 。因此，除了从电路是否简单考虑外，还应按照输出功率和频率选用电 力电子器件。 （二）器件电压选择 一般电力电子器件均应设置缓冲及R-C或浪涌吸收元件电路。对于有保护的 电路，器件的重复峰值电压（额定电压）应不低于工作电压峰值的(2～3)倍。 （三）电流等级的选择 电路设计人员，必须弄清电路在各种工作状态下通过器件的稳态电流和浪涌电 流。一般要根据可能出现的最大浪涌电流选择器件和电流等级， 再根据稳态电 流和高频时的开关损耗，计算出总功耗进而选用散热器。 不同器件额定电流的表达方式不同，要特别注意。如普通整流二极管、普通 晶闸管是工频正弦半波平均电流，其电流定额： IT（AV）=（1.5～2）IT/1.57 (IT 为工作时通过晶闸管的电流有效值)快速晶闸管也是工频正弦半波平均电流，但高频应用时，要计算开关损耗。 双向晶闸管用有效值表示，GTR、MOSFET、IGBT和GTO 等用峰值电流表示。§2-3触发电路的选择与校验如前面所述，触发电路的可靠性对整个系统的正常工作起着至关重要的作 用，在实际应用中，需根据系统的设计要求，全面考虑各项因素，最终确定合适 的触发电路，同时对电路中的某些参数进行计算，必要时需对脉冲输出级进行校 验。 常用的触发电路形式有：阻容移相桥触发电路、单结晶体管触发电路、同步 电压为正弦波或锯齿波的触发电路以及集成触发电路。 因篇幅关系，这里仅重点介绍集成触发电路，其它触发电路的相关知识请参 考有关教材和资料。 集成电路可靠性高，技术性能好，体积小，功耗低，调试方便。随着集成电路制作技术的提高，晶闸管触发电路的集成化已逐渐普及，现已逐步取代分立式 电路。目前国内常用的 KJ 系列和 KC 系列，两者生产厂家不同，但很相似。对 于集成触发电路，外围元件参数可参照典型线路进行选择，一般不需重新计算， 必要时可对输出级进行校验。 一、KJ004（KC04 基本相同） KJ004（ 基本相同） KJ004 KJ004 电路原理与分立元件的锯齿波移相触发电路相似，也分为同步、锯齿 波形成、移相、脉冲形成、脉冲分选及脉冲放大几个环节。由 1 个 KJ004 构成 的触发单元可输出 2 个相位间隔 180°的触发脉冲。 只需用3个KJ004 集成块和1个KJ041集成块,即可形成六路双脉冲,再由六个晶体 管进行脉冲放大,即构成完整的三相全控桥触发电路,如图 2-17 所示。 其中，KJ041内部实际是由12个二极管构成的6个或门，其作用是将6 路单脉 冲输入转换为6路双脉冲输出。也有厂家生产了将图2-17全部电路集成的集成块， 但目前应用还不多。 以上触发电路均为模拟量的，其优点是结构简单、可靠，但缺点是易受电网 电压影响，触发脉冲的不对称度较高，可达 3°～4°，精度低。在对精度要求 高的大容量变流装置中，越来越多地采用了数字触发电路，可获得很好的触发脉 冲对称度。图2-17 三相全控桥整流电路的集成触发电路二、KC09KC09是KC04电路的改进型，可以与KC04电路互换使用。由于电路内部采用了反向阻断四极硅晶闸管作脉冲记忆，提高了抗干扰能力和触发脉冲的前沿陡度，脉 冲的宽度也有较大的调节范围。KC09电路同样适用于单相、三相全控桥式供电装 置中作可控硅的双路脉冲移相触发。KC09电路两端相位差180°的移相脉冲可以 方便地构成全控桥式触发线路，该电路具有输出负载能力大，移相性能好，正负 半周脉冲相位均衡性好，移相范围宽，对同步电压要求小，有脉冲列调制输入端 等功能与特点。 主要参数： 1) 电源电压：直流+15V，-15V 允许波动±5%(±10%时功能正常) 2) 电源电流：正电流≤15mA，负电流≤8mA 3) 同步电压：任意值。 4) 5) 6) 7) 同步输入端允许最大同步电流：6mA(有效值) 移相范围：≥170°(同步电压30V，同步输入电阻15KΩ) 锯齿波宽度：≥10V 输出脉冲： 宽度：100μs～2ms 幅度：≥13V 最大输出能力：1000mA（脉冲电流）8) 元件允许使用环境温度：-10～+70℃ KC09电路的同步电压为任意值；同步串联电阻R4选择按下式计算： R4 =同步电压 ×103 （Ω） 2~3对不同的移相控制电压Uv，只要改变权电阻R1、R2的比例，调节相应的偏移电压Up，同时调整锯齿波斜率电位器RW1，可以使不同的移相控制电压获得整个 移相范围。触发器极性为正，即移相电压增加，导通角愈大。 KC09应用电路及各点波形如图2-18和2-19所示。 二、 TC787 TC787是采用先进的IC工艺设计制作的单片集成电路， 主要用于三相晶闸管 移相触发电路。与目前市场上流行的KC系列电路相比，具有功耗小、功能强、输 入阻抗高、抗干扰性能好、移相范围宽、外接元件少等优点；而且KC09 图2-18 KC09应用电路KC09各点波形 图2-19 KC09各点波形装调简便，使用可靠，只需要一块TC787 就可完成五块 KC 系列器件组合(三块 KC04，一块 KC041，一块 KC042)才能具有的三相相移功能。因此广泛用于三相 全控、三相半控、三相过零等电力电子线路中。图 2-18 TC787 管脚及功能表 a）管脚图 b）功能表TC787电路由三路相同的过零和极性检测，锯齿波形成、锯齿波比较电路组 成。经过抗干扰锁定电路、脉冲形成电路形成三相触发调制脉冲，由脉冲分配电 路实现全控、半控的工作方式，再由驱动电路完成输出驱动。 在同步信号为5OHz时，电容Ca、Cb、Cc 建议采用0.15μF 电容，相对误差 小于5%，以锯齿波线性好、幅度大、不平顶为宜。幅度小可减小电容值，产生平 顶则增大电容值。 电容Cx决定调制脉冲的宽度，用0.01μF 的电容时，脉冲宽度约为 lms 。 在同步信号为50Hz的情况下， 如希望输出调制脉冲在0°～180°范围满幅可 调，则Cx值应大于0.1μF。极限值和推荐工作条件 表 2-6 TC787 极限值和推荐工作条件附录
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