【導(dǎo)讀】隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展,晶閘管軟起動(dòng)裝置應(yīng)運(yùn)而生。三相異步電動(dòng)機(jī)的起停技術(shù)發(fā)生了劃時(shí)代的變化。晶閘管軟起動(dòng)產(chǎn)品問世不過30年左右的時(shí)間,而其主要性能卻大大優(yōu)于磁控軟起動(dòng)、液阻軟起動(dòng)等傳統(tǒng)軟起動(dòng)方式。它的體積小,結(jié)構(gòu)緊湊,幾乎免維護(hù),功能齊全,起動(dòng)重復(fù)性好,保護(hù)周全,目前已成為軟起動(dòng)領(lǐng)域中的佼佼者。
晶閘管簡(jiǎn)介
晶閘管(thyristor)是晶體閘流管的簡(jiǎn)稱,又可稱做可控硅整流器,以前被簡(jiǎn)稱為可控硅;1957年美國通用電器公司開發(fā)出世界上第一個(gè)晶閘管產(chǎn)品,并于1958年使其商業(yè)化;晶閘管是pnpn四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu),它有三個(gè)極:陽極,陰極和門極;晶閘管工作條件為:加正向電壓且門極有觸發(fā)電流。其派生器件有:快速晶閘管,雙向晶閘管,逆導(dǎo)晶閘管,光控晶閘管等。它是一種大功率開關(guān)型半導(dǎo)體器件,在電路中用文字符號(hào)為“v”、“vt”表示(舊標(biāo)準(zhǔn)中用字母“scr”表示)。
晶閘管具有硅整流器件的特性,能在高電壓、大電流條件下工作,且其工作過程可以控制、被廣泛應(yīng)用于可控整流、交流調(diào)壓、無觸點(diǎn)電子開關(guān)、逆變及變頻等電子電路中。
晶閘管參數(shù)說明
為了正確地選擇和使用晶閘管,對(duì)其主要參數(shù)應(yīng)有所了解才能正確地選型。晶閘管的主要參數(shù)有:
(1)斷態(tài)重復(fù)峰值電壓udrm
是指晶閘管在正向阻斷時(shí),允許加在a、k,如圖1所示,a是晶閘管的陽極,k是晶閘管的陰極,g是晶閘管的門極。極間最大的峰值電壓。此電壓約為不重復(fù)峰值電壓udsm的90%。
(2)反向重復(fù)峰值電壓urrm
在控制極斷路時(shí),允許重復(fù)加在晶閘管上的反向峰值電壓,稱為反向阻斷峰值電壓。此電壓約為不重復(fù)峰值電壓ursm的90%。udrm和urrm在數(shù)值上一般相近,統(tǒng)稱為晶閘管的阻斷峰值電壓。通常把其中較小的那個(gè)數(shù)值作為該型號(hào)器件上的額定電壓值。由于瞬時(shí)過電壓也會(huì)使晶閘管損壞,因此晶閘管的額定電壓應(yīng)選為正常工作峰值電壓的2~3倍,以確保安全。
(3)額定正向平均電流if
在規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)散熱條件和環(huán)境溫度(40℃)下,晶閘管的陽極和陰極間允許連續(xù)通過的工頻正弦半波電流的平均值,稱為額定正向平均電流。由于晶閘管的過載能力小,選用晶閘管的額定正向平均電流時(shí),至少應(yīng)大于正常工作平均電流的1.5~2倍,以留有一定的余地。
(4)維持電流ih
在室溫下,控制極開路時(shí),維持晶閘管繼續(xù)導(dǎo)通所必須的最小電流,稱為維持電流。當(dāng)正向電流小于ih值時(shí),晶閘管就自行關(guān)斷。ih值一般為幾十至一百多毫安。
(5)控制極觸發(fā)電壓vg、觸發(fā)電流ig
在室溫下,陽極加正向電壓為直流6v時(shí),使晶閘管由阻斷變?yōu)閷?dǎo)通所需要的最小控制極電壓和電流,稱為控制極觸發(fā)電壓和觸發(fā)電流。vg一般為3.5~5v,ig約為幾十至幾百毫安。實(shí)際應(yīng)用時(shí),加到控制極的觸發(fā)電壓和觸發(fā)電流應(yīng)比額定值稍微大點(diǎn),以保證可靠觸發(fā)。
(6)電壓上升率dv/dt
晶閘管阻斷時(shí)其陰陽極之間相當(dāng)于一個(gè)結(jié)電容當(dāng)突加陽極電壓時(shí)會(huì)產(chǎn)生充電電容電流,此電流可能導(dǎo)致晶閘管誤導(dǎo)通,因此對(duì)管子的最大正向電壓上升率必須加以限制,一般采用阻容吸收元件并聯(lián)在晶閘管兩端的辦法加以限制。
(7)電流上升率di/dt
晶閘管開通時(shí)電流是從靠近門極區(qū)的陰極開始導(dǎo)通然后逐漸擴(kuò)展到整個(gè)陰極區(qū)直至全部導(dǎo)通,這個(gè)過程需要一定的時(shí)間,如陽極電流上升太快,使電流來不及擴(kuò)展到整個(gè)管子的pn結(jié)面,造成門極附近的陰極因電流密度過大,發(fā)熱過于集中pn結(jié),結(jié)溫會(huì)很快超過額定結(jié)溫而燒毀晶閘管,故必須限定晶閘管的電流上升臨界值di/dt,一般在橋臂中串入電感或鐵淦氧磁環(huán)。
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晶閘管工作條件
由于晶閘管只有導(dǎo)通和關(guān)斷兩種工作狀態(tài),所以它具有開關(guān)特性,這種特性需要一定的條件才能轉(zhuǎn)化,此條件如附表所示。
晶閘管在高壓軟起動(dòng)中的應(yīng)用
隨著國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,高壓電動(dòng)機(jī)的數(shù)量不斷增加。由于大電機(jī)直接起動(dòng)時(shí)的電流為額定電流的5~7倍,而啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩只有額定轉(zhuǎn)矩的0.4~1.6倍。它在電網(wǎng)條件(電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的電網(wǎng)壓降小于10%)和工藝條件(啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩滿足)允許的情況下,可以直接啟動(dòng)。但過大的啟動(dòng)電流、過小的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和過長(zhǎng)的啟動(dòng)時(shí)間給電機(jī)和電網(wǎng)造成了極大的危害。常導(dǎo)致電網(wǎng)電壓、諧波電壓波動(dòng)的增大,以至前級(jí)跳閘,大大地增加了電網(wǎng)的負(fù)擔(dān)及電網(wǎng)污染,嚴(yán)重影響電網(wǎng)的安全運(yùn)行。同時(shí),也對(duì)自身造成了很大傷害。因此,必須在電源和電機(jī)之間串入軟起動(dòng)器來解決這些問題。
晶閘管電機(jī)軟起動(dòng)器的出現(xiàn),很好的解決了以上問題,它彌補(bǔ)了傳統(tǒng)軟起動(dòng)器的各種不足,很好地降低了電機(jī)的起動(dòng)電流,降低了配電容量,延長(zhǎng)了電機(jī)及相關(guān)設(shè)備的使用壽命。起動(dòng)參數(shù)可視負(fù)載調(diào)整,易于維護(hù)。
晶閘管電機(jī)軟起動(dòng)器工作原理
晶閘管在高壓電機(jī)軟起動(dòng)器中的應(yīng)用是一種利用晶閘管進(jìn)行交流調(diào)壓的應(yīng)用。利用晶閘管可以相控改變晶閘管導(dǎo)通的相位角來調(diào)節(jié)電壓。
晶閘管移相式軟起動(dòng)器是改變正弦交流電壓的波形,使之變?yōu)榉钦颐}沖式交流電,通過調(diào)節(jié)其占空比,如圖2所示。
注釋:
(1)α:控制角。指觸發(fā)脈沖的加入時(shí)間。
?。?)q:導(dǎo)通角。每半個(gè)周期晶閘管導(dǎo)通角度??刂平窃酱螅瑢?dǎo)通角越小,它們的和為定值α+q=p。它改變交流電的平均電壓,其平均電壓是可控的、平滑變化的。
晶閘管的選型
晶閘管是電機(jī)軟起動(dòng)器中最關(guān)鍵的功率器件,整機(jī)裝置是否工作可靠與正確選擇晶閘管額定電流、額定電壓等參數(shù)有很大的關(guān)系。選型的原則應(yīng)該首先考慮工作可靠性,即電流、電壓必須有足夠的余量倍數(shù)。其次應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)性即性價(jià)比,最后應(yīng)考慮安裝美觀、體積盡量減小等。
對(duì)于6kv、10kv的高壓電機(jī),由于電壓高,所以需要將晶閘管反并聯(lián)后再串聯(lián)起來。6kv每相需要6只晶閘管(2只反并聯(lián)后,3組串聯(lián)),10kv每相需要10只晶閘管(2只反并聯(lián)后,5組串聯(lián))。這樣對(duì)于每只晶閘管來說所承受的電壓約為2000v,所以所選擇的晶閘管的正反向不重復(fù)額定電壓vdsm、vrsm應(yīng)為6500v以上。
對(duì)晶閘管額定電流的選擇,必須考慮電機(jī)的額定工作電流。一般來說,晶閘管的電流應(yīng)是電機(jī)額定電流的3~4倍。
在晶閘管高壓電機(jī)軟起動(dòng)裝置中,采用2個(gè)獨(dú)立晶閘管器件反并聯(lián)組成的交流相控調(diào)壓,正負(fù)半周各對(duì)應(yīng)1個(gè)晶閘管工作,因此對(duì)2個(gè)反并聯(lián)器件參數(shù)的一致性要求較高。包括晶閘管觸發(fā)參數(shù),維持電流參數(shù)等也都盡量要求挑選一致。盡量讓正負(fù)半波對(duì)稱,否則會(huì)有直流成分電流流過電機(jī)。由于電機(jī)為繞組負(fù)載為電感性的,因此過高的直流份量會(huì)使得電機(jī)定子發(fā)熱嚴(yán)重,甚至?xí)龤щ姍C(jī)繞組,從而使電機(jī)報(bào)廢。
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晶閘管保護(hù)
晶閘管承受過電壓、過電流的能力很差,這是它的主要缺點(diǎn)。晶閘管的熱容量很小,一旦發(fā)生過電流時(shí),溫度急劇上升,可能將pn結(jié)燒壞,造成元件內(nèi)部短路或開路。例如一只100a的晶閘管過電流為400a時(shí),僅允許持續(xù)0.02s,否則將因過熱而損壞;晶閘管耐受過電壓的能力極差,電壓超過其反向擊穿電壓時(shí),即使時(shí)間極短,也容易損壞。若正向電壓超過轉(zhuǎn)折電壓時(shí),則晶閘管誤導(dǎo)通,導(dǎo)通后的電流較大,使器件受損。
晶閘管的過壓保護(hù)
在晶閘管兩端并聯(lián)r-c阻容吸收回路,如圖3所示,利用電容吸收過壓。其實(shí)質(zhì)就是將造成過電壓的能量變成電場(chǎng)能量?jī)?chǔ)存到電容中,然后釋放到電阻中消耗掉。
晶閘管從導(dǎo)通到阻斷時(shí),和開關(guān)電路一樣,因線路電感(主要是變壓器漏感l(wèi)b)釋放能量會(huì)產(chǎn)生過電壓。由于晶閘管在導(dǎo)通期間,載流子充滿元件內(nèi)部,所以元件在關(guān)斷過程中,正向電壓下降到零時(shí),內(nèi)部仍殘存著載流子。這些積蓄的載流子在反向電壓作用下瞬時(shí)出現(xiàn)較大的反向電流,使積蓄載流子迅速消失,這時(shí)反向電流消失的極快,即di/dt極大。因此即使和元件串連的線路電感l(wèi)很小,電感產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)l(di/dt)值仍很大,這個(gè)電勢(shì)與電源電壓串聯(lián),反向加在已恢復(fù)阻斷的元件上,可能導(dǎo)致晶閘管的反向擊穿。這種由于晶閘管關(guān)斷引起的過電壓,稱為關(guān)斷過電壓,其數(shù)值可達(dá)工作電壓峰值的5~6倍,所以必須采取抑制措施。
阻容吸收電路中電容器把過電壓的電磁能量變成靜電能量存貯,電阻防止電容與電感產(chǎn)生諧振、限制晶閘管開通損耗與電流上升率。這種吸收回路能抑制晶閘管由導(dǎo)通到截止時(shí)產(chǎn)生的過電壓,有效避免晶閘管被擊穿。
阻容吸收電路安裝位置要盡量靠近模塊主端子,即引線要短。最好采用無感電阻,以取得較好的保護(hù)效果。
晶閘管的過流保護(hù)
由于半導(dǎo)體器件體積小、熱容量小,特別像晶閘管這類高電壓大電流的功率器件,結(jié)溫必須受到嚴(yán)格的控制,否則將遭至徹底損壞。當(dāng)晶閘管中流過大于額定值的電流時(shí),熱量來不及散發(fā),使得結(jié)溫迅速升高,最終將導(dǎo)致結(jié)層被燒壞。
產(chǎn)生過電流的原因是多種多樣的,例如,變流裝置本身晶閘管損壞,觸發(fā)電路發(fā)生故障,控制系統(tǒng)發(fā)生故障等,以及交流電源電壓過高、過低或缺相,負(fù)載過載或短路,相鄰設(shè)備故障影響等。
晶閘管過電流保護(hù)方法最常用的是快速熔斷器。由于普通熔斷器的熔斷特性動(dòng)作太慢,在熔斷器尚未熔斷之前晶閘管已被燒壞;所以不能用來保護(hù)晶閘管。快速熔斷器由銀制熔絲埋于石英沙內(nèi),熔斷時(shí)間極短,可以用來保護(hù)晶閘管。
與普通熔斷器比較,快速熔斷器是專門用來保護(hù)半導(dǎo)體功率器件過電流的。它具有快速熔斷的特性,在流過6倍額定電流時(shí)其熔斷時(shí)間小于50hz交流電的一個(gè)周期(20ms)。一般說來快速熔斷器額定電流有效值應(yīng)小于被保護(hù)晶閘管的額定有效值,同時(shí)要大于流過晶閘管的實(shí)際有效值。
晶閘管的過熱保護(hù)
晶閘管在電流通過時(shí),會(huì)產(chǎn)生一定的壓降,而壓降的存在則會(huì)產(chǎn)生一定的功耗,電流越大則功耗越大,產(chǎn)生的熱量也就越大。如果不把這些熱量快速散掉,會(huì)造成燒壞晶閘管芯片的問題。因此要求使用晶閘管模塊時(shí),一定要安裝散熱器。
散熱條件的好壞,是影響模塊能否安全工作的重要因素。良好的散熱條件不但能夠保證模塊可靠工作、防止模塊過熱燒毀,而且能夠提高模塊的電流輸出能力。