- 晶閘管在高壓軟起動中的選型及應用
- 晶閘管的過壓保護
- 使用晶閘管過電流保護方法
1 引言
隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，晶閘管軟起動裝置應運而生。三相異步電動機的起停技術(shù)發(fā)生了劃時代的變化。晶閘管軟起動產(chǎn)品問世不過30年左右的時間，而其主要性能卻大大優(yōu)于磁控軟起動、液阻軟起動等傳統(tǒng)軟起動方式。它的體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，幾乎免維護，功能齊全，起動重復性好，保護周全，目前已成為軟起動領(lǐng)域中的佼佼者。
2 晶閘管簡介
晶閘管（thyristor）是晶體閘流管的簡稱，又可稱做可控硅整流器，以前被簡稱為可控硅；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四層半導體結(jié)構(gòu)，它有三個極：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，逆導晶閘管，光控晶閘管等。它是一種大功率開關(guān)型半導體器件，在電路中用文字符號為“v”、“vt”表示（舊標準中用字母“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、被廣泛應用于可控整流、交流調(diào)壓、無觸點電子開關(guān)、逆變及變頻等電子電路中。
3 晶閘管參數(shù)說明
為了正確地選擇和使用晶閘管，對其主要參數(shù)應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)重復峰值電壓udrm
是指晶閘管在正向阻斷時，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。此電壓約為不重復峰值電壓udsm的90%。
（2）反向重復峰值電壓urrm
在控制極斷路時，允許重復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數(shù)值作為該型號器件上的額定電壓值。
由于瞬時過電壓也會使晶閘管損壞，因此晶閘管的額定電壓應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)定的標準散熱條件和環(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，至少應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，維持晶閘管繼續(xù)導通所必須的最小電流，稱為維持電流。當正向電流小于ih值時，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，使晶閘管由阻斷變?yōu)閷ㄋ枰淖钚】刂茦O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。實際應用時，加到控制極的觸發(fā)電壓和觸發(fā)電流應比額定值稍微大點，以保證可靠觸發(fā)。
（6）電壓上升率dv/dt
晶閘管阻斷時其陰陽極之間相當于一個結(jié)電容當突加陽極電壓時會產(chǎn)生充電電容電流，此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，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
晶閘管開通時電流是從靠近門極區(qū)的陰極開始導通然后逐漸擴展到整個陰極區(qū)直至全部導通，這個過程需要一定的時間，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(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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4 晶閘管工作條件
由于晶閘管只有導通和關(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。
5 晶閘管在高壓軟起動中的應用
隨著國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，高壓電動機的數(shù)量不斷增加。由于大電機直接起動時的電流為額定電流的5～7倍，而啟動轉(zhuǎn)矩只有額定轉(zhuǎn)矩的0.4～1.6倍。它在電網(wǎng)條件（電機啟動時的電網(wǎng)壓降小于10%）和工藝條件（啟動轉(zhuǎn)矩滿足）允許的情況下，可以直接啟動。但過大的啟動電流、過小的啟動轉(zhuǎn)矩和過長的啟動時間給電機和電網(wǎng)造成了極大的危害。常導致電網(wǎng)電壓、諧波電壓波動的增大，以至前級跳閘，大大地增加了電網(wǎng)的負擔及電網(wǎng)污染，嚴重影響電網(wǎng)的安全運行。同時，也對自身造成了很大傷害。因此，必須在電源和電機之間串入軟起動器來解決這些問題。
晶閘管電機軟起動器的出現(xiàn)，很好的解決了以上問題，它彌補了傳統(tǒng)軟起動器的各種不足，很好地降低了電機的起動電流，降低了配電容量，延長了電機及相關(guān)設(shè)備的使用壽命。起動參數(shù)可視負載調(diào)整，易于維護。
5.1晶閘管電機軟起動器工作原理
晶閘管在高壓電機軟起動器中的應用是一種利用晶閘管進行交流調(diào)壓的應用。利用晶閘管可以相控改變晶閘管導通的相位角來調(diào)節(jié)電壓。
晶閘管移相式軟起動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)脈沖的加入時間。
（2）q：導通角。每半個周期晶閘管導通角度。控制角越大，導通角越小，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。
5.2 晶閘管的選型
晶閘管是電機軟起動器中最關(guān)鍵的功率器件，整機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)。其次應考慮經(jīng)濟性即性價比，最后應考慮安裝美觀、體積盡量減小等。
對于6kv、10kv的高壓電機，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額定電壓vdsm、vrsm應為6500v以上。
對晶閘管額定電流的選擇，必須考慮電機的額定工作電流。一般來說，晶閘管的電流應是電機額定電流的3~4倍。
在晶閘管高壓電機軟起動裝置中，采用2個獨立晶閘管器件反并聯(lián)組成的交流相控調(diào)壓，正負半周各對應1個晶閘管工作，因此對2個反并聯(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。盡量讓正負半波對稱，否則會有直流成分電流流過電機。由于電機為繞組負載為電感性的，因此過高的直流份量會使得電機定子發(fā)熱嚴重，甚至會燒毀電機繞組，從而使電機報廢。
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6 晶閘管保護
晶閘管承受過電壓、過電流的能力很差，這是它的主要缺點。晶閘管的熱容量很小，一旦發(fā)生過電流時，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，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，即使時間極短，也容易損壞。若正向電壓超過轉(zhuǎn)折電壓時，則晶閘管誤導通，導通后的電流較大，使器件受損。
6.1 晶閘管的過壓保護
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。其實質(zhì)就是將造成過電壓的能量變成電場能量儲存到電容中，然后釋放到電阻中消耗掉。
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通到截止時產(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，以取得較好的保護效果。
6.2 晶閘管的過流保護
由于半導體器件體積小、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)溫必須受到嚴格的控制，否則將遭至徹底損壞。當晶閘管中流過大于額定值的電流時，熱量來不及散發(fā)，使得結(jié)溫迅速升高，最終將導致結(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，負載過載或短路，相鄰設(shè)備故障影響等。
晶閘管過電流保護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；所以不能用來保護晶閘管。快速熔斷器由銀制熔絲埋于石英沙內(nèi)，熔斷時間極短，可以用來保護晶閘管。
與普通熔斷器比較，快速熔斷器是專門用來保護半導體功率器件過電流的。它具有快速熔斷的特性，在流過6倍額定電流時其熔斷時間小于50hz交流電的一個周期（20ms）。一般說來快速熔斷器額定電流有效值應小于被保護晶閘管的額定有效值，同時要大于流過晶閘管的實際有效值。
6.3 晶閘管的過熱保護
晶閘管在電流通過時，會產(chǎn)生一定的壓降，而壓降的存在則會產(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，會造成燒壞晶閘管芯片的問題。因此要求使用晶閘管模塊時，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。
7 結(jié)束語
晶閘管在高壓軟起動中的應用，為軟起動帶來了革命性的變化，它將在軟起動的發(fā)展史上留下濃重的一筆。
