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晶閘管在電機(jī)軟啟動(dòng)器領(lǐng)域中的選擇與應(yīng)用时间：2017-04-19 一 晶閘管產(chǎn)品特點(diǎn)簡(jiǎn)介 從本世紀(jì) 50 年代我國(guó)生產(chǎn)晶閘管器件問(wèn)世以來(lái) 經(jīng)歷了 50 多年的歷史剛開(kāi)始時(shí) 由于制造工藝水平不成熟 性能很不穩(wěn)定 那時(shí)有人稱(chēng)之為可怕硅現(xiàn)在隨著制造水平的提高 各種性能相當(dāng)穩(wěn)定 已朝著大電流 3000A 以上 高電壓 6000V 以上方向發(fā)展。 英文為 Thyristor,也稱(chēng)為可控硅 Silicon Controlled Rectifier 它是一種具有 P-N-P-N四層三個(gè) PN 結(jié)的功率半導(dǎo)體器件 它有三個(gè)電極 陽(yáng)極 A 陰極 K 控制門(mén)極 G 是一種電流控制型器件 要使其導(dǎo)通必須具備兩個(gè)條件 一是陽(yáng)極電位高于陰極電位 即正偏置 二是控制門(mén)極施加足夠功率和寬度的觸發(fā)脈沖信號(hào)晶閘管具有如下特點(diǎn) 導(dǎo)通后即使控制門(mén)極觸發(fā)信號(hào)撤去 只要流過(guò)器件的正向電流大于維持電流 一般幾十個(gè)毫安 它還能導(dǎo)通 也就是說(shuō)通過(guò)關(guān)斷觸發(fā)信號(hào)來(lái)關(guān)斷晶閘管是不行的 這點(diǎn)與 IGBT GTR MOSFET 不同 要想關(guān)斷它 必須將維持導(dǎo)通的電流減小至維持電流以下 因此有時(shí)需要進(jìn)行強(qiáng)迫關(guān)斷,即在需關(guān)斷時(shí),對(duì)它施加反偏置電壓（即反壓） 直至其關(guān)斷。 相對(duì)其他功率器件晶閘管因其具有低的導(dǎo)通壓降 過(guò)流能力強(qiáng)耐沖擊耐高壓所以在各種不同類(lèi)型的電力電子變換裝置中被廣泛使用交流電機(jī)軟啟動(dòng)就是一個(gè)典型的應(yīng)用。 二 晶閘管參數(shù)說(shuō)明 作為使用者來(lái)說(shuō) 要正確使用晶閘管 首先就要對(duì)晶閘管的各項(xiàng)電氣參數(shù)有一個(gè)詳細(xì)的了解這樣就可以正確地選型 但往往在實(shí)際工作中 大多數(shù)人并不完全了解 如晶閘管額定電流標(biāo)稱(chēng)的是平均值概念 實(shí)際工作中負(fù)載標(biāo)稱(chēng)的額定電流是有效值 兩者之間是有根本區(qū)別的 因此有必要對(duì)幾個(gè)主要參數(shù)作出一些說(shuō)明。 晶閘管額定電流平均值 IT（AV） IF（AV） 從圖 a 中可以計(jì)算出額定通態(tài)電流平均值 IT（AV）和正弦半波電流峰值 Im 之間數(shù)學(xué)表達(dá)式為: 1 單只晶閘管額定通態(tài)電流方均根值（即有效值） IRMS 2 兩只單獨(dú)封裝的晶閘管反并聯(lián)交流有效值:IRMS 如圖 b 兩只獨(dú)立封裝可控硅反并聯(lián)后形成一個(gè)雙向可控硅 因雙向可控硅晶閘管額定電流不能用平均值標(biāo)稱(chēng) 因流過(guò)的電流為交流電 平均值為零 所以只能用交流有效值 IRMS 標(biāo)稱(chēng) 由公式（1） 每個(gè)晶閘管通過(guò)的半波峰值均為 Im= IT（AV） 正負(fù)兩個(gè)半波剛好組成一個(gè)完整的正弦波 該正弦波峰值為 x IT（AV） 所以流過(guò) MTX 模塊的額定有效值（方均根值） 內(nèi)容來(lái)自www.dqjsw.com.cn π ×IT（AV） IRMS= =2.22 IT（AV）————————————————————————————————（3） 3 MTX 型號(hào)模塊交流有效值 IRMS 如圖 c MTC 型號(hào)模塊從外部將電極 1 和 2 聯(lián)接在一起后 就是 MTX 型號(hào)模塊 反并聯(lián)形成一個(gè)雙向可控硅晶閘管 所以也只能用交流有效值 IRMS 標(biāo)稱(chēng) 公式 3 同樣適用 但由于考慮到 MTX 內(nèi)部每個(gè)晶閘管額定平均電流 IT（AV）值是在單獨(dú)測(cè)試情況測(cè)得的,雙管芯同時(shí)工作時(shí)（嚴(yán)格說(shuō)相差 10ms 交替導(dǎo)通）,管芯之間熱量相互會(huì)有一點(diǎn)影響 故按IRMS=（1.6-2.0） IT（AV）考慮平均值和方均根（即有效值）為宜。 晶閘管耐壓的參數(shù) VDRM;VRRM; VDSM;VRSM 晶閘管電壓指標(biāo)有 斷態(tài)正向不重復(fù)峰值電壓 VDSM 斷態(tài)正向重復(fù)峰值電壓VDRM 斷態(tài)反向不重復(fù)峰值電壓 VRSM 斷態(tài)反向重復(fù)峰值電壓 VRRM 以上概念中重復(fù)意味著晶閘管陰陽(yáng)極承受的電壓在一定的漏電流范圍內(nèi)是可以重復(fù)施加的 不重復(fù)意味著晶閘管陰陽(yáng)極承受電壓的最大峰值 超過(guò)此最大值漏電流變大 超過(guò)額定值 室溫和結(jié)溫時(shí)漏電流額定值不一樣 所以講耐壓指標(biāo)時(shí) 不能脫離漏電流 漏電流指標(biāo)生產(chǎn)商在產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中或合格證中都給出了明確的范圍 一般地說(shuō) 室溫漏電流在 2mA 以下 結(jié)溫漏電流在 20mA 以下。 www.dqjsw.com.cn 對(duì)重復(fù)峰值電壓和不重復(fù)峰值電壓 國(guó)外一般按 VDRM= VDSM-100V VRSM= VRSM-100V標(biāo)稱(chēng) 國(guó)內(nèi)一般按 VDRM= VDSM-200V VRRM= VRSM-200V 或 VDRM= VDSM 80-90 %VRRM= VRSM 80-90 %標(biāo)稱(chēng)。 三 晶閘管在電機(jī)軟起動(dòng)中的應(yīng)用 電機(jī)起動(dòng)時(shí)起動(dòng)電流一般為額定電流 Ie 的6-7 倍 因此在起動(dòng)瞬間對(duì)電網(wǎng)沖擊很大 對(duì)變壓器的容量要求更高 同時(shí)也對(duì)其它的用電設(shè)備造成很大的影響。 因此 實(shí)際工作中容量超過(guò) 7.5KW 的電機(jī)都要求降壓?jiǎn)?dòng) 傳統(tǒng)的降壓?jiǎn)?dòng)方式有磁控降壓?jiǎn)?dòng)器 自耦降壓?jiǎn)?dòng) /Y 變換降壓?jiǎn)?dòng)等 不管那種方式對(duì)電網(wǎng)還是存在一或兩次的大電流沖擊 采用晶閘管數(shù)字控制軟啟動(dòng)器 具有比上面介紹的啟動(dòng)器更加優(yōu)越的好處 主要表現(xiàn)在降低電機(jī)的起動(dòng)電流 降低配電容量 避免增容投資 降低起動(dòng)機(jī)械應(yīng)力 延長(zhǎng)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 易于改善工藝 保護(hù)設(shè)備。 1 晶閘管電機(jī)軟起動(dòng)器工作原理 晶閘管在電機(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 調(diào)壓的特點(diǎn) 我們知道電機(jī)轉(zhuǎn)子上的力矩是與加在定子上電壓的平方成正比的 因此改變加在電機(jī)定子繞組上的電壓 可改變電機(jī)轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)矩 從而可根據(jù)電機(jī)負(fù)載的具體情況 設(shè)定電機(jī)的起動(dòng)電流 電機(jī)的起動(dòng)電流按與額定電流 Ie 的比例 可設(shè)定電機(jī)起動(dòng)電流為 0.5 Ie; Ie;; 2 Ie; 3 Ie; 4 Ie 即限電流起動(dòng)方式 其工作原理如下圖 內(nèi)容來(lái)自www.dqjsw.com.cn 2 晶閘管的選擇 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 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 電壓余量倍數(shù)必須足夠 其次應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)性即性?xún)r(jià)比 最后應(yīng)考慮安裝美觀(guān) 體積盡量減小等對(duì)于低壓電機(jī) 線(xiàn)電壓為 380V 晶閘管的正反向重復(fù)額定電壓 VDRM VRSM 選擇為 1200V足夠 對(duì)于高壓 660V 的電機(jī) 則應(yīng)至少選擇電壓為 2200V 以上的晶閘管 對(duì)于高壓 1100V的更高壓電機(jī) 晶閘管的耐壓至少選擇電壓為 3500V 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(lái)說(shuō) 三相電機(jī)每相額定電流有效值 Ie 按 Ie=（2.5-3） Pe（安培） 電機(jī)的額定功率 KW 即每一個(gè)千瓦 KW相當(dāng)于兩個(gè)安培的電流 例如 一個(gè) 55KW 的三相交流電機(jī) 其每相額定電流有效值是 110A考慮兩倍以上的放大余量 因此選擇額定平均電流為 275A/2.22 125A 以上的平板式晶閘管 或選額定平均電流為 275A/1.8 150A 以上晶閘管模塊 MTX 系列。 各系列電機(jī)對(duì)晶閘管的選擇列表如下 僅供參考 而且假設(shè)裝置僅僅是用于電機(jī)軟起動(dòng) 即裝置帶旁路接觸器 如果裝置還用于電機(jī)節(jié)能經(jīng)濟(jì)運(yùn)行 即裝置不帶旁路接觸器 則對(duì)應(yīng)的電流值應(yīng)按 2 倍以上考慮 而且還必須保證足夠的散熱條件。 內(nèi)容來(lái)自www.dqjsw.com.cn 在電機(jī)軟起動(dòng)裝置中,由于多是采用兩個(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)一個(gè)晶閘管工作 因此對(duì)兩個(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(chēng) 否則會(huì)有直流成分電流流過(guò)電機(jī) 由于電機(jī)為線(xiàn)圈繞組 負(fù)載為電感性 因此過(guò)高的直流份量會(huì)使得電機(jī)定子發(fā)熱嚴(yán)重 甚至?xí)䶮龤щ姍C(jī)線(xiàn)圈繞組 從而使電機(jī)報(bào)廢 從這點(diǎn)來(lái)看 晶閘管模塊由于管芯在裝配之前已進(jìn)行過(guò)嚴(yán)格挑選 因此其一致性還是有所保障的 另一方面 在觸發(fā)線(xiàn)路設(shè)計(jì)中 盡量采用強(qiáng)觸發(fā)的方式 以能兼容器件觸發(fā)參數(shù)的差異。 四 晶閘管的保護(hù) 由于晶閘管的擊穿電壓接近工作電壓 線(xiàn)路中產(chǎn)生的過(guò)電壓易造成器件電壓熱擊穿 同時(shí)其熱容量小 工作時(shí)自身發(fā)熱嚴(yán)重 如果不及時(shí)將這些熱量排除 器件內(nèi) PN 結(jié)溫 Tj 勢(shì)必超過(guò)晶閘管的結(jié)溫極限值 一般 TjMAX= 125Co ,造成晶閘管的永久性損壞.因此,在實(shí)際使用中除合理選擇器件的額定電壓和額定電流值以外,還必須采取足夠的散熱措施,保證器件長(zhǎng)期可靠的工作。 過(guò)電壓保護(hù) 凡超過(guò)正常工作時(shí)晶閘管應(yīng)承受的最大峰值電壓稱(chēng)為過(guò)電壓 電路產(chǎn)生過(guò)電壓的外部原因主要是雷擊 電網(wǎng)電壓激烈波動(dòng)或干擾 內(nèi)部原因主要是電路狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)積累的電磁能量不能及時(shí)消散 根據(jù)產(chǎn)生的原因可分為兩類(lèi) 開(kāi)關(guān)過(guò)電壓和雷擊干擾過(guò)電壓 因此必須采取必要的措施 使晶閘管承受的過(guò)電壓限制在正反向不重復(fù)峰值電壓 VRSM VDSM 值以下。 www.dqjsw.com.cn 晶閘管關(guān)斷過(guò)電壓 換流過(guò)電壓保護(hù) 當(dāng)晶閘管關(guān)斷 正向電流下降到零時(shí) 管芯內(nèi)部會(huì)殘留許多載流子 在反向電壓的作用下會(huì)瞬間出現(xiàn)反向電流 使殘存的載流子迅速消失 形成極大的 di/dt 即使線(xiàn)路中串聯(lián)的電感很小 由于反向電勢(shì) V=-Ldi/dt,所以也能產(chǎn)生很高的電壓尖峰（或毛刺）,如果這個(gè)尖峰電壓超過(guò)晶閘管的最大峰值,就會(huì)損壞器件。 對(duì)于這種尖峰電壓一般常用的方法是在器件兩端并聯(lián)阻容吸收回路 利用電容兩端。電壓不能突變的特性吸收尖峰電壓 阻容吸收回路要盡可能靠近晶閘管 引線(xiàn)要盡可能短 最好采用無(wú)感電阻 千萬(wàn)不能借用門(mén)極中輔助陰極線(xiàn) 因輔助陰極線(xiàn)線(xiàn)徑很細(xì) 回路中過(guò)大的電流會(huì)將該線(xiàn)燒斷 阻容元件的選取值按以下表格中經(jīng)驗(yàn)值和公式選取。
表中電阻的功率由下式確定 PR= f CU m x 10 電容耐壓一般為晶閘管電壓 1.3 倍 式中 f————頻率 50HZ PR——-電阻功率 W Um——-晶閘管工作峰值電壓 V C——-串聯(lián)的電容 μ F 交流側(cè)過(guò)電壓極其保護(hù) 交流側(cè)電路在接通 斷開(kāi)時(shí)會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓 對(duì)于這類(lèi)過(guò)電壓保護(hù) 目前主要采用壓敏電阻和瞬態(tài)電壓抑制器 Transient Voltage Supperessor ,簡(jiǎn)稱(chēng) TVS 壓敏電阻是一種非線(xiàn)性器件 它是以氧化鋅為基體的金屬氧化物 有兩個(gè)電極 極間充填有氧化鉍等晶粒 正常電壓時(shí)晶粒呈高阻僅有 100uA 左右的漏電流,過(guò)電壓時(shí)引起電子雪崩呈低阻使電流迅速增大吸收過(guò)電壓. 其接法與阻容吸收電路相同 在交 直流側(cè)完全可以取代阻容吸收 但不能用作限制 dv/dt 的保護(hù) 故不宜接在晶閘管的兩端 -12TVS 類(lèi)器件當(dāng)其兩端受到瞬時(shí)高壓時(shí) 能以極高的速度 10 /S 從高阻變?yōu)榈妥栉崭哌_(dá)數(shù)千瓦的浪涌 TVS 的部分型號(hào)性能參數(shù)如下表 內(nèi)容來(lái)自www.dqjsw.com.cn電氣自動(dòng)化技術(shù)網(wǎng) 過(guò)電流保護(hù)
串接交流進(jìn)線(xiàn)或采用漏抗大的整流變壓器 利用電抗限制短路電流 但此種方法在交流電流較大時(shí)存在交流壓降。 電流檢測(cè)和過(guò)流繼電器 通過(guò)電流檢測(cè)實(shí)際電流值并與設(shè)定值進(jìn)行比較 當(dāng)實(shí)際電流值超過(guò)設(shè)定值時(shí) 通過(guò)比較器輸出電壓值控制移相角度增大或拉逆變的方法減少電流 有時(shí)須停機(jī)。 請(qǐng)登陸:輸配電設(shè)備網(wǎng) 瀏覽更多信息 快速熔斷器 與普通熔斷器比較 快速熔斷器是專(zhuān)門(mén)用來(lái)保護(hù)半導(dǎo)體功率器件過(guò)電流的 它具有快速熔斷的特性 在流過(guò) 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 20 ms 快速熔斷器可接在交流側(cè) 直流側(cè)或與晶閘管橋臂串聯(lián) 后者直接效果最好 一般說(shuō)來(lái)快速熔斷器額定電流值 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(guò)晶閘管的實(shí)際有效值 電壓及電流上升率的保護(hù)。 電壓上升率 dv/dt 晶閘管阻斷時(shí) 其陰陽(yáng)極之間相當(dāng)于一個(gè)結(jié)電容 當(dāng)突加陽(yáng)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。 內(nèi)容來(lái)自www.dqjsw.com.cn電氣自動(dòng)化技術(shù)網(wǎng) 電流上升率 di/dt 晶閘管開(kāi)通時(shí) 電流是從靠近門(mén)極區(qū)的陰極開(kāi)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(guò)程需要一定的時(shí)間 如陽(yáng)極電流上升太快 使電流來(lái)不及擴(kuò)展到整個(gè)管子的 PN結(jié)面 造成門(mén)極附近的陰極因電流密度過(guò)大 發(fā)熱過(guò)于集中 PN 結(jié)溫會(huì)很快超過(guò)額定結(jié)溫而燒毀 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)。 溫度保護(hù) 模塊產(chǎn)品與其它功率器件一樣 在實(shí)際工作中 由于自身功耗 會(huì)引起管芯溫度的升高結(jié)溫急劇上升 直至達(dá)到或超過(guò)額定結(jié)溫 （Tjm） 如果不采取措施將這種熱量散發(fā)出去 就會(huì)致使管芯特性變軟 漏電流增加 直至完全過(guò)熱擊穿損壞 晶閘管的損耗主要由導(dǎo)通損耗（導(dǎo)通平均電流與導(dǎo)通平均壓降乘積） 開(kāi)關(guān)損耗 門(mén)極損耗三部分組成 其中最主要的是正向?qū)〒p耗。 |
