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1、,可控硅整流装置1 概述 可控硅整流装置是现代励磁系统中较为重要的一个环节，虽然其原理并不深奥，但其在励磁系统中占重要的比例，对电厂运行维护显得特别重要，弄清其工作原理和常见故障现象，对于提高维护水平，提高励磁系统的投入率具有重要意义。,2 可控硅的主要参数 可控硅又称晶闸管，是可控硅整流电路的关键器件，所以在讲述可控硅整流电路的原理前，了解一下可控硅的主要参数是非常必要的。可控硅的参数较多，包括各种状态下的电压、电流、门极参数及动态参数。为了正确使用可控硅，不仅要了解它的伏安特性，而更重要的是定量掌握它的主要参数。,为了正常使用可控硅，必须清楚它能承受多大的正向电压而不转折（没有触发脉冲，不
2、自行导通）,承受多大的反向电压而不击穿；在可控硅导通以后能允许通过多大的电流而不致烧毁；另外还要注意该管的触发电压和触发电流是多大；导通后的管压降是多少；维持电流和掣住电流是多大等等。以上这些参数是选择可控硅是必须考虑的问题。,1)可控硅的电压定额(a)断态不重复峰值电压UDSM UDSM是指在门极开路时，当加在可控硅上的正向阳极电压上升到使可控硅的正向伏安特性急剧弯曲时所对应的电压值（见图1）。断态不重复峰值电压UDSM应低于正向转折电压UPBO,所留余量的大小由生产厂规定。(b)断态重复峰值电压UDRM UDRM是指当可控硅的门极开路且结温为额定值时，允许重复加在可控硅上的正向峰值电压，如
3、图1所示。规定断态重复峰值电压UDRM为断态不重复峰值电压UDSM的80。,可控硅在整流电路中工作时，由于开关接通或断开时的过渡过程，会有瞬间的超过正常工作值的正、反向电压加到可控硅上，称为“操作过电压”。可控硅必须能够重复地经受一定限度的操作过电压，而不影响其正常工作。需要说明的是，可控硅正向工作时有两种工作状态：即阻断状态（简称断态）和导通状态（简称通态）。说“断态”或“通态”时，一定是正向的（即在可控硅A、K之间加正向电压），因此“正向”两字可以省去。,(c)反向不重复峰值电压URSM URSM是指在门极开路时，当加在可控硅上的反向阳极电压上升到使可控硅的反向伏安特性急剧弯曲时所对应的电
4、压值（图1）。图1 晶闸管的几个电压参数在伏安特性上的位置,(d)反向重复峰值电压URRM URRM是指当门极开路且结温为额定值时，允许重复加在可控硅上的反向峰值电压（见图1）。规定反向重复峰值电压URRM为反向不重复峰值电压URSM的80。通常，可控硅若受到反向电压作用，则它必定是阻断的，因此参数名称可省去“阻断”二字。(e)额定电压UN 将UDRM和URRM中较小的那个数值取整后作为该可控硅型号上的额定电压UN。在选用可控硅时，额定电压UN应是正常工作电压的二到三倍，以此作为允许的操作过电压余量。,(f)通态平均电压VT 通态平均电压VT,是指在可控硅中流过正弦半波额定通态平均电流和额定结
5、温时，可控硅的阳极和阴极间电压降的平均值，俗称管压降。通态平均电压VT按规定分为九组，每组差0.1V，最低值为0.4V，最高值为1.2V。2)可控硅的电流定额(a)通态平均电流IT(AV)IT(AV)是指在环境温度为+40和规定冷却条件下，在带电阻性负载的单相工频正弦半波电路中，管子全导通（导通角不小于170）而稳定结温不超过额定值时所允许的最大平均电流。按照标准，取其整数作为该可控硅的额定电流。,造成可控硅发热的原因是损耗，它由四部分组成。一是通态时的损耗，这是可控硅发热的最主要原因，为了减小不必要的发热，总是希望可控硅在导通时的通态电压越小越好；二是断态和反向时损耗，一般希望断态重复平均电
6、流IDR(AV)和反向重复平均电流IRR(AV)尽可能小些；三是开关时的损耗，当频率增高时开关损耗增大；最后是门极的损耗，通常该项损耗较小。,影响可控硅散热的条件包括：可控硅与散热器的接触情况和散热器的热阻；冷却方式（自冷、风冷、水冷或油冷等）和冷却介质的流速；环境温度和冷却介质的温度。,众所周知，决定发热的因素是电流的有效值，但可控硅整流电路输出端负载常用所需的平均电流来衡量整流电路的容量，可控硅的额定电流也是按电阻性负载单相工频正弦半波电路中，管子全导通，而稳定结温不超过额定值时所允许的最大平均电流来定义的。因此，不同的整流方式的整流桥，带不同类型的负载，具有不同的导通角时，流过可控硅的电
7、流波形也不一样，造成电流平均值和有效值的关系也各不相同，从而使实际允许的平均电流与额定电流是有差别的。为了求出发热的结果，应将实际电流波形的有效值等于可控硅额定电流IT(AV)所对应有效值，这样管芯的发热才是等效的和允许的。,还应指出，因可控硅的过载能力比一般电磁元件小，为使可控硅有一定的安全裕量，应使选用可控硅的通态平均电流为其实际正常工作时平均电流的1.5-2倍左右。,(b)维持电流IH IH是指可控硅导通后，由较大的通态电流降至刚能保持元件通态所必须的最小通态电流。当电流小于IH时，可控硅即从通态转化为关断状态。(c)掣住电流IL IL是指可控硅刚从断态转入通态并移去触发信号后，能维持通
8、态所需的最小主电流。掣住电流IL的数值与工作条件有关，通常IL约为IH的2-4倍。,(d)断态重复峰值电流IDRM和反向重复峰值电流IRRM。IDRM和 IRRM分别为该管承受断态重复峰值电压UDRM和反向重复峰值电压URRM时的峰值电流。(e)浪涌电流ITSM ITSM是指在规定条件下，可控硅通以额定通态平均电流稳定后，在工频正弦半周期间元件能承受的最大过载电流。同时，紧接浪涌后的半周期间应能承受规定的反向电压。浪涌电流用峰值表示，是不重复的额定值，在元件寿命期限内，浪涌次数有一定限制。为了防止元件损坏，电路中各种过电流都应限制在此值以内。,3)可控硅的门极参数(a)门极触发电流IGT IG
9、T是指在室温时，主电压（阳极A与阴极K间电压）为直流6V时，使可控硅由断态转入通态所必须的最小门极直流电流。(b)门极触发电压UGT UGT是指产生门极触发电流所必需的最小门极电压。,4)可控硅的动态参数 所谓动态参数是指可控硅处在状态变换过程中的参数。下面主要介绍du/dt、di/dt、tgt 和tq这四个参数。,(a)断态电压临界上升率du/dt du/dt是指在额定结温和门极断路时，可控硅保持断态所能承受的最大主电压上升率。使用时实际电压上升率必须小于此值。(b)通态电流临界上升率di/dt di/dt 是指在规定条件下，可控硅在导通过程中，能承受而不会导致损坏的最大通态电流上升率。,(
10、c)门极控制开通时间tgt tgt是指门极触发脉冲前沿的10到阳极电压下降到10的时间间隔，如图2所示。它包括延迟时间td和上升时间tr两部分，td为从门极脉冲前沿的10（0.1UG）到阳极电压从UA降至0.9UA（阳极电流上升到0.1IA）时所对应的时间。tr为阳极电压从0.9UA下降至0.1UA（阳极电流从0.1IA上升到0.9IA）时所对应的时间。因此元件的开通时间就是载流子的积累和电流上升所需要的时间之和。即,图2 图2 门极控制开通时间tgt 图3 可控硅换相关断时间tq,普通可控硅的开通时间约为几至几十微妙。为了减小开通时间和保证可控硅触发导通时刻的正确，可采用实际触发电流比规定触
11、发电流大3-5倍，且前沿陡峭的强触发方式。(d)电路换向关断时间tq tq是指可控硅从通态电流降至零起，到该管能再一次承受规定的正向断态电压的时间。实际上它包括反向恢复时间和门极恢复时间两部分，如图3所示。,5)额定结温TjM TjM是可控硅正常工作时所允许的最高结温，在此温度下，一切有关的额定值和特性都能得到保证。以上是可控硅的主要参数，由于半导体器件制造过程中的离散性，同一批产品中性能差别可能很大。为此可控硅出厂时要逐个测定其参数。归纳起来，在使用可控硅时，应注意以下四点：,(a)关于额定电压，可控硅实际工作时承受的正常工作电压应低于正、反向重复峰值电压UDRM和URRM,，并留有2-3倍
12、的操作过电压余量以及采用可靠的过电压保护措施。(b)关于额定电流，应根据实际电流的波形进行相应的换算，可控硅实际通过的最大平均电流应低于额定通态平均电流IT(AV),并留有两倍左右的余量以及采用过电流保护措施。,(c)关于门极触发电压和电流，实际触发电压和电流应大于实测的参数UGT和IGT,，以保证可靠触发，但也不能超过允许的极限值UGFM和IGFM。（d）关于du/dt和di/dt，在实际电路中，应采取措施限制du/dt和di/dt，使其不超过规定的临界值。当超过du/dt的临界值会造成误导通，当超过di/dt的临界值时会造成可控硅损坏。,3 整流电路的原理 利用电力半导体器件可以进行电能的
13、变换，其中整流电路可将交流电转变成直流电供给直流负载，逆变电路又可将直流电转换成交流电供给交流负载。某些可控硅装置即可工作于整流状态，也可工作于逆变状态，可称作变流或换流装置。同步发电机的半导体励磁是半导体变流技术在电力工业方面的一项重要应用。,将从发电机端或交流励磁机端获得的交流电压变换为直流电压，供给发电机转子励磁绕组或励磁机磁场绕组的励磁需要，这是同步发电机半导体励磁系统中整流电路的主要任务。对于接在发电机转子励磁回路中的三相全控桥式整流电路，除了将交流变换成直流的正常任务之外，在需要迅速减磁时还可以将储存在转子磁场中的能量，经全控桥迅速反馈给交流电源，进行逆变灭磁。,三相全波全控整流电
14、路 在三相全波整流接线中，六个桥臂元件全都采用可控硅管，如图13（a）所示。可控硅元件都要靠触发换流，并且一般要求触发脉冲的宽度应大于600，但小于1200，一般取800-1000，即所谓“宽脉冲触发”。这样才能保证整流电路刚投入之际，例如共阴极组的某一元件被触发时，共阳极组的前一元件的触发信号依然存在，共阴极组与共阳极组各有一元件同时处在被触发状态，才能构成电流的通路。,投入时一经触发通流，以后各元件则可依次触发换流。另外也可以采用“双脉冲触发”的方式，即本元件被触发的同时，还送一触发脉冲给前一元件，以便整流桥刚投入时构成电流的最初的通路，其后整流电路便进入正常工作状态。双脉冲触发电路较复杂
15、些，但它可以减小触发装置的输出功率，减小脉冲变压器的铁芯体积。,图13 三相全波全控整流（=0时）(a)电路图；(b)相电压波形；(c)触发脉冲；(d)直流侧电压波形,1)整流工作状态 先讨论控制角=00的情况。参看图13，在t0-t1期间，a相的电位最高，b相的电位最低，有可能构成通路。若在t0以前共阳极组的SCR6的触发脉冲Ug6 还存在，在t0（=00）时给共阴极的SCR1以触发脉冲ug1，则可由SCR1与 SCR6构成通路：交流电源的a相SCR1RSCR6回到电源b相。在负载电阻R上得到线电压uab.此后只要按顺序给各桥臂元件以触发脉冲，就可依次换流。,南京南瑞集团公司国电自动化研究院
16、,例如在t1-t2期间，c相电位最低，在t1时间向SCR2输入触发脉冲ug2,共阳极组的SCR2即导通，同组的SCR6因承受反向电压而截止。电流的通路换成：aSCR1RSCR2c。负载电阻R上得到线电压uac.其余类推，每隔600依次向共阴极组或共阳极组的可控硅元件以触发脉冲，则每隔600有一个臂的元件触发换流，每周期内每臂元件导电1200。,控制角=00时负载电阻R上得到的电压波形ud 如图13(d)所示，它与三相桥式不可控整流电路的输出波形相同。这时三相桥式全控整流电路输出电压的平均值最大，为Udo。图14是=300时三相全控桥的电压波形。图15是=600时的电压波形。两图的图（a）交流相
17、电势画阴影线的部分表示导通面积，如把底线拉平，就成为图（b）所示的输出电压ud的波形，它是由线电压波形的相应各部分组成的。,控制角=00时负载电阻R上得到的电压波形ud 如图13(d)所示，它与三相桥式不可控整流电路的输出波形相同。这时三相桥式全控整流电路输出电压的平均值最大，为Udo。图14是=300时三相全控桥的电压波形。图15是=600时的电压波形。两图的图（a）交流相电势画阴影线的部分表示导通面积，如把底线拉平，就成为图（b）所示的输出电压ud的波形，它是由线电压波形的相应各部分组成的。在控制角600的情况下，共阴极组输出的阴极电位在每一瞬间都高于共阳极组的阳极电位，故输出电压ud的瞬
18、时值都大于零，波形是连续的。,然而当600后，输出电压ud的瞬时值将出现负的部分，如图16中的（c）和（d）。这主要是由于电感性负载产生的反电势，维持负载电流连续流通而产生的。设在600900的t1时刻，给a相的SCR1以触发电压。参看图16（b），这时a相电位最高，SCR1导通；c相电位虽然最低，但SCR2尚未被触发而不会导通，由b相的SCR6继续保持导通状态。即由SCR1与SCR6构成通路，输出电压为uab.到t2时刻uab=0，输出负载电流id有减小的趋势。负载电感L中便产生感应电势L企图阻止id的减小，其方向与id的流向一致，即整流桥输出的下端n点为正，上端m点为负，维持id的继续流通
19、。,在t2以后，虽然b相电位高于a相电位，即ab0，但电感L上的感应电势L的绝对值高于Uab的绝对值，实际加在SCR1与SCR6元件上的阳极电压仍然为正，维持原来电流Jd的通路。故在t2t2这段时间内，输出电压Ud呈现负值。到t2时刻，SCR2接受触发脉冲，此时c相电位最低，故SCR2导通并将SCR6关断，电流从SCR6换流到SCR2。SCR1此时仍继续导通，b相电位此时虽高于a,但因b相的SCR3尚未加触发脉冲而不会导通。电流在SCR1与SCR2构成的回路中流通，使输出电压Ud=Uac0。到t3以后，Uac0，又由电感电势维持电流id，使输出电压Ud又呈现负的部分，直到触发换流后，Ud才又为
20、正。,图14=300时的电压波形(a)相电压波形；(b)直流侧电压波形,图15=600时的电压波形(a)相电压波形；(b)直流侧电压波形,图16 600900时的电压波形电路图；(b)相电压波形；(c)当600900时的电压波形；(d)当900时的输出电压波形,这样，输出电压Ud将按图16（C）中线电压的波形（画有阴影线的部分）交替出现正负部分。正的部分表示交流线电压产生负载电流id，交流电源向负载供电；负的部分表示电感性负载中的感应电势L维持负载电流id的流通，将原电感中贮存的能量释放一部分。输出电压Ud在一周内出现正负波形，其平均值Ud将减小。随着控制的增大，正值部分的面积渐减，负值部分的
21、面积渐增，Ud平均值愈来愈小。=90时，如图16（d），Ud波形正负两部分面积相等，输出平均电压Ud=0。,三相全控桥式整流电路输出电压Ud的波形在一个周期内为匀称的六段，即输出电压Ud的周期是阳极电压周期的六分之一，故计算其平均电压Ud，只须求交电流电压U1cost在（-）至（）的平均值即可：,(5),在90时，输出平均电压Ud为正值，三相全控桥工作在整流状态，将交流转变为直流。2)逆变工作状态 在90时，输出平均电压Ud则为负值，三相全控桥工作在逆变状态，将直流转变为交流。在半导体励磁装置中，如采用三相全波全控整流电路，当发电机内部发生故障时能进行逆变灭磁，将发电机转子磁场原来储存的能量迅
22、速反馈给交流电源去，以减轻发电机损坏的程度。此外，在调节励磁过程中，如使90，则加到发电机转子的励磁电压变负，能迅速进行减磁。,图17与图18分别代表=120与=150、=180时逆变输出电压的波形。现说明它们的工作情况。设原来三相桥工作在整流状态，负载电流id流经励磁绕组而储存有一定的磁场能量。参看图17，在t2时刻控制角突然后退到120时，SCR1接受触发脉冲而导通，这时Uab虽然过零开始变负，但电感L上阻止电流id减小的感应电势较大，使eL-Uab仍为正，故SCR1与SCR6仍在正向阳极电压下工作。这时电感线圈上的自感线圈上的自感电势L与电流id的方向一致，直流侧电压的瞬时值Uab与电流
23、jd的方向相反，交流侧吸收功率，将能量送回送流电网参看图17（）或图19（）的回路。,到t3时刻，对C相的SCR2输入触发脉冲，这时Uab虽然进入负半调，但电感电势L仍足够大，可以维持SCR1与SCR2的导通，继续向交流侧反馈能量。这样一直进行到电感线圈原储存的能量释放完毕，逆变过程才结束。图18（）和（b）分别为=150和=180时输出电压的波形。这时逆变电压Ud的平均值Ud负得更多。从这些波形可以看到，六个桥臂上的可控硅元件，每个元件都是连续导电120，每隔60有一个可控硅元件换流。每个元件在一周期内导电的角度固定的，与角的大小无关。,图17 逆变工作状态（=120）图18=150及=18
24、0时的逆变波形(a)电路图;(b)相电压波形;(a)=150(=30);(b)=150(c)逆变电压波形(=0,假想情况);,在全控桥中常将=180-叫作逆变角。由于90才进入逆变状态，故逆变角总是小于90的。可用下式表示三相全控桥在逆变工作状态时的反向直流平均电压，即 U=-1.35U1COS(180-)=1.35U1COS,利用三相全控整流桥可以兼作同步发电机的自动灭磁装置。当发电机发生内部故障时，继电保护装置给一控制信号至励磁调节器，使控制角由小于90的整流运行状态，突然后退到大于90的某一个适当的角度，进入逆变运行状态，将发电机转子励磁绕组贮存的磁场能量迅速反馈到交流侧去，使发电机的定
25、子电势讯速下降，这就是所谓逆变灭磁方式。至于逆变性能的好坏还与主回路的接线方式有关，例如对于他励接线，逆变能迅速完成。性能较好；对于自并励接线，则逆变性能较差。,4异常情况下的波形分析 三相桥式整流电路在运行中由于各种原因，可以出现桥臂断开、脉冲丢失、换相失败及续流不良等故障。下面分析这些异常情况下的整流电压波形，以便判别故障，采取适当的保护措施。,1、桥臂断开或其脉冲丢失 运行中某一个或两个桥臂的元件损坏，或者作为过流保护的快速熔断器熔断，可使其桥臂呈现断开状态；或者由于触发控制回路的故障，出现触发脉冲的丢失，致使应当开通的某一个或两个桥臂元件不能开通，可控整流电路处于异常工作状态。下面可分
26、为五种类型来分析输出电压波形。,1)一臂断开或其脉冲丢失 现以图20（a）为例，假定控制角=60时，快速熔断器KRD1熔断，或因桥臂元件SCR1损坏而断路，或其正a相的触发脉冲消失，使桥臂1处于开断状态，则此时输出的整流电压Ud如图20（b）所示。,在正常工作情况下，在t1时刻本应触发SCR1使输出电压转换为a、b相间的线电压，现桥臂1不通，仍继续由桥臂5与6构成通路，电感性负载释放能量，Ud按Ucb负半周的波形变化。t2时桥臂元件2接受触发脉冲而导通，并关断桥臂元件6。在t2至t期间，由桥臂2与5构成直通短路，Ud0。到t3时，触发桥臂3，关断桥臂5，输出电压按Ubc变化。为简明起见，图20
27、（b）中忽略了换流过程中引起电压降落的缺口。在这路异常情况下，整流桥输出电压的平均Ud将只为正常情况下平均值的一半（若保持=60时）。,图20=60，一臂断开时Ud波形 图21=30，一臂断开时Ud波形(a)电路图；(b)输出电压Ud波形,若共阳极组的某一桥臂发生上述故障，其结果也是相似的。图21是=30时，某一桥臂发生断开或脉冲丢失的Ud波形，可以看到一周内有120的区间使输出电压Ud下降,这种情况下输出电压的平均值Ud大约为正常情况=30时的三分之二。该图将换流时引起的电压下降缺口也特意表示出来。2)同相的上下两臂断开或其脉冲丢失,例如图22（a）所示，共阴极组的a相与共阳极组的b相桥臂断
28、开，或者正a相与负b相的触发脉冲丢（图中用涂黑的KRD1与KRD6示意该两臂不能导通），则分别由它们构成通路的有关线电压Ub、Ub、Ucb均无输出。表示=60下发生这种故障时的Ud波形，如图22（b）所示的阴影线部分，由线电压Ubc、Ub、Uc(包括Uc负半周的60区间)所组成，这时输出电压的平均值Ud将下降到无故障时的三分之一。,图22=60，不同相的两臂 图23 同一相的两臂不能导通时Ud波形 断开时Ud波形(a)电路图；(b)=60下故障时Ud波形(a)电路图；(b)输出电压Ud波形(c)=0下故障时Ud波形,4)同一组的两臂断开或其脉冲丢失 如果共阴组或者共阳极组的两臂不能导通，象图2
29、4中桥臂1与3不能开通那样，这时只有Ucb及Uc的部分波形输出，图24（b）是=60下发生这种故障时的Ud波形。正常时在t1时刻触发SCR1应该开通桥臂1，现因故不能导通，在负载感应电势的作用下，继续使桥臂元件5与6开通，送出Ucb负半周波形，t2时触发SCR2由桥臂2与5续流，直至t4时刻进还不能使SCR5关断，则在t4处触通SCR4时，立即由桥臂5与4输出Uc电压；否则，t4时SCR5关断，则需等至t5时触通SCR5，才由桥臂4与5构成通路，输出当时的Uc电压。,图24=60，同一组的两臂不能导通时Ud波形(a)电路图；(b)输出电压Ud波形,图25=30，b相脉冲丢失时半控桥Ud波形,上
30、述这些异常情况下的波形分析，与实际拍照的示波图一致，至于负载电流则由于负载绕组的电感较大，电流波动较小。,5 半导体励磁系统的保护 半导体励磁系统有可能发生各种故障，事实上，由于保护措施的配置不善，使得故障扩大化。对于半导体励磁系统的保护设计和配置问题应予重视。,整流装置中的硅元件（硅整流元件及可控硅元件）是半导体励磁装置中的重要器件。为了保证它们安全可靠地长期运行，除了提高硅元件的产品质量，正确选择硅元件的参数，留有一定的裕度外，还必须在装置中适当地采用保护措施。因为硅元件承受过电压和过电流的能力较差，可控硅元件承受正向电压上升率和电流上升率有一定的限度，转子励磁绕组的绝缘只有一定的耐压水平
31、。如不采取适当的保护和抑制措施，运行中就有可能超过容许范围，损坏半导体励磁系统中的有关部件。,为此必须熟悉硅元件本身的标准定额，了解装置所在的电路中引起过电压、过电流以及电压上升率、电流上升率过高的原因和危害，对可控硅元件本身在开通和关断过程中，在电路中引起的暂态过程，需要进行分析和试验。而对于担任抑制和保护功能的器件，必须熟悉其性能参数，并力求选用最简单有效的保护方式，协调工作。由于这方面的影响因素比较复杂，必须将理论分析与试验数据结合，正确地设计保护方式和抑制电路，合理地配备和选用保护器件。,1、过电压的来源及保护方式 加于可控硅元件上的瞬时反向电压，如果超过其非重复反向峰值电压，达到反向
32、击穿电压，将造成可控硅元件的反向击穿；如果所加瞬时正向电压超过其非重复峰值断态电压，而达到其正向转折电压，或者电压值虽不高但正向电压上升率超过允许值（即超过断态电压临界上升率），都将造成可控硅元件的误导通，破坏整流电路的正常工作，也可能导致可控硅元件的损坏。,在选用硅元件的电压参数时，应留有一定的安全裕度。但是裕度选择过大，可能经济上不合算。事实上对于实际电路中可能出现的过电压峰值，也难于精确计算。因此，还须采用过电压保护环节，将主电路中可能产生的瞬变电压的幅值，抑制到一个较为合理的水平，以保证主电路可靠运行。要正确设计过电压保护环节，就必须了解过电压的来源及其电气特性，熟悉保护电路和器件的性
33、能。,产生过电压的原因，除了大气过电压之外，主要是由于系统中断路器操作过程，以及可控硅元件本身换相关断过程，在电路中激发起电磁能量的互相转换和传递而引起的过电压。后两种过电压分别称为操作过电压和换相过电压。图29为过电压的抑制措施及配置综合示意图。,图29 过电压的抑制措施及其配置综合示意图（14RC-阻容保护）,2、过电压的保护 利用电容器两端电压不能突变，而能储存电能的基本特性，可以吸收瞬间的浪涌能量，限制过电压。为了限制电容器的放电电流，降低可控硅开通瞬间电容放电电流引起的正向电流上升率di/dt，以及避免电容与回路电感产生振荡，通常在电容回路上串入适当电阻，从而构成阻容吸收保护。一般可
34、抑制瞬变电压不超过某一容许值，作为交流侧、直流侧及硅元件本身的过电压保护。,用于单相或三相交流侧、直流侧的过电压阻容保护，如图30（a）、(b)所示。并联于可控硅元件两端的阻容保护接线如图30（c）所示。用于三相交流侧的阻容保护通常采用形接法以减小电容量，但耐压要求高些。下面分别说明阻容保护元件参数的选择。,图30 阻容吸收保护的接线,1)交流侧阻容保护 一般按断开空载变压器时产生的能量冲击来选择阻容吸收保护的电容量。变压器折合到副方的空载等效激磁电感为(8)式中U(0)2变压器副方空载额定电压，V；U(0)2折合到副方的激磁电流，A；f电源频率，HZ。,变压器的最大磁场能量为(9)若此磁场能
35、量全部转换成电容器内的电场能量，使电容器C上的电压最高可达变压器副方额定电压幅值的K倍，则电容器应储存的最大电场能量为(10)式中 C电容量，F。,此式是理论上将变压器的全部磁场能量转换成电容器贮存的电场能量，而使电压不超过K倍时所需的电容值。实际上断开变压器空载激磁电流时，电弧要消耗大部分能量（例如断路器触头断开电流，出现过电压时，电流已降低到激磁电流I0的 20%-40%）。变压器铁芯及导线电阻上也有损耗，变压器和进线电缆的对地电容以及各种寄生电容均有吸收作用，故实际选择阻容保护用电容器的电容量C比式（11）的计算值要小，通常约乘上0.2-0.4或更小一些的修正系数。,至于容许电压升高的倍
36、数，一般选取K值在1.3-1.5较为经济。基于上述考虑，由于可取不同的K 值及修正系数，因此有不同系数的选择公式8。例如：对单相桥式，有的公式取C=29000对三相桥式，有的公式取C=10000对三相半波，有的公式取C=8000,所选电容器的额定电压，应不小于交流侧最高工作电压峰值的1.1-1.5倍。在选定电容器作为储能元件后,一般应串入耗能电阻R,避免电容C与回路电感L产生串联谐振,应选择电阻值如下:(12)但是电阻R的阻值不能选择过大.考虑变压器原方切断电流的瞬间,激磁电流I(0)2通过R在副方产生的电压,应低于容许的过电压值,即(13)通常采用如下数值8:,电阻的功率可取:,图31 反向
37、阻断式阻容保护及综合阻容网络,为了避免可控硅管在开通过程中，因交流侧阻容保护的放电电流流过可控硅管,而造成过大的电流上升率可能损坏可控硅元件，整流桥交流侧的阻容保护也可采用反向阻断式接线,如图31所示。当整流桥Z的交流侧发生过电压时，其直流侧的阻容保护可以吸收交流电源发生的浪涌电压，以避免可控硅桥KZ承受过电压。而交流侧电压下降或短接时，由于整流桥Z的反向阻断作用，可以阻止电容器向交流侧的可控硅元件放电。其参数选择可参考下列算式8：,计算电容：,取,式中 L1变压器每相漏感，H；放电时间常数，一般取2s。,(14),(b)直流侧阻容保护 若在直流侧装设阻容保护Cd、Rd来抑制交流侧的浪涌过电压
38、，可参考下式选择阻容参数：8对于单相桥式，可取,（15）,对于三相桥式，可取,(16),电容器的额定电压一般取直流侧最高工作电压的1.1-1.5倍;当采用直流电容器时,电容器的额定电压一般取直流侧最高工作电压的3-5倍。电阻功率取:,(17),式中U-纹波电压,一般取频率最低、幅值最高的谐波电压Un,V；fn与Un对应的谐波频率，Hz。,图31的反向阻断式阻容保护（或称去耦阻容保护），也可经过RC网络接于直流侧，如图中虚线所示，构成所谓综合阻容网络，同时兼作直流侧的阻容保护。(c)关断过电压保护 为了防止硅元件关断过程引起的过电压，可以在每个硅元件的两端分别并接阻容保护Cb、Rb，如图30（c
39、）所示，或者通过单相桥接入反向阻断式阻容保护，并尽量靠近被保护元件，引线宜短。电容Cb的参数选择与反向恢复电荷Qr有关，而Qr又与硅元件的额定正向平均电流IT（AV）有一定的关系，可按下式选择：,(18),一般对500A的整流元件可取1F，300-200A的取0.5F，100A的取0.25F,20A的取0.1F。在此电容回路内串入电阻Rb，是为了避免可控硅元件开通时，也电容器Cb放电电流的上升率太高，为了避免放电电流过大及在电感回路中产生振荡。电阻可按下式选择：,式中 L1变压器漏感，H；a连线及桥臂电感，H。通常电阻Rb在5-50间选用。电阻功率为,(19),式中 硅元件反向工作峰值电压，V
40、。,可控硅元件并接的阻容保护，除了起限制元件本身关断过电压的作用外，对于多个硅元件串联的电路，还起动态均压的作用，以及配合桥臂电感L0起限制正向电压上升率的作用。总之，阻容保护应用相当广泛，性能也可靠。,3、过电流保护 对于半导体励磁装置，可能有下列几方面的原因，使流过整流桥臂元件及励磁变压器绕组的电流超过其正常定额。整流桥内部某一桥臂元件击穿短路，丧失阻断能力，则交流电源可通过已损坏短路的桥臂和其它完好的桥臂元件，交替形成二相短路及三相短路。这些电流将流过某些完好的桥臂元件及变压器绕组，其数值可超过交流侧三相短路时周期分量的幅值。,1)整流桥内部某一桥臂元件击穿短路，丧失阻断能力，则交流电源
41、可通过已损坏短路的桥臂和其它完好的桥臂元件，交替形成二相短路及三相短路。这些电流将流过某些完好的桥臂元件及变压器绕组，其数值可超过交流侧三相短路时周期分量的幅值。2)整流桥所连接的转子励磁绕组回路可能发生飞弧短路、转子绕组两点接地、直流母线间短路等故障，此种直流侧短路的故障电流同样流过某些桥臂元件及变压器绕组，数值也同样可能很大。,3)全控整流桥在逆变工作状态下，由于逆变角过小，或者交流电源电压消失，或者触发脉冲消失等原因引起逆变换流失败，转子绕组通过某对桥臂元件直通短路续流，使这些桥臂元件流过较正常工作电流大和持续时间长的电流。4)可控硅控制极受外部干扰信号而误触发，或失脉冲而单相导通，或限
42、制环节失灵使可控硅控制角过小等原因，均有可能使流过硅元件的电流大于正常工作值。,对于这些情况，通常采用过电流保护措施，迅速将通过硅元件的电流予以限制，或者及时切断故障电流，避免硅元件PN结的结温过高而损坏。在一般整流装置中采用的过载及短路保护如下：在直流侧装设直流快速开关，其动作时间约10ms，它的主要作用是切断直流侧的故障电流，保护整流装置并避免整流元件的熔断器在直流侧短路时发生熔断。当在整流装置内部发生故障时，直流快速开关对本装置不能起有效和保护作用，仅对并联运行的其它整流装置内部故障有保护作用。,4、快速熔断器 具有快速熔断特性的熔断器，其熔断时间一般在0.01s以内，专门用作硅元件的过
43、电流保护器件。其熔体（或称熔片）的导热性能良好而热容量小，能快速熔断。通常是每个硅元件串联一个快速熔断器，其熔体额定电流的选择一般是这样考虑：1)熔体的额定电流应等于硅元件额定电流的有效值，大于实际工作电流的有效值，即(21)(22)式中 IR熔体的额定电流，有效值，A；,IT（AV）-整流元件的额定电流（A），即额定通态单相正弦半波电流的平均值，其有效值则相当于平均值IT（AV）的/2倍,即1.57倍;IA(RMS)流过桥臂的实际工作电流的均方根值,A;np并联支路数;Kc1均流系数。2)熔体的熔断特性必须与整流装置中元件的短时过载能力相配合。即在预期故障电流的条件下，熔体的熔断特性必须处于
44、被保护元件的短时过载特性的下方，才能有效地起到保护作用。,这里所说的预期故障电流是指不装熔断器时，该电路中可能产生的最大故障电流。装了快速熔断器以后，在电流未达预期故障电流以前，熔体已熔断，这时的电流值称作熔体的熔断电流。快速熔断器的熔断特性是指通过熔体的熔断电流（峰值）与清除故障时间的关系。清除故障时间包括熔体的熔化时间与飞弧时间。一般预期故障电流增大，相应地熔中的脉冲变压器的原、副方的两根线分别采用绞线，以增强干扰能力。,6、并联支路的均流 如果负载电流大，流过桥臂的工作电流（平均值）超过单个元件所能承受的额定通态平均电流，则需要采用多个元件并联，这时要考虑防止并联支路间电流分配不均匀的问
45、题。如果电流分配不均的问题严重，则负担重的元件最先损坏，接着加重其他元件的负担，从而引起其他元件也相继损坏，即所谓连锁击穿损坏。因此对于并联支路的均流问题应予以重视。下面分别介绍均流问题的基本概念。,并联支路间的电流分配不均的原因有二：1)在瞬态时，由于并联元件开通时间的先后有差异，而引起瞬态电流不均。例如图32（a）的两个支路并联电路，若SCR1的开通时间比SCR2早t见图4-6(b)，则引起的瞬态不均的电流 i=()t。这里是SCR1开通时的电流上升率。2）在导通进入稳态后，由于并联元件在导通状态下的伏安特性（正向压降）有差异，则引起稳态电流不均，如图32（c）中所示的I。,图32 并联支
46、路出现的电流不均现象(a)并联支路；(b)开通时间差异t引起的瞬态电流不均i；(c)正向压降特性差异引起的稳态电流不均I,解决电流分配不均的问题通常有两种途径。其一是注意选配并联支路的元件，使其具有相近的开通特性和正向压降，各元件开通时间的偏差尽可能小（例如小于20s），正向压降的偏差也尽可能小（例如不超过0.05V），元件的额定电流降低到0.8-0.9倍使用。对于选配并联元件有困难，或并联支路数较多，较大的场合，则采取专门的均流措施，即在各并联支路内串入均流电抗器、均流互感器（小功率场合或者串入均流电阻）。通常是采用均流电抗器，它使先开通支路的电流上升率减小，迟开通支路的电压增大。它对可控硅
47、元件同时兼起抑制di/dt与du/dt的作用。,如果提高触发电流的陡度和幅值，使开通时间偏差t缩小，同时增大回路电感L，降低di/dt,这样就从两方面来使开通偏差电流值i下降。此外，应注意元件安装时的排列与引出母线的位置。因为硅元件的通态电阻很小，各并联支路阻抗的差异对电流均衡度的影响很大，应使各支路的电阻相等和自感相等，互感也大致相等，并避免其它相在换流过程中对本并联支路产生的互感影响。即在可能的情况下，可采用长线均流的方法。近来又有智能均流的方法，其实质是通过微调触发脉冲位置的方法使难以开通的或通态压降大或回路阻抗高的可控硅提前触发。,事实上最好的均流方法应使得可控硅的参数和回路阻抗尽量一致，其它的均流方法虽然可以达到均流的目的，但如果可控硅本身的参数差异较大，则均流对可控硅是反而是有害无益的。最合理的推算应是均热负荷，这样才可以确保每只可控硅都充分发挥它的能力。但均热负荷也有它的弱点，即实现起来比较困难。,
