晶閘管電機(jī)軟起動(dòng)器工作原理_晶閘管在高壓軟起動(dòng)中的應(yīng)用

1 引言

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(wèn)世不過(guò)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。

2 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(guó)通用電器公司開(kāi)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(yáng)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(kāi)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(guò)程可以控制、被廣泛應(yīng)用于可控整流、交流調(diào)壓、無(wú)觸點(diǎn)電子開(kāi)關(guān)、逆變及變頻等電子電路中。

3 晶閘管參數(shù)說(shuō)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(yáng)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(guò)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(yáng)極和陰極間允許連續(xù)通過(guò)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(guò)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(kāi)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(yáng)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(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。

（7）電流上升率di/dt

晶閘管開(kāi)通時(shí)電流是從靠近門極區(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)，結(jié)溫會(huì)很快超過(guò)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)。

4 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(kāi)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(dòng)中的應(yīng)用

隨著國(guó)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(guò)大的啟動(dòng)電流、過(guò)小的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和過(guò)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(lái)解決這些問(wèn)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(wèn)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)。

5.1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(lái)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(guò)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。

（2）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。

5.2 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(lái)。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(lái)說(shuō)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(lái)說(shuō)，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(guò)電機(jī)。由于電機(jī)為繞組負(fù)載為電感性的，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)龤щ姍C(jī)繞組，從而使電機(jī)報(bào)廢。

6 晶閘管保護(hù)

晶閘管承受過(guò)電壓、過(guò)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(guò)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(kāi)路。例如一只100a的晶閘管過(guò)電流為400a時(shí)，僅允許持續(xù)0.02s，否則將因過(guò)熱而損壞；晶閘管耐受過(guò)電壓的能力極差，電壓超過(guò)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(guò)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。

6.1 晶閘管的過(guò)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(guò)壓。其實(shí)質(zhì)就是將造成過(guò)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(kāi)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(guò)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(guò)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(guò)電壓，稱為關(guān)斷過(guò)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(guò)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(kāi)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(guò)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(wú)感電阻，以取得較好的保護(hù)效果。

6.2 晶閘管的過(guò)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(guò)大于額定值的電流時(shí)，熱量來(lái)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(guò)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(guò)高、過(guò)低或缺相，負(fù)載過(guò)載或短路，相鄰設(shè)備故障影響等。

晶閘管過(guò)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(lái)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(lái)保護(hù)晶閘管。

與普通熔斷器比較，快速熔斷器是專門用來(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（20ms）。一般說(shuō)來(lái)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(guò)晶閘管的實(shí)際有效值。

6.3 晶閘管的過(guò)熱保護(hù)

晶閘管在電流通過(guò)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(wèn)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(guò)熱燒毀，而且能夠提高模塊的電流輸出能力。

7 結(jié)束語(yǔ)

晶閘管在高壓軟起動(dòng)中的應(yīng)用，為軟起動(dòng)帶來(lái)了革命性的變化，它將在軟起動(dòng)的發(fā)展史上留下濃重的一筆。