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可控硅在高壓軟啟動中的應用
可控硅在高壓軟啟動中的應用
 

1 引言

隨著電力電子技術的飛速發展,可控硅軟啟動裝置應運而生。三相異步電動機的起停技術發生了劃時代的變化?煽毓柢泦赢a品問世不過30年左右的時間,而其主要性能卻大大優于磁控軟啟動、液阻軟啟動等傳統軟啟動方式。它的體積小,結構緊湊,幾乎免維護,功能齊全,起動重復性好,保護周全,目前已成為軟啟動領域中佼佼者。

2  可控硅簡介

可控硅(Thyristor)是晶體閘流管的簡稱,又可稱做可控硅整流器,1957年美國通用電器公司開發出世界上第一可控硅產品,并于1958年使其商業化;可控硅是PNPN四層半導體結構,它有三個極:陽極,陰極和門極;可控硅工作條件為:加正向電壓且門極有觸發電流。其派生器件有:快速可控硅,雙向可控硅,逆導可控硅,光控可控硅等。它是一種大功率開關型半導體器件,在電路中用文字符號為“V”、“VT”表示(舊標準中用字母“SCR”表示)。

可控硅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、交流調壓、無觸點電子開關、逆變及變頻等電子電路中。

3 可控硅參數說明

為了正確地選擇和使用可控硅,對其主要參數應有所了解才能正確地選型?煽毓璧闹饕獏涤校

1)斷態重復峰值電壓UDRM

是指可控硅在正向阻斷時,允許加在A、K(如圖1所示,A是可控硅的陽極,B是可控硅的陰極,G是可控硅的門極。)極間最大的峰值電壓。此電壓約為不重復峰值電壓UDSM90%。

1 可控硅的符號

2反向重復峰值電壓URRM

在控制極斷路時,允許重復加在可控硅上的反向峰值電壓,稱為反向阻斷峰值電壓。此電壓約為不重復峰值電壓URSM90%。

UDRMURRM在數值上一般相近,統稱為可控硅的阻斷峰值電壓。通常把其中較小的那個數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可控硅損壞,因此可控硅的額定電壓應選為正常工作峰值電壓的23倍,以確保安全。

3額定正向平均電流IF

在規定的標準散熱條件和環境溫度(40°C)下,可控硅的陽極和陰極間允許連續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。

由于可控硅的過載能力小,選用可控硅的額定正向平均電流時,至少應大于正常工作平均電流的1.52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,維持可控硅繼續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,可控硅就自行關斷。IH值一般為幾十至一百多毫安。

5控制極觸發電壓VG、觸發電流IG

在室溫下,陽極加正向電壓為直流6V時,使可控硅由阻斷變為導通所需要的最小控制極電壓和電流,稱為控制極觸發電壓和觸發電流。VG一般為3.55V,IG約為幾十至幾百毫安。實際應用時,加到控制極的觸發電壓和觸發電流應比額定值稍微大點,以保證可靠觸發。

6)電壓上升率 dv/dt  

 可控硅阻斷時 其陰陽極之間相當于一個結電容 當突加陽極電壓時會產生充電電容電流, 此電流可能導致可控硅誤導通, 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在可控硅兩端的辦法加以限制。

7 電流上升率 di/dt  

 可控硅開通時 電流是從靠近門極區的陰極開始導通然后逐漸擴展到整個陰極區直至全部導通,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結面, 造成門極附近的陰極因電流密度過大, 發熱過于集中 PN 結,結溫會很快超過額定結溫而燒毀 可控硅,故必須限定可控硅的電流上升臨界值 di/dt ,一般在橋臂中串入電感或鐵淦氧磁環 。

4 可控硅工作條件

由于可控硅只有導通和關斷兩種工作狀態,所以它具有開關特性,這種特性需要一定的條件才能轉化,此條件如表1所示。

1  可控硅工作條件

狀態

條件

說明

從關斷到導通

1)陽極電位高于陰極電位

2)門極有足夠的正向電壓和電流

兩者缺一不可

維持導通

1)陽極電位高于陰極電位

2)陽極電流大于維持電流

兩者缺一不可

從導通到關斷

1)陽極電位低于陰極電位

2)陽極電流小于維持電流

任一條件即可

5 可控硅在高壓軟啟動中的應用

隨著國民經濟的高速發展,高壓電動機的數量不斷增加。由于大電機直接起動時的電流為額定電流57倍,而啟動轉矩只有額定轉矩的0.41.6倍。它在電網條件(電機啟動時的電網壓降小于10%)和工藝條件(啟動轉矩滿足)允許的情況下,可以直接啟動。但過大的啟動電流、過小的啟動轉矩和過長的啟動時間給電機和電網造成了極大的危害。常導致電網電壓、諧波電壓波動的增大,以至前級跳閘,大大地增加了電網的負擔及電網污染,嚴重影響電網的安全運行。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啟動器來解決這些問題。

可控硅電機軟啟動器的出現,很好的解決了以上問題,它彌補了傳統軟啟動器的各種不足,很好地降低了電機的起動電流,降低了配電容量,延長了電機及相關設備的使用壽命。起動參數可視負載調整,易于維護。

5.1    可控硅電機軟啟動器工作原理  

可控硅在高壓電機軟啟動器中的應用是一種利用可控硅進行交流調壓的應用。利用可控硅可以相控改變可控硅導通的相位角來調節電壓。

可控硅移相式軟啟動器是改變正弦交流電壓的波形,使之變為非正弦脈沖式交流電,通過調節其占空比,如圖2所示。

注釋:

1α :控制角。指觸發脈沖的加入時間。

(2 ) q :導通角。每半個周期可控硅導通角度?刂平窃酱,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。

2  移相式調壓

5.2 可控硅的選型  

可控硅是電機軟啟動器中最關鍵的功率器件,整機裝置是否工作可靠與正確選擇可控硅額定電流、額定電壓等參數有很大的關系。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。其次應考慮經濟性即性價比,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,所以需要將可控硅反并聯后再串聯起來。6kV每相需要6只可控硅(2只反并聯后,3組串聯),10kV每相需要10只可控硅(2只反并聯后,5組串聯)。這樣對于每只可控硅來說所承受的電壓約為2000V,所以所選擇的可控硅的正反向不重復額定電壓 VDSM 、VRSM 應為6500V以上。

對可控硅額定電流的選擇 ,必須考慮電機的額定工作電流。 一般來說,可控硅的電流應是電機額定電流的3~4倍。

在可控硅高壓電機軟啟動裝置中,采用2個獨立可控硅器件反并聯組成的交流相控調壓,正負半周各對應1個可控硅工作,因此對2個反并聯器件參數的一致性要求較高。包括可控硅觸發參數,維持電流參數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熱嚴重,甚至會燒毀電機繞組,從而使電機報廢。

6 可控硅保護
     
可控硅承受過電壓、過電流的能力很差,這是它的主要缺點。 可控硅的熱容量很小,一旦發生過電流時,溫度急劇上升,可能將PN結燒壞,造成元件內部短路或開路。例如一只100A的可控硅過電流為400A時,僅允許持續0.02s,否則將因過熱而損壞; 可控硅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。若正向電壓超過轉折電壓時,則可控硅誤導通,導通后的電流較大,使器件受損。

6.1  可控硅的過壓保護

在可控硅兩端并聯R-C阻容吸收回路,如圖3所示,利用電容吸收過壓。其實質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。

可控硅從導通到阻斷時,和開關電路一樣,因線路電感(主要是變壓器漏感LB)釋放能量會產生過電壓。由于可控硅在導通期間,載流子充滿元件內部,所以元件在關斷過程中,正向電壓下降到零時,內部仍殘存著載流子。這些積蓄的載流子在反向電壓作用下瞬時出現較大的反向電流,使積蓄載流子迅速消失,這時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很小,電感產生的感應電勢Ldi/dt)值仍很大,這個電勢與電源電壓串聯,反向加在已恢復阻斷的元件上,可能導致可控硅的反向擊穿。這種由于可控硅關斷引起的過電壓,稱為關斷過電壓,其數值可達工作電壓峰值的56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生諧振、限制可控硅開通損耗與電流上升率。這種吸收回路能抑制可控硅由導通到截止時產生的過電壓,有效避免可控硅被擊穿。

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。

3  阻容吸收

6.2   可控硅的過流保護

由于半導體器件體積小、熱容量小,特別像可控硅這類高電壓大電流的功率器件,結溫必須受到嚴格的控制,否則將遭至徹底損壞。當可控硅中流過大于額定值的電流時,熱量來不及散發,使得結溫迅速升高,最終將導致結層被燒壞。

產生過電流的原因是多種多樣的,例如,變流裝置本身可控硅損壞,觸發電路發生故障,控制系統發生故障等,以及交流電源電壓過高、過低或缺相,負載過載或短路,相鄰設備故障影響等。

可控硅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可控硅已被燒壞;所以不能用來保護可控硅?焖偃蹟嗥饔摄y制熔絲埋于石英沙內,熔斷時間極短,可以用來保護可控硅。 

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( 20 ms )。一般說來快速熔斷器額定電流有效值應小于被保護可控硅的額定有效值,同時要大于流過可控硅的實際有效值。

6.3  可控硅的過熱保護

可控硅在電流通過時,會產生一定的壓降,而壓降的存在則會產生一定的功耗,電流越大則功耗越大,產生的熱量也就越大。如果不把這些熱量快速散掉,會造成燒壞可控硅芯片的問題。因此要求使用可控硅模塊時,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 結束語

可控硅在高壓軟啟動中的應用,為軟啟動帶來了革命性的變化,它將在軟啟動的發展史上留下濃重的一筆。

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