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文檔簡(jiǎn)介
1、<p><b> 內(nèi)容摘要</b></p><p> 現(xiàn)在可控硅以體積小開(kāi)關(guān)頻率高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于各種強(qiáng)電的控制電路中,從而實(shí)現(xiàn)了弱電對(duì)強(qiáng)電的控制。本文介紹了交流電用晶閘管控制的兩種方法:移相觸發(fā)和過(guò)零觸發(fā)并比較了他們各自的優(yōu)點(diǎn)。我們首先介紹了晶閘管的工作原理及參數(shù)的選取,并通過(guò)分析各種控制電路比較兩種控制的差別,并介紹了使用時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題,即如何保護(hù)晶閘管。最后主要介紹了各
2、種實(shí)用的觸發(fā)電路。</p><p><b> 目錄</b></p><p> 概述 ……………………………………………………………………2</p><p> 第一章 晶閘管簡(jiǎn)介 ………………………………………………3</p><p> 1.1晶閘管的結(jié)構(gòu) ……………………………………………………3</p
3、><p> 1.2晶閘管的工作原理 ………………………………………………3</p><p> 1.3晶閘管的伏安特性 ……………………………………………4</p><p> 1.4晶閘管的主要參數(shù) ……………………………………………5</p><p> 1.5晶閘管的型號(hào)及簡(jiǎn)單測(cè)試方法 …………………………………6<
4、/p><p> 第二章晶閘管的觸發(fā)電路 ………………………………7</p><p> 2.1對(duì)觸發(fā)電路的要求 ………………………………………………7</p><p> 2.2單結(jié)晶閘管觸發(fā)電路研究 ………………………………………7</p><p> 2.3常用三相調(diào)壓形勢(shì)及特點(diǎn) ………………………………………11</p&
5、gt;<p> 第三章晶閘管移相觸發(fā)電路 ……………………………13</p><p> 3.1移相控制原理 …………………………………………………13</p><p> 3.2移相觸發(fā)具體應(yīng)用 ……………………………………………13</p><p> 3.3移相觸發(fā)的優(yōu)缺點(diǎn) ……………………………………………13</p&g
6、t;<p> 第四章 晶閘管過(guò)零觸發(fā)電路 ……………………………14</p><p> 4.1過(guò)零控制原理 …………………………………………………14</p><p> 4.2過(guò)零觸發(fā)具體應(yīng)用 ……………………………………………14</p><p> 4.3過(guò)零觸發(fā)的優(yōu)缺點(diǎn) ……………………………………………21</p&g
7、t;<p> 第五章晶閘管電路的保護(hù) …………………………………22</p><p> 5.1晶閘管保護(hù)的必要性 …………………………………………22</p><p> 5.2產(chǎn)生過(guò)電壓的原因及其抑制措施 ……………………………22</p><p> 5.3產(chǎn)生過(guò)電流的原因及其抑制措施 …………………………25</p>
8、<p> 第六章晶閘管設(shè)計(jì)的常遇問(wèn)題解析 …………………29</p><p> 心得體會(huì) …………………………………………………………30</p><p> 附錄各種實(shí)用晶閘管控制電路………………………………31</p><p><b> 概述</b></p><p> 隨著自動(dòng)控制的發(fā)展
9、,用弱電控制強(qiáng)電越來(lái)越有必要,怎樣隔離成為人們必須考慮的,可控硅成功地實(shí)現(xiàn)了弱信號(hào)對(duì)強(qiáng)電(輸出端負(fù)載電壓)的控制。可控硅是一種新型的半導(dǎo)體器件,它具有體積小、重量輕、效率高、壽命長(zhǎng)、動(dòng)作快以及使用方便等優(yōu)點(diǎn),目前交流調(diào)壓器多采用可控硅調(diào)壓器,這些優(yōu)點(diǎn)是繼電器無(wú)法比擬的。</p><p> 交流調(diào)壓的方法有很多,我們可以通過(guò)可變變比的變壓器來(lái)改變輸出的電壓,還可以通過(guò)電阻分壓等許多方法。但我們必須承認(rèn)用變壓器實(shí)現(xiàn)
10、起來(lái)笨重,若減小變壓器的規(guī)格則功率又成為另一問(wèn)題,電阻分壓方式簡(jiǎn)單易行但浪費(fèi)能源都是不合適的。</p><p> 所以我們大多數(shù)采用可控硅來(lái)調(diào)節(jié)交流電壓從而達(dá)到我們的目的。</p><p><b> 第一章晶閘管簡(jiǎn)介</b></p><p><b> 一.晶閘管的結(jié)構(gòu)</b></p><p&g
11、t; 晶閘管是一種大功率半導(dǎo)體變流器件, 它具有三個(gè)PN結(jié)的四層結(jié)構(gòu),其外形、 結(jié)構(gòu)和圖形符號(hào)如圖1-1所示。由最外的P1層和N2層引出兩個(gè)電極,分別為陽(yáng)極A和陰極K,由中間P2層引出的電極是門(mén)極G(也稱控制極)。 </p><p> 圖1-1晶閘管的外形、 結(jié)構(gòu)和圖形符號(hào)(a) 外形; (b) 結(jié)構(gòu); (c) 圖形符號(hào)</p><p> 常用的晶閘管有螺栓式和平板式兩種外形,如圖
12、1-1(a)所示。晶閘管在工作過(guò)程中會(huì)因損耗而發(fā)熱,因此必須安裝散熱器。螺栓式晶閘管是靠陽(yáng)極(螺栓)擰緊在鋁制散熱器上, 可自然冷卻;平板式晶閘管由兩個(gè)相互絕緣的散熱器夾緊晶閘管, 靠冷風(fēng)冷卻。 額定電流大于200 A的晶閘管都采用平板式外形結(jié)構(gòu)。此外,晶閘管的冷卻方式還有水冷、油冷等。 </p><p> 二.晶閘管的工作原理</p><p> 晶閘管導(dǎo)通必須同時(shí)具備兩個(gè)條件: &l
13、t;/p><p> ?。?) 晶閘管主電路加正向電壓。</p><p> ?。?) 晶閘管控制電路加合適的正向電壓。 </p><p> 為了進(jìn)一步說(shuō)明晶閘管的工作原理,可把晶閘管看成是由一個(gè)PNP型和一個(gè)NPN型晶體管連接而成的,連接形式如圖1-2所示。陽(yáng)極A相當(dāng)于PNP型晶體管V1的發(fā)射極,陰極K相當(dāng)于NPN型晶體管V2的發(fā)射極。 </p>&l
14、t;p> 圖 1-2 晶閘管工作原理等效電路</p><p> 當(dāng)晶閘管陽(yáng)極承受正向電壓,控制極也加正向電壓時(shí), 晶體管V2處于正向偏置,EC產(chǎn)生的控制極電流IG就是V2的基極電流IB2,V2的集電極電流IC2 =β2 IG 。而IC2 又是晶體管V1的基極電流,V1的集電極電流IC1=β1IC2 =β1β2 IG ( β1和β2分別是V1和V2的電流放大系數(shù))。電流IC1又流入V2的基極, 再一次放大
15、。這樣循環(huán)下去,形成了強(qiáng)烈的正反饋,使兩個(gè)晶體管很快達(dá)到飽和導(dǎo)通,這就是晶閘管的導(dǎo)通過(guò)程。導(dǎo)通后, 晶閘管上的壓降很小,電源電壓幾乎全部加在負(fù)載上,晶閘管中流過(guò)的電流即負(fù)載電流。</p><p> 在晶閘管導(dǎo)通之后,它的導(dǎo)通狀態(tài)完全依靠管子本身的正反饋?zhàn)饔脕?lái)維持, 即使控制極電流消失,晶閘管仍將處于導(dǎo)通狀態(tài)。因此, 控制極的作用僅是觸發(fā)晶閘管使其導(dǎo)通,導(dǎo)通之后,控制極就失去了控制作用。 要想關(guān)斷晶閘管, 最根本
16、的方法就是必須將陽(yáng)極電流減小到使之不能維持正反饋的程度,也就是將晶閘管的陽(yáng)極電流減小到小于維持電流。 可采用的方法有: 將陽(yáng)極電源斷開(kāi); 改變晶閘管的陽(yáng)極電壓的方向, 即在陽(yáng)極和陰極間加反向電壓。 </p><p> 三.晶閘管的伏安特性</p><p> 晶閘管陽(yáng)極與陰極間的電壓UA和陽(yáng)極電流IA的關(guān)系稱為陽(yáng)極伏安特性, 正確使用晶閘管必須要了解其伏安特性。 圖1-3所示即為晶閘管
17、陽(yáng)極伏安特性曲線, 包括正向特性(第一象限)和反向特性(第三象限)兩部分。 </p><p> 圖 1-3 晶閘管陽(yáng)極伏安特性曲線</p><p> 晶閘管的正向特性又有阻斷狀態(tài)和導(dǎo)通狀態(tài)之分。在正向阻斷狀態(tài)時(shí), 晶閘管的伏安特性是一組隨門(mén)極電流IG的增加而不同的曲線簇。當(dāng)IG =0時(shí),逐漸增大陽(yáng)極電壓UA,只有很小的正向漏電流,晶閘管正向阻斷;隨著陽(yáng)極電壓的增加,當(dāng)達(dá)到正向轉(zhuǎn)折電壓U
18、BO時(shí),漏電流突然劇增,晶閘管由正向阻斷突變?yōu)檎驅(qū)顟B(tài)。 這種在IG =0時(shí),依靠增大陽(yáng)極電壓而強(qiáng)迫晶閘管導(dǎo)通的方式稱為“硬開(kāi)通”。多次“硬開(kāi)通”會(huì)使晶閘管損壞,因此通常不允許這樣做。</p><p> 隨著門(mén)極電流IG的增大,晶閘管的正向轉(zhuǎn)折電壓UBO迅速下降,當(dāng) IG足夠大時(shí),晶閘管的正向轉(zhuǎn)折電壓很小,可以看成與一般二極管一樣,只要加上正向陽(yáng)極電壓,管子就導(dǎo)通了。 晶閘管正向?qū)ǖ姆蔡匦耘c二極管的正向
19、特性相似,即當(dāng)流過(guò)較大的陽(yáng)極電流時(shí), 晶閘管的壓降很小。 </p><p> 晶閘管正向?qū)ê螅咕чl管恢復(fù)阻斷,只有逐步減小陽(yáng)極電流IA,使IA下降到小于維持電流IH(維持晶閘管導(dǎo)通的最小電流),則晶閘管又由正向?qū)顟B(tài)變?yōu)檎蜃钄酄顟B(tài)。 圖1-3中各物理量的含義如下: </p><p> UDRM、 URRM——正、 反向斷態(tài)重復(fù)峰值電壓; </p><p&
20、gt; UDSM、URSM——正、 反向斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓; </p><p> UBO——正向轉(zhuǎn)折電壓; </p><p> URO——反向擊穿電壓。 </p><p> 晶閘管的反向特性與一般二極管的反向特性相似。在正常情況下,當(dāng)承受反向陽(yáng)極電壓時(shí),晶閘管總是處于阻斷狀態(tài),只有很小的反向漏電流流過(guò)。當(dāng)反向電壓增加到一定值時(shí),反向漏電流增加較快,再繼續(xù)
21、增大反向陽(yáng)極電壓會(huì)導(dǎo)致晶閘管反向擊穿, 造成晶閘管永久性損壞,這時(shí)對(duì)應(yīng)的電壓為反向擊穿電壓URO。 </p><p> 四.晶閘管的主要參數(shù)</p><p> ?。ㄒ唬?正向重復(fù)峰值電壓UDRM</p><p> 在控制極斷路和晶閘管正向阻斷的條件下,可重復(fù)加在晶閘管兩端的正向峰值電壓稱為正向重復(fù)峰值電壓UDRM。一般規(guī)定此電壓為正向轉(zhuǎn)折電壓UBO的80%。
22、 </p><p> ?。ǘ聪蛑貜?fù)峰值電壓URRM</p><p> 在控制極斷路時(shí),可以重復(fù)加在晶閘管兩端的反向峰值電壓稱為反向重復(fù)峰值電壓URRM。此電壓取反向擊穿電壓URO的80%。 </p><p> ?。ㄈ?通態(tài)平均電流IV(AV)</p><p> 在環(huán)境溫度小于40℃和標(biāo)準(zhǔn)散熱及全導(dǎo)通的條件下, 晶閘管可以連續(xù)
23、導(dǎo)通的工頻正弦半波電流平均值稱為通態(tài)平均電流IV(AV)或正向平均電流,通常所說(shuō)晶閘管是多少安就是指這個(gè)電流。 </p><p> ?。ㄋ模S持電流IH和掣住電流IL</p><p> 在室溫且控制極開(kāi)路時(shí),維持晶閘管繼續(xù)導(dǎo)通的最小電流稱為維持電流IH。維持電流大的晶閘管容易關(guān)斷。維持電流與元件容量、結(jié)溫等因素有關(guān),同一型號(hào)的元件其維持電流也不相同。</p><p&
24、gt; (五). 晶閘管的開(kāi)通與關(guān)斷時(shí)間</p><p> 1. 開(kāi)通時(shí)間tgt </p><p> 一般規(guī)定:從門(mén)極觸發(fā)電壓前沿的10%到元件陽(yáng)極電壓下降至10%所需的時(shí)間稱為開(kāi)通時(shí)間tgt ,普通晶閘管的tgt約為6 μs。開(kāi)通時(shí)間與觸發(fā)脈沖的陡度大小、結(jié)溫以及主回路中的電感量等有關(guān)。為了縮短開(kāi)通時(shí)間,常采用實(shí)際觸發(fā)電流比規(guī)定觸發(fā)電流大3~5倍、前沿陡的窄脈沖來(lái)觸發(fā),稱為強(qiáng)
25、觸發(fā)。另外, 如果觸發(fā)脈沖不夠?qū)挘?晶閘管就不可能觸發(fā)導(dǎo)通。一般說(shuō)來(lái), 要求觸發(fā)脈沖的寬度稍大于tgt ,以保證晶閘管可靠觸發(fā)。 </p><p> 2.關(guān)斷時(shí)間tq </p><p> 晶閘管導(dǎo)通時(shí),內(nèi)部存在大量的載流子。晶閘管的關(guān)斷過(guò)程是: 當(dāng)陽(yáng)極電流剛好下降到零時(shí),晶閘管內(nèi)部各PN結(jié)附近仍然有大量的載流子未消失,此時(shí)若馬上重新加上正向電壓, 晶閘管仍會(huì)不經(jīng)觸發(fā)而立即導(dǎo)通,只有再
26、經(jīng)過(guò)一定時(shí)間,待元件內(nèi)的載流子通過(guò)復(fù)合而基本消失之后,晶閘管才能完全恢復(fù)正向阻斷能力。我們把晶閘管從正向陽(yáng)極電流下降為零到它恢復(fù)正向阻斷能力所需要的這段時(shí)間稱為關(guān)斷時(shí)間tq。 </p><p> 晶閘管的關(guān)斷時(shí)間與元件結(jié)溫、關(guān)斷前陽(yáng)極電流的大小以及所加反壓的大小有關(guān)。普通晶閘管的tq約為幾十到幾百微秒。 </p><p> ?。?通態(tài)電流臨界上升率di/dt</p>
27、<p> 門(mén)極流入觸發(fā)電流后,晶閘管開(kāi)始只在靠近門(mén)極附近的小區(qū)域內(nèi)導(dǎo)通,隨著時(shí)間的推移,導(dǎo)通區(qū)才逐漸擴(kuò)大到PN結(jié)的全部面積。如果陽(yáng)極電流上升得太快,則會(huì)導(dǎo)致門(mén)極附近的PN結(jié)因電流密度過(guò)大而燒毀,使晶閘管損壞。因此,對(duì)晶閘管必須規(guī)定允許的最大通態(tài)電流上升率,稱通態(tài)電流臨界上升率di/dt。 </p><p> ?。ㄆ撸?斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt</p><p> 晶
28、閘管的結(jié)面積在阻斷狀態(tài)下相當(dāng)于一個(gè)電容,若突然加一正向陽(yáng)極電壓, 便會(huì)有一個(gè)充電電流流過(guò)結(jié)面,該充電電流流經(jīng)靠近陰極的PN結(jié)時(shí),產(chǎn)生相當(dāng)于觸發(fā)電流的作用,如果這個(gè)電流過(guò)大,將會(huì)使元件誤觸發(fā)導(dǎo)通,因此對(duì)晶閘管還必須規(guī)定允許的最大斷態(tài)電壓上升率。我們把在規(guī)定條件下,晶閘管直接從斷態(tài)轉(zhuǎn)換到通態(tài)的最大陽(yáng)極電壓上升率稱為斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt。 </p><p> 五.晶閘管的型號(hào)及簡(jiǎn)單測(cè)試方法</p&g
29、t;<p> (一). 晶閘管的型號(hào) </p><p> ?。ǘчl管的簡(jiǎn)單測(cè)試方法</p><p> 對(duì)于晶閘管的三個(gè)電極,可以用萬(wàn)用表粗測(cè)其好壞。依據(jù)PN結(jié)單向?qū)щ娫?,用萬(wàn)用表歐姆擋測(cè)試元件的三個(gè)電極之間的阻值,可初步判斷管子是否完好。如用萬(wàn)用表R×1 kΩ 擋測(cè)量陽(yáng)極A和陰極K之間的正、反向電阻都很大,在幾百千歐以上,且正、反向電阻相差很??;用R&
30、#215;10或R×100擋測(cè)量控制極G和陰極K之間的阻值,其正向電阻應(yīng)小于或接近于反向電阻,這樣的晶閘管是好的。如果陽(yáng)極與陰極或陽(yáng)極與控制極間有短路,陰極與控制極間為短路或斷路, 則晶閘管是壞的。 </p><p> 第二章 晶閘管觸發(fā)電路</p><p> 一.對(duì)觸發(fā)電路的要求</p><p> 晶閘管的型號(hào)很多,其應(yīng)用電路種類也很多,不同
31、的晶閘管型號(hào)、不同的晶閘管應(yīng)用電路對(duì)觸發(fā)信號(hào)都會(huì)有不同的具體要求。歸納起來(lái), 晶閘管觸發(fā)主要有移相觸發(fā)、過(guò)零觸發(fā)和脈沖列調(diào)制觸發(fā)等。不管是哪種觸發(fā)電路, 對(duì)它產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖都有如下要求: </p><p> ?。?) 觸發(fā)信號(hào)可為直流、交流或脈沖電壓。由于晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通后,門(mén)極觸發(fā)信號(hào)即失去控制作用,為了減小門(mén)極的損耗,一般不采用直流或交流信號(hào)觸發(fā)晶閘管,而廣泛采用脈沖觸發(fā)信號(hào)</p><
32、p> ?。?) 觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的功率。觸發(fā)脈沖的電壓和電流應(yīng)大于晶閘管要求的數(shù)值,并留有一定的裕量。觸發(fā)功率的大小是決定晶閘管元件能否可靠觸發(fā)的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。 由于晶閘管元件門(mén)極參數(shù)的分散性很大,隨溫度的變化也大,為使所有合格的元件均能可靠觸發(fā),可參考元件出廠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)或產(chǎn)品目錄來(lái)設(shè)計(jì)觸發(fā)電路的輸出電壓和電流值。 (3) 觸發(fā)脈沖應(yīng)有一定的寬度,脈沖的前沿盡可能陡, 以使元件在觸發(fā)導(dǎo)通后,陽(yáng)極電流能迅速上升超過(guò)掣住電
33、流而維持導(dǎo)通。普通晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間約為6 μs, 故觸發(fā)脈沖的寬度至少應(yīng)有6μs以上。對(duì)于電感性負(fù)載,由于電感會(huì)抵制電流上升,因而觸發(fā)脈沖的寬度應(yīng)更大一些, 通常為0.5~1 ms。 此外,某些具體的電路對(duì)觸發(fā)脈沖的寬度會(huì)有一定的要求,如后續(xù)將要討論的三相全控橋等電路的觸發(fā)脈沖寬度要求大于 60°或采用雙窄脈沖。</p><p> 為了快速可靠地觸發(fā)大功率晶閘管,常在觸發(fā)脈沖的前沿疊加上一個(gè)強(qiáng)觸發(fā)脈沖
34、,強(qiáng)觸發(fā)電流的幅值igm可達(dá)最大觸發(fā)電流的5倍。 </p><p> ?。?) 觸發(fā)脈沖必須與晶閘管的陽(yáng)極電壓同步,脈沖移相范圍必須滿足電路要求。為保證控制的規(guī)律性,要求晶閘管在每個(gè)陽(yáng)極電壓周期都必須在相同的控制角觸發(fā)導(dǎo)通,這就要求觸發(fā)脈沖的頻率與陽(yáng)極電壓的頻率一致,且觸發(fā)脈沖的前沿與陽(yáng)極電壓應(yīng)保持固定的相位關(guān)系,這叫做觸發(fā)脈沖與陽(yáng)極電壓同步。不同的電路或者相同的電路在不同負(fù)載、不同用途時(shí),要求α的變化范圍(移
35、相范圍)亦即觸發(fā)脈沖前沿與陽(yáng)極電壓的相位變化范圍不同, 所用觸發(fā)電路的脈沖移相范圍必須能滿足實(shí)際的需要。</p><p> 二.單結(jié)晶體管觸發(fā)電路研究</p><p> 圖 2-1 單結(jié)晶體管觸發(fā)電路及其波形(a) 電路; (b) 波形</p><p><b> ?。ㄒ唬?同步電源</b></p><p> 同
36、步電壓由變壓器TB獲得, 而同步變壓器與主電路接至同一電源, 故同步電壓與主電壓同相位,同頻率。同步電壓經(jīng)橋式整流再經(jīng)穩(wěn)壓管VDW削波為梯形波uVDW,它的最大值UW,uVDW既是同步信號(hào),又是觸發(fā)電路的電源。當(dāng)uVDW過(guò)零時(shí),單結(jié)晶體管的電壓UBB= uVDW =0,UA=0,故電容C經(jīng)單結(jié)晶體管的發(fā)射極E、第一基極B1、電阻R1迅速放電。也就是說(shuō), 每半周開(kāi)始,電容C都基本上從零開(kāi)始充電,進(jìn)而保證每周期觸發(fā)電路送出一個(gè)距離過(guò)零時(shí)刻一
37、致的脈沖。距離過(guò)零時(shí)刻一致即控制角α在每個(gè)周期相同,這樣就實(shí)現(xiàn)了同步。</p><p> ?。ǘ?移相控制</p><p> 當(dāng)調(diào)節(jié)電阻RP增大時(shí),單結(jié)晶體管充電到峰點(diǎn)電壓Up的時(shí)間(即充電時(shí)間)增大,第一個(gè)脈沖出現(xiàn)的時(shí)刻后移,即控制角α增大,實(shí)現(xiàn)了移相。 </p><p> ?。ㄈ?脈沖輸出</p><p> 觸發(fā)脈沖由R
38、1直接取出,這種方法簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì), 但觸發(fā)電路與主電路有直接的電聯(lián)系,不安全。 可以采用脈沖變壓器輸出來(lái)改進(jìn)這一觸發(fā)電路。</p><p> 利用單結(jié)晶體管的負(fù)阻特性和RC電路的充放電特性,可以組成單結(jié)晶體管自激振蕩電路。</p><p> 1.電源接通后,E通過(guò)電阻Re對(duì)電容C充電,充電時(shí)間常數(shù)為ReC;</p><p> 2.當(dāng)電容電壓達(dá)到單結(jié)晶體管的峰點(diǎn)
39、電壓UP時(shí),單結(jié)晶體管進(jìn)入負(fù)阻區(qū),并很快飽和導(dǎo)通,電容C通過(guò)eb1結(jié)向電阻R1放電,在R1上產(chǎn)生脈沖電壓uR1。</p><p> 3.此后C又開(kāi)始下一次充電,重復(fù)上述過(guò)程。由于放電時(shí)間常數(shù)(R1+ rb1)C遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于充電時(shí)間常數(shù)ReC,故在電容兩端得到的是鋸齒波電壓,在電阻R1上得到的是尖脈沖電壓。</p><p><b> 圖2-2</b></p>
40、<p> 圖2-2所示單結(jié)晶管觸發(fā)電路可以實(shí)現(xiàn)與主回路的同步。這種觸發(fā)電路在中小型功率晶閘管整流電路中應(yīng)用普遍,下面討論其工作原理。圖中下半部分是主回路,上半部分是單結(jié)晶管觸發(fā)電路。</p><p> 工作過(guò)程波形如圖2-2所示,交流電壓U3經(jīng)橋式整流,變成脈動(dòng)電壓Uab再經(jīng)過(guò)限流電阻R3和穩(wěn)壓管Dw構(gòu)成的削波電路,變成梯形波電壓Ucd,Ucd既是觸發(fā)電路的工作電壓,又是同步電壓。當(dāng)交流電壓過(guò)零
41、點(diǎn)時(shí),Ucd為零,單結(jié)管的Ubb也為零,這時(shí)e-b1間的特性類似二極管,電容C可以迅速放電。因此每次電源電壓過(guò)零點(diǎn)后,電容均叢起始電壓從零開(kāi)始充電。只要整定條件不變,交流電源每半周觸發(fā)電路發(fā)出第一個(gè)脈沖的時(shí)刻不變,于是晶閘管的控制角不變,從而實(shí)現(xiàn)了同步。觸發(fā)電路每次發(fā)出的脈沖,同時(shí)加到兩個(gè)晶閘管的控制極,第一個(gè)脈沖使承受正向陽(yáng)極電壓的晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通,由于晶閘管導(dǎo)通后控制極失去作用,因此 后面的脈沖都沒(méi)用,另一個(gè)晶閘管因陽(yáng)極加反向電壓而不
42、導(dǎo)通。</p><p> 觸發(fā)脈沖的移相通過(guò)改變Rs實(shí)現(xiàn)。當(dāng)R減小時(shí),振蕩周期Tg變短,第一個(gè)脈沖提前產(chǎn)生,晶閘管的控制角α減小,整流電路的輸出支流電壓增大。Rs的調(diào)節(jié)范圍確定了振蕩周期T的變化范圍,從而確定了移相范圍。這種觸發(fā)電路無(wú)法使晶閘管的控制角為零。</p><p> 單結(jié)晶體管的觸發(fā)電路有許多接線方式,舉例如圖2-3所示。</p><p><b&
43、gt; 圖2-3</b></p><p> 圖(a)是直接從晶閘管兩端取得電源電壓的觸發(fā)電路。晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通后,觸發(fā)電路的工作電壓即消失,所以每次只送一個(gè)脈沖。</p><p> 圖(b)用直流電壓供電,用同步脈沖加在晶體管上使電容放電獲得同步。</p><p> 圖(c)是用脈沖變壓器輸出的接線方式。這種方式使觸發(fā)電路與主回路電氣隔離。<
44、/p><p> 與脈沖變壓器并聯(lián)的二極管用以抑制負(fù)脈沖輸出。</p><p> 圖(d)用晶體管代替電位器。改變直流輸入電壓Ust,就能改變第一個(gè)脈沖的產(chǎn)生時(shí)刻,從而改變晶閘管的控制角。如Ust增大,則I增大,電容充電速率加快,達(dá)到峰點(diǎn)電壓的時(shí)間變短,第一個(gè)脈沖發(fā)出早,晶閘管的控制角減小。這種電路可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié),再帶反饋的晶閘管晶閘管中用的較多。</p><p>
45、 結(jié)論:單結(jié)晶體管觸發(fā)電路簡(jiǎn)單,但是輸出功率小,脈沖窄,故只在中小功率晶閘管晶閘管中得到廣泛應(yīng)用。在大功率晶閘管中,常用晶體管觸發(fā)電路。</p><p> 三. 常用三相調(diào)壓電路形式及特點(diǎn) </p><p> 圖2-4常用三相調(diào)壓電路形式及特點(diǎn)</p><p> 第三章 晶閘管移相觸發(fā)電路</p><p> 一.晶閘管移相觸發(fā)原
46、理</p><p> 在觸發(fā)信號(hào)和被控信號(hào)沒(méi)有直接聯(lián)系,即觸發(fā)信號(hào)不能反應(yīng)被控信號(hào)的狀態(tài),而直接觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通的過(guò)程。</p><p> 二.晶閘管移相觸發(fā)應(yīng)用</p><p> 因?yàn)樗挠|發(fā)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,電路便于實(shí)現(xiàn),所以被廣泛的應(yīng)用于各種要求不是很高的各種交流直流調(diào)壓設(shè)備中。如亮度可調(diào)式臺(tái)燈,電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制,以及應(yīng)用設(shè)計(jì)電壓可變直流電源等。通過(guò)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的觸
47、發(fā)電路或定時(shí)電路來(lái)控制晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間。</p><p> 圖3-1 簡(jiǎn)單的臺(tái)燈亮度控制電路及波形</p><p> R2是可調(diào)電阻,用來(lái)設(shè)計(jì)電容的充放電時(shí)間T=RC,當(dāng)C1充電電壓大于晶閘管得觸發(fā)電壓時(shí)晶閘管導(dǎo)通,R1起到保護(hù)作用,當(dāng)電源上正下負(fù)時(shí)C1充電,到通后正向電壓的一部分經(jīng)負(fù)載形成回路;當(dāng)電壓為負(fù)時(shí),C方向充電,然后反向電流的一部分流經(jīng)負(fù)載形成回路,控制R2電阻可控制電容充放
48、電時(shí)間,可以調(diào)節(jié)交流的平均電壓。通過(guò)如圖從而控制燈泡的亮度。</p><p> 三.移相觸發(fā)的優(yōu)缺點(diǎn)</p><p> 電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單可靠性高便于排除故障一般要求不高的場(chǎng)合被廣泛應(yīng)用。</p><p> 但電路產(chǎn)生許多高次分量對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行了污染,并以電磁波的方式向外發(fā)送能量,對(duì)敏感元件干擾較大,不能應(yīng)用在精密設(shè)備中。</p><p> 第
49、四章 晶閘管過(guò)零觸發(fā)電路</p><p> 一.晶閘管過(guò)零觸發(fā)原理</p><p> 所謂過(guò)零觸發(fā)即同步,是指把一個(gè)與主電路晶閘管所受電源電壓保持合適相位關(guān)系的電壓提供給觸發(fā)電路,使得觸發(fā)脈沖的相位出現(xiàn)在被觸發(fā)晶閘管承受正向電壓的區(qū)間,確保主電路各晶閘管在每一個(gè)周期中按相同的順序和觸發(fā)延遲角被觸發(fā)導(dǎo)通。我們將提供給觸發(fā)電路合適相位的電壓稱為同步信號(hào)電壓,正確選擇同步信號(hào)電壓與晶閘管
50、主電壓的相位關(guān)系稱為同步或定相。過(guò)零觸發(fā)就是在電壓為零的附近觸發(fā)導(dǎo)通在設(shè)定的周期內(nèi)改變晶閘管導(dǎo)通的周波數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)交流調(diào)功率和調(diào)壓 克服了移相觸發(fā)產(chǎn)生的諧波干擾。適于電熱負(fù)載</p><p> ?。ㄒ唬?shí)現(xiàn)同步的方法</p><p> 1.由同一電網(wǎng)供電,保證電源頻率一致 </p><p> 2.選擇合適的觸發(fā)電路 </p><p&g
51、t; 3.依據(jù)整流變壓器的聯(lián)結(jié)組標(biāo)號(hào)、主電路 線路型式、負(fù)載性質(zhì)確定觸發(fā)電路的同步電壓,并通過(guò)同步變壓器的正確連接加以實(shí)現(xiàn)。</p><p> 二.晶閘管過(guò)零觸發(fā)應(yīng)用</p><p> 圖4-1為過(guò)零觸發(fā)單相交流調(diào)功電路。交流電源電壓u以及V1和V2的觸發(fā)脈沖ug1、ug2的波形分別如圖4-2所示。由于各晶閘管都是在電壓u過(guò)零時(shí)加觸發(fā)脈沖的,因此就有電壓uo輸出。如果不觸發(fā)V1和V
52、2,則輸出電壓uo=0。由于是電阻性負(fù)載,因此當(dāng)交流電源電壓過(guò)零時(shí),原來(lái)導(dǎo)通的晶閘管因其電流下降到維持電流以下而自行關(guān)斷,這樣使負(fù)載得到完整的正弦波電壓和電流。由于晶閘管是在電源電壓過(guò)零的瞬時(shí)被觸發(fā)導(dǎo)通的,這就可以保證大大減小瞬態(tài)負(fù)載浪涌電流和觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)的電流變化率di/dt,從而使晶閘管由于di/dt過(guò)大而失效或換相失敗的幾率大大減少。 </p><p> 圖 4-1 交流調(diào)功器(b) 三相交流調(diào)功器<
53、;/p><p> (a) 單相交流調(diào)功器 圖 4-2 單相交流零觸發(fā)開(kāi)關(guān)電路的工作波形 </p><p> 如設(shè)定運(yùn)行周期TC內(nèi)的周波數(shù)為n,每個(gè)周波的頻率為50 Hz,周期為T(mén)(20 ms),則調(diào)功器的輸出功率P2為 </p><p> TC應(yīng)大于電源電壓一個(gè)周波的時(shí)間且遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于負(fù)載的熱時(shí)間常數(shù),一般取1 s左右就可滿足工業(yè)要求。 &
54、lt;/p><p> T——電源的周期(ms); </p><p> n——調(diào)功器運(yùn)行周期內(nèi)的導(dǎo)通周波數(shù); </p><p> PN——額定輸出容量(晶閘管在每個(gè)周波都導(dǎo)通時(shí)的輸出容量); </p><p> U2N——每相的額定電壓(V); </p><p> I2N——每相的額定電流(A);
55、</p><p> kz——導(dǎo)通比, , f為電源的頻率。 </p><p> 由輸出功率P2的表達(dá)式可見(jiàn),控制調(diào)功電路的導(dǎo)通比就可實(shí)現(xiàn)對(duì)被調(diào)對(duì)象(如電阻爐)的輸出功率的調(diào)節(jié)控制。 </p><p> 零壓強(qiáng)觸發(fā)電路有如下特點(diǎn):1)由于采用零壓觸發(fā)方式,所以負(fù)載上的電壓是完整的正弦波,不會(huì)產(chǎn)生高次諧波造成危害。2)采用時(shí)基集成電路NE555控制
56、,電路簡(jiǎn)單工作可靠,在固定的周期內(nèi),改變電壓周波數(shù)目,使輸出功率可以從零調(diào)到最大值3)利用小功率可控硅觸發(fā)大功率可控硅,對(duì)參數(shù)不對(duì)稱,或觸發(fā)靈敏度低的大容量可控硅實(shí)行強(qiáng)觸發(fā),可以保證可靠觸發(fā),輸出電壓波形完整。本電路可以用于大功率單相負(fù)載,如電爐調(diào)溫電機(jī)調(diào)速等場(chǎng)合,并且很容易加入反饋環(huán)節(jié)形成自動(dòng)控制。</p><p> 圖4-3零壓強(qiáng)觸發(fā)電路</p><p> 電路如圖4-3所示,時(shí)基
57、集成電路NE555接成自激多諧震蕩器,二極管D6,D7為定時(shí)電容C3提供獨(dú)立的充放電回路。這種接法,改變Rw的阻值,可以使3腳輸出高.低電平的時(shí)間,當(dāng)一個(gè)增加另一個(gè)減少時(shí),可以保證本電路的占空比從0.1%到99.9%可調(diào),但周期固定不變,振蕩周期為0.7秒。3腳上(B點(diǎn))電壓波形如圖2中Vb所示。</p><p><b> 圖4-4 波形圖</b></p><p>
58、 三極管BG1組成過(guò)零檢測(cè)電路并與555的輸出端配合形成過(guò)零觸發(fā)脈沖,原理如下:電源經(jīng)全波整流以后,經(jīng)二極管D5隔離,三端集成電路CW7812穩(wěn)壓,為電路提供12伏的直流電源。A點(diǎn)的波形如圖4-4中Va所示同時(shí)利用發(fā)光二極管LED的正向穩(wěn)壓的特性,削波限幅后在D點(diǎn)得到約1.7伏的電壓,作為過(guò)零檢測(cè)電源,在這里,發(fā)光二極管兼作指示燈用。D點(diǎn)的波形如圖2中Vd所示。</p><p> 當(dāng)NE555的3腳輸出低電位
59、時(shí),顯然是不可能產(chǎn)生觸發(fā)脈沖的,作為強(qiáng)觸發(fā)的小功率可控硅SCR3不導(dǎo)通,所以電路沒(méi)有輸出功率,而當(dāng)3腳輸出高電位時(shí),能否形成觸發(fā)脈沖,這要看BG1的狀態(tài)。此時(shí)A點(diǎn)的電位只高于1.2伏,BG1即進(jìn)入飽和狀態(tài),C點(diǎn)變?yōu)榈碗娢恢挥性陔娫措妷哼^(guò)零的各點(diǎn)上,BG1截止,C點(diǎn)才是高電位,也就是說(shuō)只有在電源電壓過(guò)零的各點(diǎn)上,才能形成同步觸發(fā)脈沖,使SCR3導(dǎo)通,C點(diǎn)的電壓波形如圖4-4中Vc所示。SCR1和SCR2是主回路中兩只大容量可控硅,當(dāng)SCR
60、3被導(dǎo)通后,SCR1和SCR2在電源的正負(fù)半周期內(nèi)分別被SCR3強(qiáng)制觸發(fā),在負(fù)載R2上得到一完整的正弦波,過(guò)程如下:電源上正下負(fù)時(shí),經(jīng)R2→D10→SCR3→R7→D12觸發(fā)SCR1,電源下正上負(fù)時(shí),經(jīng)D8→SCR3→R7→D11→R2.由于采用電源電壓強(qiáng)觸發(fā),觸發(fā)電流大,故靈敏可靠,同時(shí)可以看到,只要SCR1或SCR2一經(jīng)導(dǎo)通。SCR3即自行關(guān)斷,所以R7上的功耗并不大。</p><p> 這樣,只要調(diào)Rw的
61、阻值,就可以改變555上高電位的時(shí)間,從而在固定的周期內(nèi),改變RL上的周波數(shù),達(dá)到調(diào)功率的目的。</p><p> 器件選擇:時(shí)基集成電路可以選用NE555,μA555以及國(guó)產(chǎn)5G1555等,BG1可以選用3DK4,3DG12等管子,要求飽和壓降Vces小于0.3伏。β≥70,發(fā)光二極管可以選用紅色的,這類管子正向電壓在1.4到1.8伏左右,最好選用不超過(guò)1.7伏的。調(diào)試時(shí)可以用示波器觀察各點(diǎn)的波形,需符合圖4
62、-4中的形狀。圖中二極管可選用2CP類管子。</p><p> 雙向可控硅由于其本身的導(dǎo)電性,與一般的可控硅一樣,非常適合在交流電路內(nèi)做無(wú)觸點(diǎn)的開(kāi)關(guān),但與一般可控硅相比,其觸發(fā)電路要簡(jiǎn)單的多,使用更方便,因此應(yīng)用很廣泛。雙向可控硅的過(guò)零觸發(fā)方式,時(shí)可控硅只在過(guò)零瞬間獲得一個(gè)觸發(fā)脈沖而導(dǎo)通,這時(shí)電路內(nèi)的電流將由零而逐漸增大。對(duì)導(dǎo)通的雙向可控硅,如果在交流電壓過(guò)零時(shí)沒(méi)有觸發(fā)脈沖,則雙向可控硅會(huì)自動(dòng)關(guān)斷。因此在過(guò)零觸
63、發(fā)方式工作下的雙向可控硅電路內(nèi),電流的變化不會(huì)發(fā)生大起大落,從而有效地消除了 一般可控硅電路內(nèi)電流急劇變化而產(chǎn)生的波形畸變及輻射干擾等弊端。在微處理機(jī)化的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中,抗干擾實(shí)非常重要的,當(dāng)使用雙向可控硅作為電路控制器時(shí),這種過(guò)零觸發(fā)方式是非常適宜的。</p><p> (一).晶閘管調(diào)功控制爐溫電路</p><p> 圖4-5中,由兩只晶閘管反并聯(lián)組成交流開(kāi)關(guān),該電路是一個(gè)包括控
64、制電路在內(nèi)的單相過(guò)零調(diào)功電路。由圖可見(jiàn),負(fù)載是電爐,而過(guò)零觸發(fā)電路由鋸齒波發(fā)生器、信號(hào)綜合、直流開(kāi)關(guān)、同步電壓與過(guò)零脈沖觸發(fā)五個(gè)環(huán)節(jié)組成。 該電路的工作原理簡(jiǎn)述如下: (1) 鋸齒波是由單結(jié)晶體管BT、R1、R2、R3、RW1和C1組成的張弛振蕩器產(chǎn)生的,然后經(jīng)射極跟隨器(V1、R4)輸出。 </p><p> 圖 4-5單相晶閘管過(guò)零調(diào)功電路</p><p> ?。?) 控制電壓Uc
65、與鋸齒波電壓進(jìn)行電流疊加后送到V2的基極,合成電壓為Us。當(dāng)Us>0 時(shí),V2導(dǎo)通; Us<0時(shí), V2截止。 </p><p> ?。?) 由V2、V3以及R8、R9、VDW1組成一個(gè)直流開(kāi)關(guān),當(dāng)V2的基電壓UBE2>0(0.7 V)時(shí),V2導(dǎo)通,V3的基極電壓UBE3接近零電位,V3截止,直流開(kāi)關(guān)阻斷。當(dāng)UBE2<0時(shí),V2截止, 由R8、VDW1和R9組成的分壓電路使V3導(dǎo)通,直流開(kāi)關(guān)導(dǎo)通。 </p&
66、gt;<p> ?。?) 由同步變壓器TC、整流橋VD1及R10、R11、VDW2組成一個(gè)削波同步電源,這個(gè)電源與直流開(kāi)關(guān)的輸出電壓共同去控制V4與V5。只有在直流開(kāi)關(guān)導(dǎo)通期間,V4、V5集電極和發(fā)射極之間才有工作電壓,兩個(gè)管子才能工作。在此期間, 同步電壓每次過(guò)零時(shí),V4截止,其集電極輸出一個(gè)正電壓, 使V5由截止轉(zhuǎn)導(dǎo)通,經(jīng)脈沖變壓器輸出觸發(fā)脈沖,而此脈沖使晶閘管V6(V7)在需要導(dǎo)通的時(shí)刻導(dǎo)通。 </p>
67、<p> 在直流開(kāi)關(guān)(V3)導(dǎo)通期間輸出連續(xù)的正弦波,控制電壓Uc的大小決定了直流開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間的長(zhǎng)短,也就決定了在設(shè)定周期內(nèi)電路輸出的周波數(shù),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出功率的調(diào)節(jié)。 </p><p> 顯然,控制電壓Uc越大,導(dǎo)通的周波數(shù)越多,輸出的功率就越大,電阻爐的溫度也就越高;反之,電阻爐的溫度就越低。 利用這種系統(tǒng)就可實(shí)現(xiàn)對(duì)電阻爐爐溫的控制。 </p><p> 圖 4
68、-6 單相過(guò)零調(diào)功電路的工作波形</p><p> (二).KC04、KC41C組成的三相集成觸發(fā)電路</p><p> 如圖4-7所示,由三塊KC04與一塊KC41C外加少量分立元器件,可以組成三相全控橋的集成觸發(fā)電路,它比分立元器件電路要簡(jiǎn)單得多。</p><p> 1.KC04移相觸發(fā)器</p><p> KC04與分立元器件的
69、鋸齒波觸發(fā)電路相似,也是由同步、鋸齒波形成、移相控制、脈沖形成及放大輸出等環(huán)節(jié)組成。該器件適用于單相、三相全控橋式裝置中作晶閘管雙路脈沖相控觸發(fā)。</p><p> 2.KC41C六路雙脈沖形成器</p><p> 圖4-7為KC41C內(nèi)部電路及外部接線圖。使用時(shí),KC4lC與三塊KC04可組成三相全控橋的雙脈沖觸發(fā)電路。</p><p> 圖4-7 三相全控
70、橋雙窄脈沖集成觸發(fā)電路</p><p> ?。ㄈ?數(shù)字觸發(fā)電路</p><p> 圖4-8為微機(jī)控制數(shù)字觸發(fā)系統(tǒng)組成框圖。圖中觸發(fā)延遲角α設(shè)定值以數(shù)字形式通過(guò) 接口送給微機(jī),微機(jī)以基準(zhǔn)點(diǎn)作為計(jì)時(shí)起點(diǎn)開(kāi)始計(jì)數(shù),當(dāng)計(jì)數(shù)值與觸發(fā)延遲角對(duì)應(yīng)的數(shù)值一 致時(shí),微機(jī)就發(fā)出觸發(fā)信號(hào),該信號(hào)經(jīng)輸出脈沖放大,由隔離電路送至晶閘管。</p><p> 圖4-8 微機(jī)控制數(shù)字觸
71、發(fā)系統(tǒng)框圖</p><p><b> 1、系統(tǒng)工作原理</b></p><p> (1).介紹定時(shí)器計(jì)數(shù)器T0、T1的原理</p><p> (2).由前面講過(guò)的三相全控橋電路工作原理可知,該電路在一個(gè)工頻周期內(nèi),6只晶閘管的組合觸發(fā)順序?yàn)椋?、l;l、2;2、3;3、4;4、5;5、6。若系統(tǒng)采用雙脈沖觸發(fā)方式,則每工頻周期要發(fā)出6對(duì)脈
72、沖,為了使微機(jī)輸出的脈沖與晶閘管承受的電源電壓同步,必須設(shè)法在交流電源的每一周期產(chǎn)生一個(gè)同步基準(zhǔn)信號(hào),本系統(tǒng)采用線電壓過(guò)零點(diǎn)作為同步參考點(diǎn)。 </p><p> 電路工作時(shí),設(shè)α1為觸發(fā)延遲角,即第一對(duì)脈沖距離同步參考點(diǎn)的電角度,后面每隔60°發(fā)一對(duì)脈沖,共發(fā)6對(duì)。各脈沖位置與時(shí)間關(guān)系如圖3-16b所示,設(shè)</p><p><b> t1=tα1</b>
73、</p><p> tn=tα1+(n-1) t60 </p><p> 式中 t1——α1對(duì)應(yīng)的時(shí)間;</p><p> n—— 觸發(fā)脈沖序號(hào), n =1、2、3、4、5、6</p><p> tn——第n個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的時(shí)間;</p><p> t60——60°所對(duì)應(yīng)的時(shí)間。</p&g
74、t;<p> 這種用前一個(gè)脈沖為基準(zhǔn)來(lái)確定后一個(gè)脈沖形成時(shí)刻的方法,稱為相對(duì)觸發(fā)方式。</p><p> 本系統(tǒng)采用每一工頻周期取一次同步信號(hào)作為參考點(diǎn),每一對(duì)觸發(fā)脈沖調(diào)整一次觸發(fā)延 遲角的方法,按輸出脈沖工作順序編寫(xiě)的程序流程圖如圖3-17所示。本系統(tǒng)共使用3個(gè)中斷源,INT0為外部同步信號(hào)中斷,定時(shí)器T0、T1為計(jì)時(shí)中斷。其中T0僅完成對(duì)第一對(duì)脈沖的計(jì)時(shí),其他各對(duì)脈沖計(jì)時(shí)由T1完成。<
75、;/p><p> 2、微機(jī)觸發(fā)系統(tǒng)的硬件設(shè)置</p><p> 系統(tǒng)硬件配置框圖如圖4-9所示。</p><p> 圖4-9 系統(tǒng)硬件配置框圖</p><p> 三.晶閘管過(guò)零觸發(fā)優(yōu)缺點(diǎn)</p><p> 同步電壓為鋸齒波的觸發(fā)電路抗干擾能力強(qiáng),不受電網(wǎng)電壓波動(dòng)與波 形畸變的直接影響,移相范圍寬。缺點(diǎn)是整流裝
76、置的輸出電壓ud與控制電壓UC之間不成線性關(guān)系,且電路較復(fù)雜。</p><p> 第五章晶閘管電路的保護(hù)</p><p> 一、晶閘管保護(hù)的必要性</p><p> 整流電路以及其他大功率電路,在工作時(shí)都不可避免地會(huì)因各種原因在電路中產(chǎn)生電壓,電流的瞬變過(guò)程。這些瞬變過(guò)程將在電路的有關(guān)部分產(chǎn)生過(guò)電壓,過(guò)電流,或者過(guò)電壓上升率,過(guò)電流上升率。而晶閘管作為一種半
77、導(dǎo)體器件即和其他器件相比,由于其運(yùn)行電壓接近于允許電壓,而且元件的熱時(shí)間常數(shù)小,所以耐受過(guò)電壓,過(guò)電壓的能力是極弱的。當(dāng)電路中發(fā)生瞬變過(guò)程中所產(chǎn)生的過(guò)電壓,過(guò)電流,過(guò)大的電壓上升率和電流上升率作用到晶閘管上時(shí)。若超出允許值就可能損壞元件或者嚴(yán)重影響其工作。</p><p> 當(dāng)加于晶閘管上的反向電壓值超過(guò)其反向電壓不重復(fù)峰值電壓,而又沒(méi)有限流措施時(shí),即使時(shí)間很短,也會(huì)使元件反向擊穿,造成永久性破壞,,若是正向電
78、壓超過(guò)其斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓,則將使晶閘管發(fā)生轉(zhuǎn)折而導(dǎo)通,這是一種不正常的導(dǎo)通,在沒(méi)有限流措施情況下,大電流就會(huì)使晶閘管的結(jié)片局部過(guò)熱,使正向阻斷性能變壞。</p><p> 如果在晶閘管兩端突加一個(gè)正向電壓,盡管這個(gè)電壓大小并未超過(guò)元件的轉(zhuǎn)折電壓,但是電壓上升率很大也會(huì)使晶閘管導(dǎo)通。這是因?yàn)楣杵腜N結(jié)面在未導(dǎo)通時(shí),相當(dāng)于兩個(gè)靠的很近的極板形成一個(gè)電容。如果所加電壓的上升率很大,則通過(guò)PN結(jié)的電容電壓將使晶閘管
79、誤導(dǎo)通。和上述晶閘管正向轉(zhuǎn)折引起誤導(dǎo)通的情況一樣,會(huì)產(chǎn)生不需要的電流,從而造成對(duì)供電負(fù)載及晶閘管本身包括晶閘管自己的損害。</p><p> 與一般半導(dǎo)體元件相同,晶閘管元件的主要弱點(diǎn)是過(guò)電壓、 過(guò)電流的承受能力差。當(dāng)施加在元件兩端的電壓超過(guò)其正向轉(zhuǎn)折或反向擊穿電壓時(shí),即使時(shí)間很短也會(huì)導(dǎo)致元件損壞或使元件發(fā)生不應(yīng)有的轉(zhuǎn)折導(dǎo)通,造成事故或使元件性能降低,留下隱患。 過(guò)電壓保護(hù)的目的是使元件在任何情況下不致受到超過(guò)
80、元件所能承受的電壓的侵害, 因此必須采取有效措施消除和抑制可能產(chǎn)生的各種過(guò)電壓。</p><p> 二、產(chǎn)生過(guò)電壓的原因及其抑制措施</p><p><b> 產(chǎn)生過(guò)電壓的原因</b></p><p><b> 靜電感應(yīng)過(guò)電壓</b></p><p> 變壓器接通時(shí)的過(guò)電壓</p>
81、;<p> 晶閘管的變壓器是,但電源接通時(shí)的瞬間初級(jí)繞組的高電壓經(jīng)過(guò)繞組之間的分布電容耦合之次級(jí)繞組,對(duì)原來(lái)是低壓側(cè)的次級(jí)來(lái)說(shuō)就是一種過(guò)電壓。而且電壓上升率也很大 ,這種過(guò)電壓及其值很大的電壓上升率就可能危及接在變壓器次級(jí)的晶閘管。當(dāng)過(guò)電壓為正向時(shí),可能使晶閘管發(fā)生正向轉(zhuǎn)折或因?yàn)殡妷荷仙蔬^(guò)大而誤導(dǎo)通。因?yàn)樽儔浩骼@組之間的分布電容不大,所以在變壓器次級(jí)繞組上并接適當(dāng)?shù)碾娙菥湍茱@著減小這種過(guò)電壓。此外也可以在變壓器中加一個(gè)
82、屏蔽繞組,使之接地來(lái)削弱這種靜電感應(yīng)。</p><p><b> 雷擊過(guò)電壓</b></p><p> 三相交流架空明線有可能遭受雷擊,通常這種情況發(fā)生的雷擊過(guò)電壓也是一種靜電感應(yīng)過(guò)電壓。這種過(guò)電壓雖然機(jī)會(huì)很少,但由于其能量很大,一旦發(fā)生,則硅或晶閘管就極易被擊穿損壞。尤其是后者更易損壞。因此,在可能有雷擊的地區(qū)應(yīng)該在變壓器初級(jí)到進(jìn)線處裝設(shè)一個(gè)避雷器。但由于經(jīng)避雷
83、器后的剩余能量一般還比較大,而晶閘管的耐壓能力有限,所以常常在初級(jí)側(cè)接瞬間高電壓吸收電路。</p><p> 電感回路電流切斷時(shí)產(chǎn)生的過(guò)電壓</p><p> ?。?)變壓器初級(jí)斷開(kāi)時(shí)的過(guò)電壓</p><p> 變壓器是一種電桿元件,當(dāng)晶閘管空載時(shí)變壓器初級(jí)繞組中的電流就是其激磁電流。斷開(kāi)空載變壓器就是切斷其激磁電流,此時(shí)繞組中將感應(yīng)出一個(gè)很高的電勢(shì)企圖維持這個(gè)
84、初切斷的電流,從而在斷開(kāi)點(diǎn)處產(chǎn)生電弧。與此同時(shí)產(chǎn)生電勢(shì),造成過(guò)電壓。它和開(kāi)關(guān)斷開(kāi)的速度有關(guān)。一般可達(dá)到電源電壓的3~4倍。當(dāng)電源電壓過(guò)零的瞬間,激磁電流達(dá)到峰值,這時(shí)斷開(kāi)初級(jí)過(guò)電壓情況更嚴(yán)重。</p><p> ?。?)并聯(lián)負(fù)載切斷時(shí)形成過(guò)電壓</p><p> 在供電給晶閘管的三相交流饋電線上,往往接有其他負(fù)載。而電源回路總有一些電感,例如電力室進(jìn)線主變壓器的漏感,饋電母線的電感等。當(dāng)
85、并聯(lián)負(fù)載切斷時(shí),將造成電源回路電感中電流的突然變化,因而在饋電線上產(chǎn)生過(guò)電壓加到與三相連著的晶閘管上。</p><p> 這種過(guò)電壓的大小,顯然與電源回路的電感大小和切斷并聯(lián)負(fù)載的電流值有關(guān)。對(duì)于這種過(guò)電壓也可以采用RC吸收回路并聯(lián)在晶閘管進(jìn)線側(cè)加以抑制。</p><p> (3)直流回路切斷時(shí)產(chǎn)生的過(guò)電壓</p><p><b> 圖5-1<
86、/b></p><p> 在晶閘管晶閘管整流電路的后面總接有LC濾波電路,濾波電路 的容量很大,常常達(dá)幾萬(wàn)微法,一般情況下,在切斷直流負(fù)載不大的回路時(shí),不會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓。但是在直流負(fù)載很大的輸出回路中,若接有熔斷器,當(dāng)熔斷器熔斷時(shí),相當(dāng)于切斷大負(fù)載電流電路,如圖5-1示,</p><p> 這時(shí)電感L中電流 I就向電容C充電,使其電壓升高,若電容容量不足時(shí)就會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓加到晶閘管上
87、來(lái)。因此濾波電容的大小除了滿足濾波要求外,還應(yīng)滿足吸收電感L中的能量而不致形成過(guò)電壓。</p><p> 此外,某橋臂中的硅元件在導(dǎo)通狀態(tài)下突然開(kāi)斷的或串聯(lián)熔斷器熔斷時(shí),因電感中電流不能突變,從而產(chǎn)生很高的電壓。此過(guò)電壓正向施加于其余晶閘管上,可能使其正向轉(zhuǎn)折,這時(shí),若有續(xù)流二極管并聯(lián)與直流側(cè),則電感中的電流可通過(guò)續(xù)流二極管構(gòu)成回路。</p><p><b> 3、換向過(guò)電壓
88、</b></p><p> 晶閘管整流電路在工作時(shí),各晶閘管是輪流導(dǎo)通的,整流電流不斷的從一只晶閘管轉(zhuǎn)到另一只晶閘管仲去,這就是所謂的換向。在理想情況下,某晶閘管換向終了,通過(guò)它的電流降到零時(shí),該晶閘管,立即閉鎖以防止電流反向。實(shí)際上對(duì)于原來(lái)導(dǎo)通的晶閘管,突然加反向電壓時(shí),他并不能立即封鎖,晶閘管管段有個(gè)過(guò)程,因?yàn)榻Y(jié)區(qū)還積存著大量載流子,在一段時(shí)間內(nèi)仍是導(dǎo)通狀態(tài),使晶閘管在反向電壓作用下流過(guò)反向電流
89、,這個(gè)電流成為反向恢復(fù)電流,反向恢復(fù)電流以一定的速率朝反向增加,這個(gè)速度取決于加反向電壓和電路電感量的大小。</p><p><b> 圖5-2圖5-3</b></p><p> 換向過(guò)電壓的大小和反向電流在回路電感中集聚的能量與這個(gè)能量的釋放速度有關(guān),前者取決于晶閘管的工作狀態(tài)和電路參數(shù)。因這些因素已經(jīng)確定了,所以總是采用降低這個(gè)能量釋放速度的方法來(lái)降低換向過(guò)電
90、壓。這個(gè)方法最常用的就是在晶閘管兩端并聯(lián)RC吸收回路。</p><p><b> 控制過(guò)電壓的措施</b></p><p><b> 阻容吸收保護(hù)</b></p><p> 阻容RC吸收保護(hù)電路是利用兩端電壓不能突變的原理,在電力切斷時(shí),把電感中的電磁能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娙萜髦械碾妶?chǎng)能量。適當(dāng)?shù)倪x擇R、C的大小就可以抑制過(guò)電
91、壓數(shù)值在允許范圍內(nèi)。</p><p> 晶閘管交流側(cè)的RC吸收電路,它既可以抑制空載變壓器拉閘時(shí)切斷激磁電流所產(chǎn)生的過(guò)電壓,又能抑制變電壓合閘時(shí)的過(guò)電壓,以及相臨負(fù)載拉閘時(shí)形成的過(guò)電壓。而且由于電容上的電壓不能突變,所以能有效的抑制電壓上升率。電阻R是防止產(chǎn)生LC震蕩的阻尼電阻,原則上是小一些好,但過(guò)小可能產(chǎn)生震蕩。</p><p> 交流側(cè)RC吸收電路可以接在變壓器的初級(jí)側(cè)或者接在次
92、級(jí)側(cè),其作用是一樣的。由于次級(jí)電壓一般較低,可減小對(duì)電容耐壓的要求,所以,經(jīng)常是接在變壓器次級(jí)側(cè)。對(duì)于特大量晶閘管有時(shí)最好在初級(jí)側(cè)也接入RC吸收電路。</p><p> 對(duì)于硅元件換相電壓的保護(hù),最常用的也是RC吸收電路。將RC支路直接并聯(lián)在被保護(hù)的元件兩端即可。</p><p><b> 輸入濾波器</b></p><p> 如前所述,
93、供電給晶閘管的交流電網(wǎng)因各種原因產(chǎn)生的瞬間過(guò)程所引起的過(guò)電壓及電壓上升率會(huì)串入晶閘管,對(duì)晶閘管造成危害,由于設(shè)置了相應(yīng)的RC吸收電路后,電網(wǎng)上產(chǎn)生的過(guò)電壓尖峰及電壓上升率一般就不會(huì)到達(dá)晶閘管。但是,在沒(méi)有變壓器的整流電路中情況就不一樣了,這時(shí)應(yīng)該在電源輸入端串入電感L4如圖,用來(lái)抑制從電網(wǎng)來(lái)的過(guò)電壓尖峰及過(guò)大的電壓上升率。但是接入電感L后,在操作晶閘管時(shí)又會(huì)產(chǎn)生各種過(guò)電壓,因此也要接入相應(yīng)的RC吸收電路,這樣就構(gòu)成了圖示濾波器。這種濾波
94、器對(duì)改善晶閘管工作時(shí)對(duì)電網(wǎng)電壓波形的畸變有好處。</p><p><b> 硒堆保護(hù)電路</b></p><p> RC吸收電路既然能抑制過(guò)電壓而又有抑制電壓上升率的作用,但是其吸收能力有限當(dāng)供電電網(wǎng)上發(fā)生意外情況,對(duì)于出現(xiàn)能量很大的過(guò)電壓時(shí),一般的RC電路往往不能將這種過(guò)電壓吸收掉。這時(shí),可采用硒堆保護(hù)電路硒堆有兩組反向串聯(lián)的硒片組成,利用其反向擊穿特性吸收過(guò)電
95、壓而達(dá)到保護(hù)目的。</p><p> 硒片保護(hù)也可接到變壓器初級(jí)側(cè),但由于初級(jí)電壓一般都比次級(jí)電壓高,這時(shí)所需串聯(lián)的片數(shù)就要相應(yīng)增加,其面積適當(dāng)減小。</p><p> 4、壓敏電阻保護(hù)電路</p><p> 壓敏電阻是近年來(lái)出現(xiàn)的一種金屬氧化物,具有于“穩(wěn)壓管特性”相類似的非線形伏安特性,是一種良好的過(guò)電壓保護(hù)元件,它具有體積小,過(guò)電壓的抑制性好,耐受沖擊能
96、量大,響應(yīng)速度快,正常耗電量小,可靠性高等一系列優(yōu)點(diǎn),而且它的正反向伏安特性對(duì)稱交直流電路中都適用。因此,在晶閘管晶閘管與逆變裝置中已開(kāi)始采用這種壓敏電阻作為過(guò)電壓保護(hù)元件。</p><p> 三.產(chǎn)生過(guò)電流的原因及其抑制措施</p><p><b> 產(chǎn)生過(guò)電流的原因</b></p><p> 使晶閘管過(guò)流的原因有三種:一是過(guò)負(fù)載,二是
97、輸出側(cè)電路。</p><p> 晶閘管供給的負(fù)載用電量過(guò)大,超過(guò)晶閘管的額定輸出值就造成過(guò)負(fù)載,使可控硅中的電流超過(guò)規(guī)定值。電流過(guò)大會(huì)造成晶閘管的結(jié)部溫度過(guò)高,甚至超過(guò)允許值。這就使晶閘管的正反向特性都變壞,漏電流急劇增大,其結(jié)果又會(huì)使元件結(jié)溫更加上升,如此惡性循環(huán),就可能完全損壞晶閘管,導(dǎo)致發(fā)生短路故障,因晶閘管的過(guò)電流能力是很有限的, 所以在電路中要采取過(guò)載保護(hù)措施。</p><p>
98、; 輸出側(cè)的短路,將造成很大的短路電流。因?yàn)橐话阃ㄓ镁чl管總是帶有較大的濾波電感。這個(gè)濾波電感可減小短路電流上升的速度,當(dāng)采用快速繼電器保護(hù)時(shí),可以在短路電流尚未上升至最大值前切斷電路。此外,在直流回路中可接入快速熔斷器,在電流上升至一定值時(shí)熔斷,切斷電路。</p><p> ?。ǘ?、抑制過(guò)電流的措施</p><p><b> 1、限流法</b></p&g
99、t;<p> 所謂限流法就是將晶閘管的最大輸出限制在某一規(guī)定的數(shù)值,這是電源設(shè)備中常用的過(guò)載保護(hù)手段之一。在晶閘管電路中,可以利用控制電路設(shè)法使晶閘管具有限流性能。例如當(dāng)輸出電流增達(dá)到某一數(shù)值時(shí),控制電路發(fā)生轉(zhuǎn)換信號(hào)使晶閘管轉(zhuǎn)入限流工作,這是控制電路調(diào)節(jié)晶閘管的控制角,降低晶閘管的輸出電壓,使輸出電流限制在規(guī)定的范圍內(nèi)。</p><p> 這種保護(hù)方式再過(guò)電流消除后,自動(dòng)恢復(fù)原來(lái)的工作狀態(tài),保證
100、了供電不中斷。</p><p><b> 2、控制閉鎖方法</b></p><p> 當(dāng)晶閘管過(guò)載或發(fā)生直流輸出側(cè)短路故障時(shí),為了更快的限制輸出電流,可以采用閉鎖晶閘管控制極的方法。也就是說(shuō)在發(fā)生短路故障時(shí),通過(guò)控制電路切斷晶閘管的觸發(fā)脈沖,這樣除了已經(jīng)在導(dǎo)電的晶閘管外,其余的元件不再輪流導(dǎo)電。已導(dǎo)電晶閘管中的電流減小到零時(shí),該元件也停止導(dǎo)電,這樣電路就完全切斷了
101、。</p><p> 需要特別指出,在三相半控橋式電路中采用閉瑣控制極的保護(hù)方法時(shí),主電路中必須有續(xù)流二極管,否則就不能切斷故障電流。</p><p><b> 3、快速熔斷法</b></p><p> 普通熔斷器因?yàn)槿蹟嗨俣忍?,若用它保護(hù)晶閘管,很可能在晶閘管燒壞后還未熔斷,因此一般不能用來(lái)保護(hù)晶閘管,快速熔斷器采用特殊結(jié)構(gòu)的銀質(zhì)熔絲
102、作熔體,且在熔斷管內(nèi)填充石英沙。使快速熔斷器具有很好的熔斷特性。與普通熔斷器相比在同樣的 過(guò)載倍數(shù)下,它的熔斷時(shí)間要短的多。因此它可以作為晶閘管的短路保護(hù)手段。</p><p> 整流器中產(chǎn)生過(guò)電壓的原因有外因和內(nèi)因兩種。前者主要來(lái)自系統(tǒng)中的通斷過(guò)程和雷擊,后者是指由晶閘管元件的周期通斷(換相)過(guò)程(即晶閘管載流子積蓄效應(yīng))引起的過(guò)電壓。 </p><p> 正常工作時(shí),晶閘管承受
103、的最大峰值電壓Um, 超過(guò)此峰值的電壓即為過(guò)電壓。在整流裝置中,任何偶然出現(xiàn)的過(guò)電壓均不應(yīng)超過(guò)元件的不重復(fù)峰值電壓Udm,而任何周期性出現(xiàn)的過(guò)電壓則應(yīng)小于元件的重復(fù)峰值電壓Urm。這兩種過(guò)電壓都是經(jīng)常發(fā)生和不可避免的,因此在變流電路中,必須采用各種有效保護(hù)措施,以抑制各種暫態(tài)過(guò)電壓,保護(hù)晶閘管元件不受損壞。 </p><p> 抑制暫態(tài)過(guò)電壓的方法一般有三種: ① 用電阻消耗過(guò)電壓的能量; ② 用非線性元件限制
104、過(guò)電壓的幅值; ③ 用儲(chǔ)能元件吸收過(guò)電壓的能量。 若以過(guò)電壓保護(hù)裝置的部位來(lái)分, 還有交流側(cè)保護(hù)和直流側(cè)保護(hù)兩種抑制暫態(tài)電壓的方法。 </p><p> (1) 交流側(cè)過(guò)電壓保護(hù)有三種方法:采用避雷器、RC過(guò)電壓抑制電路和非線性元件。</p><p> 避雷器用以保護(hù)由大氣雷擊所產(chǎn)生的過(guò)電壓,主要用于保護(hù)變壓器。因這種過(guò)電壓能量較大,持續(xù)時(shí)間也較長(zhǎng),一般采用閥型避雷器。 </p
105、><p> RC過(guò)電壓抑制電路通常并聯(lián)在變壓器次級(jí)(元件側(cè)), 以吸收變壓器鐵心磁場(chǎng)釋放的能量,并把它轉(zhuǎn)換為電容器的電場(chǎng)能而儲(chǔ)存起來(lái)。串聯(lián)電阻是為了在能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中消耗一部分能量并且抑制RC回路可能產(chǎn)生的振蕩。當(dāng)整流器容量較大時(shí),RC電路也可接在變壓器的電源側(cè)。 </p><p> 圖5-3 RC保護(hù)接法</p><p> (2) 直流側(cè)過(guò)電壓保護(hù)。 &l
106、t;/p><p> 整流器直流側(cè)斷開(kāi)時(shí),如出現(xiàn)直流側(cè)快速開(kāi)關(guān)斷開(kāi)或橋臂快速熔斷等情況, 則也會(huì)在A、B之間產(chǎn)生過(guò)電壓,如圖9-5所示。前者因變壓器儲(chǔ)能的釋放產(chǎn)生過(guò)電壓,后者則由于直流電抗器儲(chǔ)能的釋放產(chǎn)生過(guò)電壓,都可使晶閘管元件損壞。 當(dāng)直流端處在短路情況下斷開(kāi)直流電路時(shí),產(chǎn)生的浪涌峰值電壓特別嚴(yán)重, 所以對(duì)直流側(cè)過(guò)電壓必須采取措施加以抑制</p><p> 晶閘管元件承受過(guò)電流的能力也很低
107、,若過(guò)電流數(shù)值較大而切斷電路的時(shí)間又稍長(zhǎng),則晶閘管元件因熱容量小就會(huì)產(chǎn)生熱擊穿而損環(huán)。因此,必須設(shè)置過(guò)流保護(hù),其目的在于一旦變流電路出現(xiàn)過(guò)電流,就要把它限制在元件允許的范圍內(nèi), 在晶閘管被損壞前就迅速切斷過(guò)電流,并斷開(kāi)橋臂中的故障元件, 以保護(hù)其它元件。 </p><p> 晶閘管變流裝置可能采用的過(guò)流保護(hù)措施有交流斷路器、 進(jìn)線電抗器、靈敏過(guò)電流繼電器、短路器、電流反饋控制電路、 直流快速開(kāi)關(guān)及快速熔斷器等
108、,現(xiàn)分別作簡(jiǎn)要說(shuō)明。 </p><p> 交流斷路器串接在整流變壓器的初級(jí),當(dāng)整流電路的過(guò)電流超過(guò)其整定值時(shí)動(dòng)作,切斷變壓器初級(jí)側(cè)交流電路,使變壓器退出運(yùn)行。斷路器全部動(dòng)作時(shí)間較長(zhǎng),約為100~200 ms, 晶閘管元件不能在這樣長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)承受過(guò)電流,故它只能作為變流裝置的后備保護(hù)。 交流斷路器的選配原則是: ① 其額定電流和電壓不小于安裝處的額定值; ② 其斷流能力大于安裝處的短路電流。 </p>
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