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一般保护可控硅晶闸管线路方法有哪些?

   可控硅的保护电路,大致可以分为两种情况:一种是在适当的地方安装保护器件,例如,R-C阻容吸收回路、限流电感、快速熔断器、压敏电阻或硒堆等。再一种则是采用电子保护电路,检测设备的输出电压或输入电流,当输出电压或输入电流超过允许值时,借助整流触发控制系统使整流桥短时内工作于有源逆变工作状态,从而抑制过电压或过电流的数值。

一.可控硅的过流保护

晶闸管设备产生过电流的原因可以分为两类:一类是由于整流电路内部原因, 如整流晶闸管损坏, 触发电路或控制系统有故障等; 其中整流桥晶闸管损坏类较为严重, 一般是由于晶闸管因过电压而击穿,造成无正、反向阻断能力,它相当于整流桥臂发生永久性短路,使在另外两桥臂晶闸管导通时,无法正常换流,因而产生线间短路引起过电流.另一类则是整流桥负载外电路发生短路而引起的过电流,这类情况时有发生,因为整流桥的负载实质是逆变桥, 逆变电路换流失败,就相当于整流桥负载短路。另外,如整流变压器中心点接地,当逆变负载回路接触大地时,也会发生整流桥相对地短路。

1.对于第一类过流,即整流桥内部原因引起的过流,以及逆变器负载回路接地时,可以采用第一种保护措施,最常见的就是接入快速熔短器的方式。见图1。快速熔短器的接入方式共有三种,其特点和快速熔短器的额定电流见表1。

方式

特点

额定电流IRN

备注

A

熔短器与每一个元件串联,能可靠地保护每一个元件

IRN<1.57IT

IT:晶闸管通态 平均电流

B

能在交流、直流和元件短路时起保护作用,可靠性稍有降低

IRN<KCID
系数KC见表2

KC:交流侧线电流与ID之比
ID
:整流输出电流

C

直流负载侧有故障时动作,元件内部短路时不能起保护作用

IRN<ID

ID:整流输出电流

表1:快速熔短器的接入方式、特点和额定电流

型式

单相
全波

单相
桥式

三相
零式

三相
桥式

六相零式
六相曲折

Y 带平
衡电抗器

系数KC

电感负载

0.707

1

0.577

0.816

0.108

0.289

电阻负载

0.785

1.11

0.578

0.818

0.409

0.290

                                              表2:整流电路型式与系数KC的关系表

2.对于第二类过流,即整流桥负载外电路发生短路而引起的过电流,则应当采用电子电路进行保护。常见的电子保护原理图如下

二.晶闸管的过压保护

晶闸管设备在运行过程中,会受到由交流供电电网进入的操作过电压和雷击过电压的侵袭。同时,设备自身运行中以及非正常运行中也有过电压出现。
1.过电压保护的第一种方法是并接R-C阻容吸收回路,以及用压敏电阻或硒堆等非线性元件加以抑制。见图3和图4。

2.过电压保护的第二种方法是采用电子电路进行保护。常见的电子保护原理图如下:

三.电流上升率、电压上升率的抑制保护
1.电流上升率di/dt的抑制
晶闸管初开通时电流集中在靠近门极的阴极表面较小的区域,局部电流密度很大,然后以0.1mm/μs的扩展速度将电流扩展到整个阴极面,若晶闸管开通时电流上升率di/dt过大,会导致PN结击穿,必须限制晶闸管的电流上升率使其在合适的范围内。其有效办法是在晶闸管的阳极回路串联入电感。如下图: 

2.电压上升率dv/dt的抑制
加在晶闸管上的正向电压上升率dv/dt也应有所限制,如果dv/dt过大,由于晶闸管结电容的存在而产生较大的位移电流,该电流可以实际上起到触发电流的作用,使晶闸管正向阻断能力下降,严重时引起晶闸管误导通。
为抑制dv/dt的作用,可以在晶闸管两端并联R-C阻容吸收回路。如下图:

四、为什么要在晶闸管两端并联阻容网络

在实际晶闸管电路中,常在其两端并联RC串联网络,该网络常称为RC阻容吸收电路。

我们知道,晶闸管有一个重要特性参数-断态电压临界上升率dlv/dlt。它表明晶闸管在额定结温和门极断路条件下,使晶闸管从断态转入通态的最低电压上升率。若电压上升率过大,超过了晶闸管的电压上升率的值,则会在无门极信号的情况下开通。即使此时加于晶闸管的正向电压低于其阳极峰值电压,也可能发生这种情况。因为晶闸管可以看作是由三个PN结组成。

晶闸管处于阻断状态下,因各层相距很近,其J2结结面相当于一个电容C0。当晶闸管阳极电压变化时,便会有充电电流流过电容C0,并通过J3结,这个电流起了门极触发电流作用。如果晶闸管在关断时,阳极电压上升速度太快,则C0的充电电流越大,就有可能造成门极在没有触发信号的情况下,晶闸管误导通现象,即常说的硬开通,这是不允许的。因此,对加到晶闸管上的阳极电压上升率应有一定的限制。

 为了限制电路电压上升率过大,确保晶闸管安全运行,常在晶闸管两端并联RC阻容吸收网络,利用电容两端电压不能突变的特性来限制电压上升率。因为电路总是存在电感的(变压器漏感或负载电感),所以与电容C串联电阻R可起阻尼作用,它可以防止R、L、C电路在过渡过程中,因振荡在电容器两端出现的过电压损坏晶闸管。同时,避免电容器通过晶闸管放电电流过大,造成过电流而损坏晶闸管。
由于可控硅过流过压能力很差,如果不采取可靠的保护措施是不能正常工作的。RC阻容吸收网络就是常用的保护方法之一。

五、整流晶闸管阻容吸收元件的选择

电容的选择:

C=(2.5-5)×10的负8次方×If
If=0.367Id
Id-直流电流值
如果整流侧采用500A的晶闸管
可以计算C=(2.5-5)×10的负8次方×500=1.25-2.5μF
选用2.5μF,1kv 的电容器

电阻的选择:

R=((2-4) ×535)/If=2.14-8.56
选择10欧
PR=(1.5×(pfv×2πfc)的平方×10的负12次方×R)/2
Pfv=2u(1.5-2.0)
u=三相电压的有效值

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