浅析晶闸管软起动器的原理及应用

1 引言

 

　　随着电力电子技术的飞速发展，晶闸管软起动器装置应运而生。三相异步电动机的起停技术发生了划时代的变化。晶闸管软起动产品问世不过30年左右的时间，而其主要性能却大大优于磁控软起动、液阻软起动等传统软起动方式。它的体积小，结构紧凑，几乎免维护，功能齐全，起动重复性好，保护周全，目前已成为软起动领域中的佼佼者。

 

　　2 晶闸管简介

 

　　晶闸管(thyristor)是晶体闸流管的简称，又可称做可控硅整流器，以前被简称为可控硅;1957年美国通用电器公司开发出世界上第一个晶闸管产品，并于1958年使其商业化;晶闸管是pnpn四层半导体结构，它有三个极：阳极，阴极和门极;晶闸管工作条件为：加正向电压且门极有触发电流。其派生器件有：快速晶闸管，双向晶闸管，逆导晶闸管，光控晶闸管等。它是一种大功率开关型半导体器件，在电路中用文字符号为“v”、“vt”表示(旧标准中用字母“scr”表示)。

 

　　晶闸管具有硅整流器件的特性，能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程可以控制、被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中。

 

　　3 晶闸管参数说明

 

　　为了正确地选择和使用晶闸管，对其主要参数应有所了解才能正确地选型。晶闸管的主要参数有：

 

　　(1)断态重复峰值电压udrm

 

　　是指晶闸管在正向阻断时，允许加在a、k，如图1所示，a是晶闸管的阳极，k是晶闸管的阴极，g是晶闸管的门极。极间最大的峰值电压。此电压约为不重复峰值电压udsm的90%。

　　

 

 

　　(2)反向重复峰值电压urrm

 

　　在控制极断路时，允许重复加在晶闸管上的反向峰值电压，称为反向阻断峰值电压。此电压约为不重复峰值电压ursm的90%。

 

　　udrm和urrm在数值上一般相近，统称为晶闸管的阻断峰值电压。通常把其中较小的那个数值作为该型号器件上的额定电压值。

 

　　由于瞬时过电压也会使晶闸管损坏，因此晶闸管的额定电压应选为正常工作峰值电压的2～3倍，以确保安全。

 

　　(3)额定正向平均电流if

 

　　在规定的标准散热条件和环境温度(40℃)下，晶闸管的阳极和阴极间允许连续通过的工频正弦半波电流的平均值，称为额定正向平均电流。

 

　　由于晶闸管的过载能力小，选用晶闸管的额定正向平均电流时，至少应大于正常工作平均电流的1.5～2倍，以留有一定的余地。

 

　　(4)维持电流ih

 

　　在室温下，控制极开路时，维持晶闸管继续导通所必须的最小电流，称为维持电流。当正向电流小于ih值时，晶闸管就自行关断。ih值一般为几十至一百多毫安。

 

　　(5)控制极触发电压vg、触发电流ig

 

　　在室温下，阳极加正向电压为直流6v时，使晶闸管由阻断变为导通所需要的最小控制极电压和电流，称为控制极触发电压和触发电流。vg一般为3.5～5v，ig约为几十至几百毫安。实际应用时，加到控制极的触发电压和触发电流应比额定值稍微大点，以保证可靠触发。

 

　　(6)电压上升率dv/dt

 

　　晶闸管阻断时其阴阳极之间相当于一个结电容当突加阳极电压时会产生充电电容电流，此电流可能导致晶闸管误导通，因此对管子的最大正向电压上升率必须加以限制，一般采用阻容吸收元件并联在晶闸管两端的办法加以限制。

 

　　(7)电流上升率di/dt

 

　　晶闸管开通时电流是从靠近门极区的阴极开始导通然后逐渐扩展到整个阴极区直至全部导通，这个过程需要一定的时间，如阳极电流上升太快，使电流来不及扩展到整个管子的pn结面，造成门极附近的阴极因电流密度过大，发热过于集中pn结，结温会很快超过额定结温而烧毁晶闸管，故必须限定晶闸管的电流上升临界值di/dt，一般在桥臂中串入电感或铁淦氧磁环。

 

　　4 晶闸管工作条件

 

　　由于晶闸管只有导通和关断两种工作状态，所以它具有开关特性，这种特性需要一定的条件才能转化，此条件如附表所示。

　　

　　5 晶闸管在高压软起动中的应用

 

　　随着国民经济的高速发展，高压电动机的数量不断增加。由于大电机直接起动时的电流为额定电流的5～7倍，而启动转矩只有额定转矩的0.4～1.6倍。它在电网条件(电机启动时的电网压降小于10%)和工艺条件(启动转矩满足)允许的情况下，可以直接启动。但过大的启动电流、过小的启动转矩和过长的启动时间给电机和电网造成了极大的危害。常导致电网电压、谐波电压波动的增大，以至前级跳闸，大大地增加了电网的负担及电网污染，严重影响电网的安全运行。同时，也对自身造成了很大伤害。因此，必须在电源和电机之间串入软起动器来解决这些问题。

 

　　晶闸管电机软起动器的出现，很好的解决了以上问题，它弥补了传统软起动器的各种不足，很好地降低了电机的起动电流，降低了配电容量，延长了电机及相关设备的使用寿命。起动参数可视负载调整，易于维护。

 

　　5.1晶闸管电机软起动器工作原理

 

　　晶闸管在高压电机软起动器中的应用是一种利用晶闸管进行交流调压的应用。利用晶闸管可以相控改变晶闸管导通的相位角来调节电压。

 

　　晶闸管移相式软起动器是改变正弦交流电压的波形，使之变为非正弦脉冲式交流电，通过调节其占空比，如图2所示。

　　注释：

 

　　(1)α：控制角。指触发脉冲的加入时间。

 

　　(2)q：导通角。每半个周期晶闸管导通角度。控制角越大，导通角越小，它们的和为定值α+q=p。它改变交流电的平均电压，其平均电压是可控的、平滑变化的。

 

　　5.2 晶闸管的选型

 

　　晶闸管是电机软起动器中最关键的功率器件，整机装置是否工作可靠与正确选择晶闸管额定电流、额定电压等参数有很大的关系。选型的原则应该首先考虑工作可靠性，即电流、电压必须有足够的余量倍数。其次应考虑经济性即性价比，最后应考虑安装美观、体积尽量减小等。

 

　　对于6kv、10kv的高压电机，由于电压高，所以需要将晶闸管反并联后再串联起来。6kv每相需要6只晶闸管(2只反并联后，3组串联)，10kv每相需要10只晶闸管(2只反并联后，5组串联)。这样对于每只晶闸管来说所承受的电压约为2000v，所以所选择的晶闸管的正反向不重复额定电压vdsm、vrsm应为6500v以上。

 

　　对晶闸管额定电流的选择，必须考虑电机的额定工作电流。一般来说，晶闸管的电流应是电机额定电流的3~4倍。

 

　　在晶闸管高压电机软起动装置中，采用2个独立晶闸管器件反并联组成的交流相控调压，正负半周各对应1个晶闸管工作，因此对2个反并联器件参数的一致性要求较高。包括晶闸管触发参数，维持电流参数等也都尽量要求挑选一致。尽量让正负半波对称，否则会有直流成分电流流过电机。由于电机为绕组负载为电感性的，因此过高的直流份量会使得电机定子发热严重，甚至会烧毁电机绕组，从而使电机报废。

 

　　6 晶闸管保护

 

　　晶闸管承受过电压、过电流的能力很差，这是它的主要缺点。晶闸管的热容量很小，一旦发生过电流时，温度急剧上升，可能将pn结烧坏，造成元件内部短路或开路。例如一只100a的晶闸管过电流为400a时，仅允许持续0.02s，否则将因过热而损坏;晶闸管耐受过电压的能力极差，电压超过其反向击穿电压时，即使时间极短，也容易损坏。若正向电压超过转折电压时，则晶闸管误导通，导通后的电流较大，使器件受损。

 

　　6.1 晶闸管的过压保护

 

　　在晶闸管两端并联r-c阻容吸收回路，如图3所示，利用电容吸收过压。其实质就是将造成过电压的能量变成电场能量储存到电容中，然后释放到电阻中消耗掉。

 

　　晶闸管从导通到阻断时，和开关电路一样，因线路电感(主要是变压器漏感lb)释放能量会产生过电压。由于晶闸管在导通期间，载流子充满元件内部，所以元件在关断过程中，正向电压下降到零时，内部仍残存着载流子。这些积蓄的载流子在反向电压作用下瞬时出现较大的反向电流，使积蓄载流子迅速消失，这时反向电流消失的极快，即di/dt极大。因此即使和元件串连的线路电感l很小，电感产生的感应电势l(di/dt)值仍很大，这个电势与电源电压串联，反向加在已恢复阻断的元件上，可能导致晶闸管的反向击穿。这种由于晶闸管关断引起的过电压，称为关断过电压，其数值可达工作电压峰值的5～6倍，所以必须采取抑制措施。

 

　　阻容吸收电路中电容器把过电压的电磁能量变成静电能量存贮，电阻防止电容与电感产生谐振、限制晶闸管开通损耗与电流上升率。这种吸收回路能抑制晶闸管由导通到截止时产生的过电压，有效避免晶闸管被击穿。

 

　　阻容吸收电路安装位置要尽量靠近模块主端子，即引线要短。最好采用无感电阻，以取得较好的保护效果。

 

　　6.2 晶闸管的过流保护

 

　　由于半导体器件体积小、热容量小，特别像晶闸管这类高电压大电流的功率器件，结温必须受到严格的控制，否则将遭至彻底损坏。当晶闸管中流过大于额定值的电流时，热量来不及散发，使得结温迅速升高，最终将导致结层被烧坏。

 

　　产生过电流的原因是多种多样的，例如，变流装置本身晶闸管损坏，触发电路发生故障，控制系统发生故障等，以及交流电源电压过高、过低或缺相，负载过载或短路，相邻设备故障影响等。

 

　　晶闸管过电流保护方法最常用的是快速熔断器。由于普通熔断器的熔断特性动作太慢，在熔断器尚未熔断之前晶闸管已被烧坏;所以不能用来保护晶闸管。快速熔断器由银制熔丝埋于石英沙内，熔断时间极短，可以用来保护晶闸管。

 

　　与普通熔断器比较，快速熔断器是专门用来保护半导体功率器件过电流的。它具有快速熔断的特性，在流过6倍额定电流时其熔断时间小于50hz交流电的一个周期(20ms)。一般说来快速熔断器额定电流有效值应小于被保护晶闸管的额定有效值，同时要大于流过晶闸管的实际有效值。

 

　　6.3 晶闸管的过热保护

 

　　晶闸管在电流通过时，会产生一定的压降，而压降的存在则会产生一定的功耗，电流越大则功耗越大，产生的热量也就越大。如果不把这些热量快速散掉，会造成烧坏晶闸管芯片的问题。因此要求使用晶闸管模块时，一定要安装散热器。

 

　　散热条件的好坏，是影响模块能否安全工作的重要因素。良好的散热条件不但能够保证模块可靠工作、防止模块过热烧毁，而且能够提高模块的电流输出能力。

 

　　7 结束语

 

　　晶闸管在高压软起动中的应用，为软起动带来了革命性的变化，它将在软起动的发展史上留下浓重的一笔。