功率整流柜(详细)

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1、南京南瑞集团公司国电自动化研究院 可控硅整流装置1概述可控硅整流装置是现代励磁系统中较为重要的一个环节 虽然其原理并不深奥 但其在励磁系统的故障中所占的比例并不小 对电厂运行维护显得特别重要 弄清其工作原理和常见故障现象 对于提高维护水平 提高励磁系统的投入率具有重要意义 南京南瑞集团公司国电自动化研究院 2可控硅的主要参数可控硅又称晶闸管 是可控硅整流电路的关键器件 所以在讲述可控硅整流电路的原理前 了解一下可控硅的主要参数是非常必要的 可控硅的参数较多 包括各种状态下的电压 电流 门极参数及动态参数 为了正确使用可控硅 不仅要了解它的伏安特性 而更重要的是定量掌握它的主要参数 南京南瑞集团

2、公司国电自动化研究院 为了正常使用可控硅 必须清楚它能承受多大的正向电压而不转折 没有触发脉冲 不自行导通 承受多大的反向电压而不击穿 在可控硅导通以后能允许通过多大的电流而不致烧毁 另外还要注意该管的触发电压和触发电流是多大 导通后的管压降是多少 维持电流和掣住电流是多大等等 以上这些参数是选择可控硅是必须考虑的问题 南京南瑞集团公司国电自动化研究院 1 可控硅的电压定额 a 断态不重复峰值电压UDSMUDSM是指在门极开路时 当加在可控硅上的正向阳极电压上升到使可控硅的正向伏安特性急剧弯曲时所对应的电压值 见图1 断态不重复峰值电压UDSM应低于正向转折电压UPBO 所留余量的大小由生产厂

3、规定 b 断态重复峰值电压UDRMUDRM是指当可控硅的门极开路且结温为额定值时 允许重复加在可控硅上的正向峰值电压 如图1所示 规定断态重复峰值电压UDRM为断态不重复峰值电压UDSM的80 南京南瑞集团公司国电自动化研究院 可控硅在整流电路中工作时 由于开关接通或断开时的过渡过程 会有瞬间的超过正常工作值的正 反向电压加到可控硅上 称为 操作过电压 可控硅必须能够重复地经受一定限度的操作过电压 而不影响其正常工作 南京南瑞集团公司国电自动化研究院 c 反向不重复峰值电压URSMURSM是指在门极开路时 当加在可控硅上的反向阳极电压上升到使可控硅的反向伏安特性急剧弯曲时所对应的电压值 图1

4、图1晶闸管的几个电压参数在伏安特性上的位置 南京南瑞集团公司国电自动化研究院 d 反向重复峰值电压URRMURRM是指当门极开路且结温为额定值时 允许重复加在可控硅上的反向峰值电压 见图1 规定反向重复峰值电压URRM为反向不重复峰值电压URSM的80 通常 可控硅若受到反向电压作用 则它必定是阻断的 e 额定电压UN将UDRM和URRM中较小的那个数值取整后作为该可控硅型号上的额定电压UN 在选用可控硅时 额定电压UN应是正常工作电压的二到三倍 以此作为允许的操作过电压余量 南京南瑞集团公司国电自动化研究院 2 可控硅的电流定额 a 通态平均电流IT AV IT AV 是指在环境温度为 40

5、 和规定冷却条件下 在带电阻性负载的单相工频正弦半波电路中 管子全导通 导通角不小于170 而稳定结温不超过额定值时所允许的最大平均电流 按照标准 取其整数作为该可控硅的额定电流 南京南瑞集团公司国电自动化研究院 造成可控硅发热的原因是损耗 它由四部分组成 一是通态时的损耗 这是可控硅发热的最主要原因 为了减小不必要的发热 总是希望可控硅在导通时的通态电压越小越好 二是断态和反向时损耗 一般希望断态重复平均电流IDR AV 和反向重复平均电流IRR AV 尽可能小些 三是开关时的损耗 当频率增高时开关损耗增大 最后是门极的损耗 通常该项损耗较小 影响可控硅散热的条件包括 可控硅与散热器的接触情

6、况和散热器的热阻 冷却方式 自冷 风冷 水冷或油冷等 和冷却介质的流速 环境温度和冷却介质的温度 南京南瑞集团公司国电自动化研究院 可控硅的过载能力比一般电磁元件小 为使可控硅有一定的安全余量 应使选用可控硅的通态平均电流为其实际正常工作时平均电流的1 5 2倍左右 b 维持电流IHIH是指可控硅导通后 由较大的通态电流降至刚能保持元件通态所必须的最小通态电流 当电流小于IH时 可控硅即从通态转化为关断状态 c 掣住电流ILIL是指可控硅刚从断态转入通态并移去触发信号后 能维持通态所需的最小主电流 掣住电流IL的数值与工作条件有关 通常IL约为IH的2 4倍 南京南瑞集团公司国电自动化研究院

7、3 可控硅的门极参数 a 门极触发电流IGTIGT是指在室温时 主电压 阳极A与阴极K间电压 为直流6V时 使可控硅由断态转入通态所必须的最小门极直流电流 b 门极触发电压UGTUGT是指产生门极触发电流所必需的最小门极电压 南京南瑞集团公司国电自动化研究院 由于可控硅门极伏安特性的离散性很大 因而在标准中只规定了IGT和UGT的上限 在选用可控硅时 应注意产品合格证上所标明的实测数值 应使触发器输送给门极的电流和电压适当大于产品合格证上所列的数值 但不应超过其峰值IGFM和UGFM 且门极平均功率PG AV 和门极峰值功率PGM也不应超过规定值 南京南瑞集团公司国电自动化研究院 4 可控硅的

8、动态参数所谓动态参数是指可控硅处在状态变换过程中的参数 下面主要介绍du dt di dt tgt和tq这四个参数 a 断态电压临界上升率du dtdu dt是指在额定结温和门极断路时 可控硅保持断态所能承受的最大主电压上升率 使用时实际电压上升率必须小于此值 b 通态电流临界上升率di dtdi dt是指在规定条件下 可控硅在导通过程中 能承受而不会导致损坏的最大通态电流上升率 南京南瑞集团公司国电自动化研究院 c 门极控制开通时间tgttgt是指门极触发脉冲前沿的10 到阳极电压下降到10 的时间间隔 如图2所示 它包括延迟时间td和上升时间tr两部分 td为从门极脉冲前沿的10 0 1U

9、G 到阳极电压从UA降至0 9UA 阳极电流上升到0 1IA 时所对应的时间 tr为阳极电压从0 9UA下降至0 1UA 阳极电流从0 1IA上升到0 9IA 时所对应的时间 因此元件的开通时间就是载流子的积累和电流上升所需要的时间之和 即 南京南瑞集团公司国电自动化研究院 图2门极控制开通时间tgt图3可控硅换相关断时间tq 南京南瑞集团公司国电自动化研究院 普通可控硅的开通时间约为几至几十微妙 为了减小开通时间和保证可控硅触发导通时刻的正确 可采用实际触发电流比规定触发电流大3 5倍 且前沿陡峭的强触发方式 d 电路换向关断时间tqtq是指可控硅从通态电流降至零起 到该管能再一次承受规定的

10、正向断态电压的时间 实际上它包括反向恢复时间和门极恢复时间两部分 如图3所示 南京南瑞集团公司国电自动化研究院 5 额定结温TjMTjM是可控硅正常工作时所允许的最高结温 在此温度下 一切有关的额定值和特性都能得到保证 以上是可控硅的主要参数 由于半导体器件制造过程中的离散性 同一批产品中性能差别可能很大 为此可控硅出厂时要逐个测定其参数 归纳起来 在使用可控硅时 应注意以下四点 南京南瑞集团公司国电自动化研究院 a 关于额定电压 可控硅实际工作时承受的正常工作电压应低于正 反向重复峰值电压UDRM和URRM 并留有2 3倍的操作过电压余量以及采用可靠的过电压保护措施 b 关于额定电流 应根据

11、实际电流的波形进行相应的换算 可控硅实际通过的最大平均电流应低于额定通态平均电流IT AV 并留有两倍左右的余量以及采用过电流保护措施 c 关于门极触发电压和电流 实际触发电压和电流应大于实测的参数UGT和IGT 以保证可靠触发 但也不能超过允许的极限值UGFM和IGFM d 关于du dt和di dt 在实际电路中 应采取措施限制du dt和di dt 使其不超过规定的临界值 当超过du dt的临界值会造成误导通 当超过di dt的临界值时会造成可控硅损坏 南京南瑞集团公司国电自动化研究院 3整流电路的原理利用电力半导体器件可以进行电能的变换 其中整流电路可将交流电转变成直流电供给直流负载

12、逆变电路又可将直流电转换成交流电供给交流负载 某些可控硅装置即可工作于整流状态 也可工作于逆变状态 可称作变流或换流装置 同步发电机的半导体励磁是半导体变流技术在电力工业方面的一项重要应用 南京南瑞集团公司国电自动化研究院 将从发电机端或交流励磁机端获得的交流电压变换为直流电压 供给发电机转子励磁绕组或励磁机磁场绕组的励磁需要 这是同步发电机半导体励磁系统中整流电路的主要任务 对于接在发电机转子励磁回路中的三相全控桥式整流电路 除了将交流变换成直流的正常任务之外 在需要迅速减磁时还可以将储存在转子磁场中的能量 经全控桥迅速反馈给交流电源 进行逆变灭磁 此外 在励磁调节器的测量单元中使用的多相

13、三相 六相或十二相 整流电路 则主要是将测量到的交流信号转换为直流信号 由于三相整流电路同步发电机半导体励磁中应用得最普遍 故本节主要介绍三相全波全控 南京南瑞集团公司国电自动化研究院 4 三相全波全控整流电路在三相全波整流接线中 六个桥臂元件全都采用可控硅管 就成为图4 a 所示的三相全波全控整流电路 可控硅元件都要靠触发换流 并且一般要求触发脉冲的宽度应大于600 但小于1200 一般取800 1000 即所谓 宽脉冲触发 这样才能保证整流电路刚投入之际 例如共阴极组的某一元件被触发时 共阳极组的前一元件的触发信号依然存在 共阴极组与共阳极组各有一元件同时处在被触发状态 才能构成电流的通路

14、 南京南瑞集团公司国电自动化研究院 投入时一经触发通流 以后各元件则可依次触发换流 另外也可以采用 双脉冲触发 的方式 即本元件被触发的同时 还送一触发脉冲给前一元件 以便整流桥刚投入时构成电流的最初的通路 其后整流电路便进入正常工作状态 双脉冲触发电路较复杂些 但它可以减小触发装置的输出功率 减小脉冲变压器的铁芯体积 南京南瑞集团公司国电自动化研究院 图4三相全波全控整流 0 时 a 电路图 b 相电压波形 c 触发脉冲 d 直流侧电压波形 南京南瑞集团公司国电自动化研究院 1 整流工作状态先讨论控制角 00的情况 参看图4 在 t0 t1期间 a相的电位最高 b相的电位最低 有可能构成通路

15、 若在 t0以前共阳极组的SCR6的触发脉冲Ug6还存在 在 t0 00 时给共阴极的SCR1以触发脉冲ug1 则可由SCR1与SCR6构成通路 交流电源的a相 SCR1 R SCR6 回到电源b相 在负载电阻R上得到线电压uab 此后只要按顺序给各桥臂元件以触发脉冲 就可依次换流 南京南瑞集团公司国电自动化研究院 例如在 t1 t2期间 c相电位最低 在 t1时间向SCR2输入触发脉冲ug2 共阳极组的SCR2即导通 同组的SCR6因承受反向电压而截止 电流的通路换成 a SCR1 R SCR2 c 负载电阻R上得到线电压uac 余类推 每隔600依次向共阴极组或共阳极组的可控硅元件以触发脉

16、冲 则每隔600有一个臂的元件触发换流 每周期内每臂元件导电1200 南京南瑞集团公司国电自动化研究院 控制角 00时负载电阻R上得到的电压波形ud如图4 d 所示 它与三相桥式不可控整流电路的输出波形相同 这时三相桥式全控整流电路输出电压的平均值最大 为Udo 图5是 300时三相全控桥的电压波形 图15是 600时的电压波形 两图的图 a 交流相电势画阴影线的部分表示导通面积 如把底线拉平 就成为图 b 所示的输出电压ud的波形 它是由线电压波形的相应各部分组成的 南京南瑞集团公司国电自动化研究院 控制角 00时负载电阻R上得到的电压波形ud如图4 d 所示 它与三相桥式不可控整流电路的输出波形相同 这时三相桥式全控整流电路输出电压的平均值最大 为Udo 图5是 300时三相全控桥的电压波形 图6是 600时的电压波形 两图的图 a 交流相电势画阴影线的部分表示导通面积 如把底线拉平 就成为图 b 所示的输出电压ud的波形 它是由线电压波形的相应各部分组成的 在控制角 600的情况下 共阴极组输出的阴极电位在每一瞬间都高于共阳极组的阳极电位 故输出电压ud的瞬时值都大于零 波形是连