電機軟啟動中可控硅的選擇
發布時間：2019-08-02 10:08:36來源：
電機軟啟動中可控硅的選擇
一 晶閘管產品特點簡介 從本世紀 50 年代我國生產晶閘管器件問世以來 經歷了 50 多年的歷史 剛開始時 由于制造工藝水平不成熟 性能很不穩定 那時有人稱之為 可怕硅 現在隨著制造水平的提高 各種性能相當穩定 已朝著大電流 3000A 以上 高電壓 6000V 以上方向發展。
英文為 Thyristor,也稱為可控硅 Silicon Controlled Rectifier 它是一種具有 P-N-P-N四層三個 PN 結的功率半導體器件 它有三個電極 陽極 A 陰極 K 控制門極 G 是一種電流控制型器件 要使其導通必須具備兩個條件 一是陽極電位高于陰極電位 即正偏置 二是控制門極施加足夠功率和寬度的觸發脈沖信號 晶閘管具有如下特點 導通后即使控制門極觸發信號撤去 只要流過器件的正向電流大于維持電流 一般幾十個毫安 它還能導通 也就是說通過關斷觸發信號來關斷晶閘管是不行的 這點與 IGBT GTR MOSFET 不同 要想關斷它 必須將維持導通的電流減小至維持電流以下 因此有時需要進行強迫關斷,即在需關斷時,對它施加反偏置電壓(即反壓) 直至其關斷。
相對其他功率器件 晶閘管因其具有低的導通壓降 過流能力強 耐沖擊 耐高壓 所以在各種不同類型的電力電子變換裝置中被廣泛使用 交流電機軟啟動就是一個典型的應用。
二 晶閘管參數說明
作為使用者來說 要正確使用晶閘管 首先就要對晶閘管的各項電氣參數有一個詳細的了解這樣就可以正確地選型 但往往在實際工作中 大多數人并不完全了解 如晶閘管額定電流標稱的是平均值概念 實際工作中負載標稱的額定電流是有效值 兩者之間是有根本區別的 因此有必要對幾個主要參數作出一些說明
晶閘管額定電流平均值 IT(AV) IF(AV)
從圖 a 中可以計算出額定通態電流平均值 IT(AV)和正弦半波電流峰值 Im 之間數學表達式為:
1 單只晶閘管額定通態電流方均根值(即有效值) IRMS
2 兩只單獨封裝的晶閘管反并聯交流有效值:IRMS
如圖 b 兩只獨立封裝可控硅反并聯后形成一個雙向可控硅 因雙向可控硅晶閘管額定電流不能用平均值標稱 因流過的電流為交流電 平均值為零 所以只能用交流有效值 IRMS 標稱 由公式(1) 每個晶閘管通過的半波峰值均為 Im= IT(AV) 正負兩個半波剛好組成一個完整的正弦波 該正弦波峰值為 x IT(AV) 所以流過 MTX 模塊的額定有效值(方均根值)
π ×IT(AV)
IRMS= =2.22 IT(AV)--------------------------------(3)
3 MTX 型號模塊交流有效值 IRMS
如圖 c MTC 型號模塊從外部將電極 1 和 2 聯接在一起后 就是 MTX 型號模塊 反并聯形成一個雙向可控硅晶閘管 所以也只能用交流有效值 IRMS 標稱 公式 3 同樣適用 但由于考慮到 MTX 內部每個晶閘管額定平均電流 IT(AV)值是在單獨測試情況測得的,雙管芯同時工作時(嚴格說相差 10ms 交替導通),管芯之間熱量相互會有一點影響 故按IRMS=(1.6-2.0) IT(AV)考慮平均值和方均根(即有效值)為宜
晶閘管耐壓的參數 VDRM;VRRM; VDSM;VRSM
晶閘管電壓指標有 斷態正向不重復峰值電壓 VDSM 斷態正向重復峰值電壓VDRM 斷態反向不重復峰值電壓 VRSM 斷態反向重復峰值電壓 VRRM 以上概念中重復意味著晶閘管陰陽極承受的電壓在一定的漏電流范圍內是可以重復施加的 不重復意味著晶閘管陰陽極承受電壓的比較大峰值 超過此比較大值漏電流變大 超過額定值 室溫和結溫時漏電流額定值不一樣 所以講耐壓指標時 不能脫離漏電流 漏電流指標生產商在產品說明書中或合格證中都給出了明確的范圍 一般地說 室溫漏電流在 2mA 以下 結溫漏電流在 20mA 以下
對重復峰值電壓和不重復峰值電壓 國外一般按 VDRM= VDSM-100V VRSM= VRSM-100V標稱 國內一般按 VDRM= VDSM-200V VRRM= VRSM-200V 或 VDRM= VDSM 80-90 %VRRM= VRSM 80-90 %標稱
三 晶閘管在電機軟起動中的應用
電機起動時起動電流一般為額定電流 Ie 的6-7 倍 因此在起動瞬間對電網沖擊很大 對變壓器的容量要求更高 同時也對其它的用電設備造成很大的影響
因此 實際工作中容量超過 7.5KW 的電機都要求降壓啟動 傳統的降壓啟動方式有磁控降壓啟動器 自耦降壓啟動 /Y 變換降壓啟動等 不管那種方式對電網還是存在一或兩次的大電流沖擊 采用晶閘管數字控制軟啟動器 具有比上面介紹的啟動器更加優越的好處 主要表現在降低電機的起動電流 降低配電容量 避免增容投資 降低起動機械應力 延長電機及相關設備的使用壽命 起動參數可視負載調整 易于改善工藝 保護設備
1 晶閘管電機軟起動器工作原理
晶閘管在電機軟起動器中的應用是一種利用晶閘管進行交流調壓的應用 利用晶閘管可以相控 改變晶閘管導通的相位角 調壓的特點 我們知道電機轉子上的力矩是與加在定子上電壓的平方成正比的 因此改變加在電機定子繞組上的電壓 可改變電機轉子上的轉矩 從而可根據電機負載的具體情況 設定電機的起動電流 電機的起動電流按與額定電流 Ie 的比例 可設定電機起動電流為 0.5 Ie; Ie;; 2 Ie; 3 Ie; 4 Ie 即限電流起動方式 其工作原理如下圖
2 晶閘管的選擇
晶閘管是電機軟起動器中比較關鍵的功率器件 整機裝置是否工作可靠與正確選擇晶閘管額定電流 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 電壓余量倍數必須足夠 其次應考慮經濟性即性價比 比較后應考慮安裝美觀 體積盡量減小等對于低壓電機 線電壓為 380V 晶閘管的正反向重復額定電壓 VDRM VRSM 選擇為 1200V足夠 對于高壓 660V 的電機 則應至少選擇電壓為 2200V 以上的晶閘管 對于高壓 1100V的更高壓電機 晶閘管的耐壓至少選擇電壓為 3500V 以上
對晶閘管額定電流的選擇 必須考慮電機的額定工作電流 一般來說 三相電機每相額定電流有效值 Ie 按 Ie=(2.5-3) Pe(安培) 電機的額定功率 KW 即每一個千瓦 KW相當于兩個安培的電流 例如 一個 55KW 的三相交流電機 其每相額定電流有效值是 110A考慮兩倍以上的放大余量 因此選擇額定平均電流為 275A/2.22 125A 以上的平板式晶閘管 或選額定平均電流為 275A/1.8 150A 以上晶閘管模塊 MTX 系列
各系列電機對晶閘管的選擇列表如下 僅供參考 而且假設裝置僅僅是用于電機軟起動 即裝置帶旁路接觸器 如果裝置還用于電機節能經濟運行 即裝置不帶旁路接觸器 則對應的電流值應按 2 倍以上考慮 而且還必須保證足夠的散熱條件
在電機軟起動裝置中,由于多是采用兩個獨立晶閘管器件反并聯組成的交流相控調壓 正負半周各對應一個晶閘管工作 因此對兩個反并聯器件參數的一致性要求較高 包括晶閘管觸發參數 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 由于電機為線圈繞組 負載為電感性 因此過高的直流份量會使得電機定子發熱嚴重 甚至會燒毀電機線圈繞組 從而使電機報廢 從這點來看 晶閘管模塊由于管芯在裝配之前已進行過嚴格挑選 因此其一致性還是有所保障的 另一方面 在觸發線路設計中 盡量采用強觸發的方式 以能兼容器件觸發參數的差異
四 晶閘管的保護
由于晶閘管的擊穿電壓接近工作電壓 線路中產生的過電壓易造成器件電壓熱擊穿 同時其熱容量小 工作時自身發熱嚴重 如果不及時將這些熱量排除 器件內 PN 結溫 Tj 勢必超過晶閘管的結溫極限值 一般 TjMAX= 125Co ,造成晶閘管的永久性損壞.因此,在實際使用中除合理選擇器件的額定電壓和額定電流值以外,還必須采取足夠的散熱措施,保證器件長期可靠的工作
過電壓保護
凡超過正常工作時晶閘管應承受的比較大峰值電壓稱為過電壓 電路產生過電壓的外部原因主要是雷擊 電網電壓激烈波動或干擾 內部原因主要是電路狀態發生變化時積累的電磁能量不能及時消散 根據產生的原因可分為兩類 開關過電壓和雷擊干擾過電壓 因此必須采取必要的措施 使晶閘管承受的過電壓限制在正反向不重復峰值電壓 VRSM VDSM 值以下
晶閘管關斷過電壓 換流過電壓 保護
當晶閘管關斷 正向電流下降到零時 管芯內部會殘留許多載流子 在反向電壓的作用下會瞬間出現反向電流 使殘存的載流子迅速消失 形成極大的 di/dt 即使線路中串聯的電感很小 由于反向電勢 V=-Ldi/dt,所以也能產生很高的電壓尖峰(或毛刺),如果這個尖峰電壓超過晶閘管的比較大峰值,就會損壞器件。 對于這種尖峰電壓一般常用的方法是在器件兩端并聯阻容吸收回路 利用電容兩端。電壓不能突變的特性吸收尖峰電壓 阻容吸收回路要盡可能靠近晶閘管 引線要盡可能短 比較好采用無感電阻 千萬不能借用門極中輔助陰極線 因輔助陰極線線徑很細 回路中過大的電流會將該線燒斷 阻容元件的選取值按以下表格中經驗值和公式選取
表中電阻的功率由下式確定
PR= f CU m x 10 電容耐壓一般為晶閘管電壓 1.3 倍
式中 f----頻率 50HZ PR---電阻功率 W Um---晶閘管工作峰值電壓 V C---串聯的電容 μ F
交流側過電壓極其保護
交流側電路在接通 斷開時會產生過電壓 對于這類過電壓保護 目前主要采用壓敏電阻和瞬態電壓抑制器 Transient Voltage Supperessor ,簡稱 TVS 壓敏電阻是一種非線性器件 它是以氧化鋅為基體的金屬氧化物 有兩個電極 極間充填有氧化鉍等晶粒 正常電壓時晶粒呈高阻僅有 100uA 左右的漏電流,過電壓時引起電子雪崩呈低阻使電流迅速增大吸收過電壓. 其接法與阻容吸收電路相同 在交 直流側完全可以取代阻容吸收 但不能用作限制 dv/dt 的保護 故不宜接在晶閘管的兩端 -12TVS 類器件當其兩端受到瞬時高壓時 能以極高的速度 10 /S 從高阻變為低阻吸收高達數千瓦的浪涌 TVS 的部分型號性能參數如下表
過電流保護
串接交流進線或采用漏抗大的整流變壓器 利用電抗限制短路電流 但此種方法在交流電流較大時存在交流壓降
電流檢測和過流繼電器
通過電流檢測實際電流值并與設定值進行比較 當實際電流值超過設定值時 通過比較器輸出電壓值控制移相角度增大或拉逆變的方法減少電流 有時須停機
快速熔斷器
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 快速熔斷器可接在交流側 直流側或與晶閘管橋臂串聯 后者直接效果比較好 一般說來快速熔斷器額定電流值 有效值 應小于被保護晶閘管的額定有效值 同時要大于流過晶閘管的實際有效值 電壓及電流上升率的保護
電壓上升率 dv/dt
晶閘管阻斷時 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 此電流可能導致晶閘管誤導通 因此 對管子的比較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晶閘管兩端的辦法加以限制.
電流上升率 di/dt
晶閘管開通時 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 結溫會很快超過額定結溫而燒毀 故必須限定晶閘管的電流上升臨界值 di/dt 一般在橋臂中串入電感或鐵淦氧磁環
溫度保護
模塊產品與其它功率器件一樣 在實際工作中 由于自身功耗 會引起管芯溫度的升高結溫急劇上升 直至達到或超過額定結溫 (Tjm) 如果不采取措施將這種熱量散發出去 就會致使管芯特性變軟 漏電流增加 直至完全過熱擊穿損壞 晶閘管的損耗主要由導通損耗(導通平均電流與導通平均壓降乘積) 開關損耗 門極損耗三部分組成 其中比較主要的是正向導通損耗
因此 晶閘管在實際使用中 必須加以冷卻(自然冷卻或強迫風冷) 有條件時采用熱管或水冷方式 綜上所述 考慮散熱問題的總原則就是控制模塊中管芯的結溫 Tj 不超過手冊中給定的額定結溫 (Tjm)
在實際工作中 結溫不容易直接測量到 因此不能用來作為是否超溫的判斷依據 通過控制散熱器比較高溫度處(殼溫 Tc)來控制結溫是一個有效的方法 由于 PN 結溫和殼溫存在著溫度梯度關系 通過溫控開關可以很容易地測量出晶閘管與散熱器接觸處表面比較高溫度處的溫度用溫控開關測量出的殼溫是否超過額定值來保護晶閘管正常工作 在實際線路設計中增加一個或兩個溫度控制電路 分別控制風機的開啟或主回路的斷電 停機 一般控制散熱器比較高處溫度不超過 75 這樣就可以保護晶閘管在額定結溫下正常工作 http://www.cntjjp.com.cn