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晶闸管在电机软启动领域中的选择与应用一晶闸管产品特点简介从本世纪50年代我国生产晶闸管器件问世以来经历了50多年的历史刚开始时由于制造工艺水平不成熟性能很不稳定那时有人称之为可怕硅现在随着制造水平的提高各种性能相当稳定已朝着大电流3000A以上高电压6000V以上方向发展英文为Thyristor,也称为可控硅SiliconControlledRectifier它是一种具有P-N-P-N四层三个PN结的功率半导体器件它有三个电极阳极A阴极K控制门极G是一种电流控制型器件要使其导通必须具备两个条件一是阳极电位高于阴极电位即正偏置二是控制门极施加足够功率和宽度的触发脉冲信号晶闸管具有如下特点导通后即使控制门极触发信号撤去只要流过器件的正向电流大于维持电流一般几十个毫安它还能导通也就是说通过关断触发信号来关断晶闸管是不行的这点与IGBTGTRMOSFET不同要想关断它必须将维持导通的电流减小至维持电流以下因此有时需要进行强迫关断,即在需关断时,对它施加反偏置电压(即反压)直至其关断相对其他功率器件晶闸管因其具有低的导通压降过流能力强耐冲击耐高压所以在各种不同类型的电力电子变换装置中被广泛使用交流电机软启动就是一个典型的应用二晶闸管参数说明作为使用者来说要正确使用晶闸管首先就要对晶闸管的各项电气参数有一个详细的了解这样就可以正确地选型但往往在实际工作中大多数人并不完全了解如晶闸管额定电流标称的是平均值概念实际工作中负载标称的额定电流是有效值两者之间是有根本区别的因此有必要对几个主要参数作出一些说明晶闸管额定电流平均值IT(AV)IF(AV)(图a)(图b)(图c)从图a中可以计算出额定通态电流平均值IT(AV)和正弦半波电流峰值Im之间数学表达式为:IT(AV)=π21∫πθθ0sinImd=π21xImx(-COS)θπ0=π21xImx2=πIm---------(1)其中为导通角θ1单只晶闸管额定通态电流方均根值(即有效值)IRMSI2RMS=π21∫π0I2msin2θd=θ2xI2T(AV)/4IRMS=1.57xIT(AV)-----------------------------------------(2)2两只单独封装的晶闸管反并联交流有效值:IRMS如图b两只独立封装可控硅反并联后形成一个双向可控硅因双向可控硅晶闸管额定电流不能用平均值标称因流过的电流为交流电平均值为零所以只能用交流有效值IRMS标称由公式(1)每个晶闸管通过的半波峰值均为Im=IT(AV)正负两个半波刚好组成一个完整的正弦波该正弦波峰值为xIT(AV)所以流过MTX模块的额定有效值(方均根值)IRMS=2IT(AV)×π=2.22IT(AV)--------------------------------(3)3MTX型号模块交流有效值IRMS如图cMTC型号模块从外部将电极1和2联接在一起后就是MTX型号模块反并联形成一个双向可控硅晶闸管所以也只能用交流有效值IRMS标称公式3同样适用但由于考虑到MTX内部每个晶闸管额定平均电流IT(AV)值是在单独测试情况测得的,双管芯同时工作时(严格说相差10ms交替导通),管芯之间热量相互会有一点影响故按IRMS=(1.6-2.0)IT(AV)考虑平均值和方均根(即有效值)为宜晶闸管耐压的参数VDRM;VRRM;VDSM;VRSM晶闸管电压指标有断态正向不重复峰值电压VDSM断态正向重复峰值电压VDRM断态反向不重复峰值电压VRSM断态反向重复峰值电压VRRM以上概念中重复意味着晶闸管阴阳极承受的电压在一定的漏电流范围内是可以重复施加的不重复意味着晶闸管阴阳极承受电压的昀大峰值超过此昀大值漏电流变大超过额定值室温和结温时漏电流额定值不一样所以讲耐压指标时不能脱离漏电流漏电流指标生产商在产品说明书中或合格证中都给出了明确的范围一般地说室温漏电流在2mA以下结温漏电流在20mA以下对重复峰值电压和不重复峰值电压国外一般按VDRM=VDSM-100VVRSM=VRSM-100V标称国内一般按VDRM=VDSM-200VVRRM=VRSM-200V或VDRM=VDSM80-90%VRRM=VRSM80-90%标称三晶闸管在电机软起动中的应用电机起动时起动电流一般为额定电流Ie的6-7倍因此在起动瞬间对电网冲击很大对变压器的容量要求更高同时也对其它的用电设备造成很大的影响因此实际工作中容量超过7.5KW的电机都要求降压启动传统的降压启动方式有磁控降压启动器自耦降压启动/Y变换降压启动等不管那种方式对电网还是存在一或两次的大电流冲击采用晶闸管数字控制软启动器具有比上面介绍的启动器更加优越的好处主要表现在降低电机的起动电流降低配电容量避免增容投资降低起动机械应力延长电机及相关设备的使用寿命起动参数可视负载调整易于改善工艺保护设备1晶闸管电机软起动器工作原理晶闸管在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调压的特点我们知道电机转子上的力矩是与加在定子上电压的平方成正比的因此改变加在电机定子绕组上的电压可改变电机转子上的转矩从而可根据电机负载的具体情况设定电机的起动电流电机的起动电流按与额定电流Ie的比例可设定电机起动电流为0.5Ie;Ie;;2Ie;3Ie;4Ie即限电流起动方式其工作原理如下图晶闸管电机软起动器工作原理示意图2晶闸管的选择晶闸管是电机软起动器中昀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余量倍数必须足够其次应考虑经济性即性价比昀后应考虑安装美观体积尽量减小等对于低压电机线电压为380V晶闸管的正反向重复额定电压VDRMVRSM选择为1200V足够对于高压660V的电机则应至少选择电压为2200V以上的晶闸管对于高压1100V的更高压电机晶闸管的耐压至少选择电压为3500V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三相电机每相额定电流有效值Ie按Ie=(2.5-3)Pe(安培)电机的额定功率KW即每一个千瓦KW相当于两个安培的电流例如一个55KW的三相交流电机其每相额定电流有效值是110A考虑两倍以上的放大余量因此选择额定平均电流为275A/2.22125A以上的平板式晶闸管或选额定平均电流为275A/1.8150A以上晶闸管模块MTX系列各系列电机对晶闸管的选择列表如下仅供参考而且假设装置仅仅是用于电机软起动即装置带旁路接触器如果装置还用于电机节能经济运行即装置不带旁路接触器则对应的电流值应按2倍以上考虑而且还必须保证足够的散热条件电机380V功率KW晶闸管额定电压V电机额定电流IeA软起装置推荐晶闸管额定电流ITA晶闸管封装形式5511MTX-40A7515MTX-40A1122MTX-55A1530MTX-55A1734MTX-70A22120044MTX-90A模块3060MTX-110A3774MTX-135A4590MTX-160A55110MTX-182A75150MTX-200A90180MTX-250A110220MTX-350A135270MTX-400A150300MTX-500A200400KP600A250500KP800A280560KP1000A320640KP1000A400800KP1200A450900KP1500A5001000KP1500A平板式晶闸管在电机软起动装置中,由于多是采用两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一个晶闸管工作因此对两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线圈绕组负载为电感性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线圈绕组从而使电机报废从这点来看晶闸管模块由于管芯在装配之前已进行过严格挑选因此其一致性还是有所保障的另一方面在触发线路设计中尽量采用强触发的方式以能兼容器件触发参数的差异四晶闸管的保护由于晶闸管的击穿电压接近工作电压线路中产生的过电压易造成器件电压热击穿同时其热容量小工作时自身发热严重如果不及时将这些热量排除器件内PN结温Tj势必超过晶闸管的结温极限值一般TjMAX=125Cº,造成晶闸管的永久性损坏.因此,在实际使用中除合理选择器件的额定电压和额定电流值以外,还必须采取足够的散热措施,保证器件长期可靠的工作过电压保护凡超过正常工作时晶闸管应承受的昀大峰值电压称为过电压电路产生过电压的外部原因主要是雷击电网电压激烈波动或干扰内部原因主要是电路状态发生变化时积累的电磁能量不能及时消散根据产生的原因可分为两类开关过电压和雷击干扰过电压因此必须采取必要的措施使晶闸管承受的过电压限制在正反向不重复峰值电压VRSMVDSM值以下晶闸管关断过电压换流过电压保护当晶闸管关断正向电流下降到零时管芯内部会残留许多载流子在反向电压的作用下会瞬间出现反向电流使残存的载流子迅速消失形成极大的di/dt即使线路中串联的电感很小由于反向电势V=-Ldi/dt,所以也能产生很高的电压尖峰(或毛刺),如果这个尖峰电压超过晶闸管的昀大峰值,就会损坏器件对于这种尖峰电压一般常用的方法是在器件两端并联阻容吸收回路利用电容两端电压不能突变的特性吸收尖峰电压阻容吸收回路要尽可能靠近晶闸管引线要尽可能短昀好采用无感电阻千万不能借用门极中辅助阴极线因辅助阴极线线径很细回路中过大的电流会将该线烧断阻容元件的选取值按以下表格中经验值和公式选取晶闸管阻容吸收元件经验数据晶闸管额定电流A265070100160200300500电阻RΩ60~10040~8030~5020~4010~2010~205~102电容CµF0.150.20.50.51111表中电阻的功率由下式确定PR=fCU2mx10-6电容耐压一般为晶闸管电压1.3倍式中f----频率50HZPR---电阻功率WUm---晶闸管工作峰值电压VC---串联的电容µF交流侧过电压极其保护交流侧电路在接通断开时会产生过电压对于这类过电压保护目前主要采用压敏电阻和瞬态电压抑制器TransientVoltageSupperessor,简称TVS压敏电阻是一种非线性器件它是以氧化锌为基体的金属氧化物有两个电极极间充填有氧化铋等晶粒正常电压时晶粒呈高阻仅有100uA左右的漏电流,过电压时引起电子雪崩呈低阻使电流迅速增大吸收过电压.其接法与阻容吸收电路相同在交直流侧完全可以取代阻容吸收但不能用作限制dv/dt的保护故不宜接在晶闸管的两端TVS类器件当其两端受到瞬时高压时能以极高的速度10-12/S从高阻变为低阻吸收高达数千瓦的浪涌TVS的部分型号性能参数如下表型号能量等级Pm击穿电压VBR备注P6KE8CA440CA600W6.8--440V双向二极管封装VSC10P5245008250W5--24VSIP封装单向TVS阵列SMDA03A24C300W5--24V4对双向SOIC8管封装90KS200C90000W200V双向(军工级)模块结构704-15K36T15000W28V功率电源保护用(军工级)过电流保护串接交流进线或采用漏抗大的整流变压器利用电抗限制短路电流但此种方法在交流电流较大时存在交流压降电流检测和过流继电器通过电流检测实际电流值并与设定值进行比较当实际电流值超过设定值时通过比较器输出电压值控制移相角度增大或拉逆变的方法减少电流有时须停机快速熔断器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快速熔断器可接在交流侧直流侧或与晶闸管桥臂串联后者直接效果昀好一般说来快速熔断器额定电流值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电压及电流上升率的保护电压上升率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昀大正向电压上升率必须加