电力拖动控制系统基础知识(培训教材)

4电力拖动控制系统基础知识

自动控制系统可以从一些不同的角度来进行分类。一般按系统结构特点分类，大致可分为：开环控制系统、闭环控制系统及复合控制系统。其中，闭环控制系统又分为单环控制系统、双环控制系统等；而复合控制系统是既有主反馈，又有前馈的控制系统。所谓前馈控制是一种按照扰动进行控制的开环控制。因此复合控制系统是开环、闭环结合的系统。

4.1开环控制系统与闭环控制系统的概念

4.1.1开环控制系统

（1）开环控制系统概念

开环控制系统是与闭环控制系统相对而言的。如果在系统中控制信息的流动未形成闭合回路，那么该系统就称之为开环控制系统。

（2）开环控制系统种类

常见的开环控制系统有以下两种：

1）按干扰补偿的前馈控制系统

通过前面对控制的分析可知，稳定被控制量实质上就是在干扰信号出现时，操纵控制量使之对被控量的影响与干扰量对被控量的影响互相抵消以保持被控量不变，这样就产生了利用干扰去克服干扰的控制思路。其原理方框图见图4-1-1。

图4-1-1前馈系统控制图

在这种系统中，由于测量的是干扰量，故只能对可测干扰进行补偿。不可测干扰以及对象、各部件内部参数变化给被控量造成的干扰，系统自身无法控制。因此，控制精度受到了原理上的限制。

2）按给定值操作的开环控制系统

所谓按给定值操作的开环控制系统，就是事先计算出希望的给定量，然后向执行器提供该给定量后就不再管它了，那么这种系统就是所谓的按给定值操作的开环系统。见图4-1-2。

开环控制系统由于没有信息的回馈，控制器就无法知晓控制的效果，因此也就没有纠正偏差的能力。因此这种系统只能用在对控制质量要求不高的场合，或者是在闭环控制中起辅助的控制以减轻反馈控制的负担。

图4-1-2按给定值操作的开环系统

综上所述，开环控制系统的特点是：

①不必对被控量进行测量和反馈，因而结构简单。

②这种系统需要采用高精度元件保证控制精度。

③对干扰造成的误差，系统不具有修正能力。

④系统不存在稳定性问题。

（3）开环调速系统及其存在的问题

在实际应用中，晶闸管-电动机系统和可逆直流脉宽调速系统都是开环调速系统，调节控制电压就可以改变电动机的转速。如果负载的生产工艺对运行时的静差率要求不高，这样的开环调速系统都能实现一定范围内的无级调速，可以找到一些用途。但是，在开环系统中，当负载电流增大时，电枢压降也增大，转速只能降下来；许多需要调速的生产机械常常对静差率有一定的要求。例如龙门刨床，由于毛坯表面粗糙不平，加工时负载大小常有波动，但是，为了保证工件的加工精度和加工后的表面光洁度，加工过程中的速度却必须基本稳定，也就是说，静差率不能太大，一般要求，调速范围D=20～40，静差率5％。又如热连轧机，各机架轧辊分别由单独的电动机拖动，钢材在几个机架内连续轧制，要求各机架出口线速度保持严格的比例关系，使被轧金属每秒流量相等，才不致造成钢材拱起或拉断，根据工艺要求，须使调速范围D=3～10时，保证静差率0.2％～0.5％。在这些情况下，开环调速系统往往不能满足要求。在开环系统中，当负载电流增大时，电枢压降也增大，转速只能降下来；闭环系统装有反馈装置，转速稍有降落，反馈电压就会降低，通过比较和放大，提高电力电子装置的输出电压，使系统工作在新的机械特性上，因而转速又有所回升。

图4-1-3电动机开环控制原理图

图4-1-4电动机的开环控制方块图

图4-1-3为电动机开环控制原理图，图4-1-4为电动机的开环控制方块图，n 是要求控制的输出量，亦称为被控量。作用于被控对象的量U 称为控制量。作用

于系统输入端的g U 称为输入量。

因此对于一个确定的输入量来说，总存在一个与之对应的输出量。所有妨碍输入量对输出量按要求进行正常控制的因素称为扰动量，如电源电压U。的波动、发电机原动机转速的变化、电动机励磁电压变化、发电机和电动机绕组电阻的变化、发电机剩磁及磁滞等，特别是电动机负载转矩z M 变化都将在输入量g U 和输出量n 以决定的预期值之间引起偏差。为了分清主

次，把各种扰动分为主扰动和次扰动，主扰动就是经常变化，对输出量影响较大的扰动，通常是被控对象的负载，以后就把主扰动称为扰动，而忽略次扰动。

上述控制系统被控量只能受控于输入量，而对输入量不能反施任何影响的系统称为开环控制系统。

4.1.2闭环控制系统

开环控制系统往往是不能满足生产要求的，如刨床加工零件时，由于在加工过程中负载转矩不同，而产生不同的转速降．为了保证刨床的加工SF 度，要求在加工时电动机速度不变或几乎不变，为此在电动机轴上装设永磁式测速发电机SF，其原理图如图4-1-3所示。电动机如因负载转矩增大而转速降低，刚sf E 降低，g sf U U E Δ=?，由于g U 近似不变，U Δ提高，发电机电势亦相应增加，自动

调节电动机的转速，从而减小由于扰动在输出端造成的使被控量偏离预期值的偏差。

（1）闭环控制系统概念

通过反馈，使整个控制系统形成一个闭合的环路，这种输出与输入间存在负反馈的系统就称为闭环控制系统或反馈控制系统。

图4-1-5电动机闭环控制原理图

图4-1-6电动机闭环控制方块图

图4-1-5所示的闭环调速系统中由测量元件(测速发电机)对被控量(转速)进行检测,并将其反馈至输入端与给定电压相比较(相减)得到偏差电压(ΔUe=Ｕg-Ut);经放大器放大后加到触发器-晶闸管可控整流装置的输入端,并根据偏差的信息(偏差电压的极性和大小)对被控量进行相应的调节,以达到消除偏差或使偏差减小到容许范围内的目的。这种联接极性的反馈称为负反馈。通过负反馈产生偏差并根据偏差的信息进行控制,以达到最终消除偏差或使偏差减小到容许范围内的控制机理,称为负反馈控制原理简称反馈控制原理。

反馈信号只与被控量成比例时，称为硬反馈。若反馈信号与被控量的变化速度有关时，则称为软反馈．硬反馈不仅在过渡过程中，而且在稳态下也起作用；而软反馈只是在过渡过程中起作用，在稳态时，反馈作用就消失了。

图4-1-6中给定信号、反馈信号共同作用的圆圈表示比较环节，其中正负符

Δ为偏差信号，图中箭头指示的方号表示信号之间的极性，比较环节输出信号U

向表示信号流通方向，同时也说明了构成控制系统的各元件作用的单向性。（2）闭环控制系统特点

闭环控制系统的特点是；

1)闭环控制就是反馈控制在闭环控制系统中,控制装置与受控对象之间不仅

有正向作用而且还有反馈联系,因而信号的传递形成一个闭合的环路,故命名为闭环控制系统

2)系统需要反馈元件，而反馈元件的精度直接影响控制系统的精度，所以尽

可能采用精度高的反馈元件。

3)由于采用了负反馈，因而对控制装置及被控对象参数变化而引起的干扰都

不甚敏感，因此可采用不太精密的元件。

4)闭环控制系统的抗扰动能力强。当出现干扰时，可以减弱其影响。

5)在实际的控制系统中,扰动总是不可避免的而且往往是无法预计的,系统可

能工作不稳定，因此存在稳定性校核问题。因而扰动成为制约控制系统性能提高的一个重要因素。

一般闭环传动控制系统的组成如图4-1-7所示。

图4-1-7一般闭环控制系统的方块图

图4-1-7中为比较元件(又称比较器)，在比较元件中，参考输入信号(给定值信号)与反馈信号进行比较，其差值输出即为偏差信号，偏差信号就是控制器的输入。控制器输出控制信号来控制受控对象，而被控量通过反馈回路形成反馈信号，与给定信号再次进行比较，即系统中控制信号的流动形成了闭合回路，故称之为闭环控制系统。

一般闭环控制系统尚有为改善系统控制性能而设的校正环节，即一般称为稳定环节，图上未曾画出。

（3）单回路闭环控制系统与多回路闭环控制系统

图4-1-7为单回路控制系统，而图4-1-8为双环回路自动控制系统方块图。

图4-1-8双环回路自动控制系统方块图

在实际应用中，为实现调速的闭环控制，通常的闭环调速系统一般在电动机上同轴安装一台测速发电机TG，从而引出与被调量转速成正比的负反馈电压，与给定电压相比较后，得到转速偏差电压，经过放大器A，产生电力电子变换器UPE所需的控制电压，用以控制电动机的转速。这就组成了反馈控制的闭环直流调速系统，根据自动控制原理，反馈控制的闭环系统是按被调量的偏差进行控制的系统，只要被调量出现偏差，它就会自动产生纠正偏差的作用。闭环系统装有反馈装置，转速稍有降落，反馈电压就会降低，通过比较和放大，提高电力电子装置的输出电压，使系统工作在新的机械特性上，因而转速又有所回升。闭环系统能够减少稳态速降的实质在于它的自动调节作用，在于它能随着负载的变化而相应地改变电枢电压，以补偿电枢回路电阻压降的变化。

4.2单闭环调速系统的动态性能

4.2.1单闭环调速系统的特点

（1）单闭环调速系统组成

在一般单闭环调速系统中，控制系统大致可分为给定环节、比较放大环节、功率放大环节、电机和反馈环节。

测速发电机SP是测量元件，用来测量电动机速度并给出与速度成正比的电压，然后，将反馈到输入端并与给定电压比较得到偏差电压。由于偏差电压一般比较微弱，故需经电压放大器放大后才能作为触发器的控制电压。如果电动机所带负载增加使电动机速度降低而偏离给定值，则测速发电机电压减小，偏差电压将因此增大，触发器控制电压也随之增大，从而使晶闸管输出整流电压升高，逐步使速度回升到给定值附近。这种按偏差控制和按扰动控制相结合的控制方式称

为复合控制方式。其速度闭环调速系统的简要控制原理如图4-2-1所示：

图4-2-1速度单闭环调速系统控制原理图

（2）单闭环调速系统特点

采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差。如果对系统的动态性能要求较高，例如要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足需要。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩。

4.2.2单闭环调速系统的动态性能

（1）单闭环调速系统的性能

在单闭环调速系统中，只有电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，但

I值以后，靠强烈的负反馈作甩限制电流的冲击，并不它只是在超过临界电流

dcr

能很理想地控制电流能动态波形。带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动时的电流和转速波形如图4-2-2a所示。当电流从最大值降低下来以后，电机转矩也随之减小，因而加速过程必然拖长。

图4-2-2调速系统起动过程的电流和转速波形

a)带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动过程b）理想快速起动过程

（2）单闭环调速系统的问题

对于像龙门刨床、可逆轧钢机那样的经常正反运行的调速系统，尽量缩短起制动过程的时间是提高生产率的重要因素。为此，在电机最大电流（转矩）受限的条件下，希望充分利用电机的允许过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流（转矩）为允许的最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳态转速后，又让电流立即降低下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。这样的理想起动过程波形示于图4-2-2b，这时，起动电流呈方形波，而转速是线性增长的。这是在最大电流（转矩）受限制的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。

实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突跳，图4-2-1b所示的理想波形只能得到近似的逼近，不能完全实现。为了实现在允许条件下最快起动，关键是

I的恒流过程。按照反馈控制规律，采用某个要获得一段使电流保持为最大值

dm

物理量的负反馈就可以保持该量基本丕变，那么采用电流负反馈就应该能得到近似的恒流过程。问题是希望在起动过程中只有流负反馈，而不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输入端；到达稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不再靠电流负反馈发挥主要的作用，怎样才能做到这种既存在转速和电流两种负反馈作用，又使它们只能分别在不同的阶段起作用呢？双闭环调速系统正是用来解决这个问题的。

4.3双闭环调速系统的动态性能

4.3.1转速、电流双闭环调速系统的特点

（1）双闭环调速系统组成

在传统的闭环直流调速系统中，一般的控制系统大致可分为给定环节、比较放大环节、功率放大环节、电机和反馈环节。

其速度、电流双闭环调速系统的传递函数框图如图4-3-1所示：

图4-3-1双闭环调速系统的传递函数框图

（2）双闭环调速系统特点

按照直流调速系统的经典控制理论，为了获得硬的静特性，直流调速控制系统均设有速度负反馈环节，

为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，同时，为了限制电流冲击，调速控制系统还设有电流负反馈环节，在系统中设置了两个调节器，ST(或称ASR)为速度调节器，LT(或称ACR)为电流调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级联接，如图4-3-2所示。即，把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置。从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫做内环；转速调节环在外边，叫做外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。

图4-3-2速度、电流双闭环直流调速系统控制原理图

为了获得良好的静、动态性能，双闭环调速系统的两个调节器一般都采用PI 调节器，两个调节器的输出都是带限幅的，转速调节器ASR的输出限幅（饱和）电压是*

U，它决定了电流调节器给定电压的最大值；电流调节器ACR的输出限im

U；它限制了晶闸管整流器输出电压的最大值。

幅电压是

ctm

4.3.2双闭环调节器的动态数学模型

（1）双闭环调节器的关系表达式

根据调速系统的控制理论，，速度调节器和电流调节器的输入和输出关系式表达如下：

1Usc KpUsr Usrdt τι

=+∫（4-1）其中：Usr 为PI 调节器的输入；

Usc 为PI 调节器的输出；

10

R Kp R =为PI 调节器的比例放大倍数；10C R τι=为PI 调节器的积分时间常数。

当PI 调节器输入为阶跃信号时，其输出电压则为：

Usr Usc KpUsr t τι=+

（4-2）

（2）双闭环调节器的动态控制特点

由公式（4.2）可以看出：1）PI 调节器的输出Usc 由两部分组成：第一部分是比例运算部分KpUsr ，第二部分是积分运算部分Usr

t τι，比例运算部分在输入信号跃变时它可以跃变，

积分运算部分则是逐渐增长的。

2）当PI 调节器的输入信号Usr 突然降为零时，由于输出部分中的比例部分变为零，但积分部分不变，所以输出电压Usc 就等于该时刻的积分部分电压值。

3）当PI 调节器输入为阶跃信号时，因为其积分部分Usr

t τι随时间线性增长，

所以，总的输出电压Usc （比例部分和积分部分两部分之和）也随时间线性增长。

4）输出电压Usc 由零上升到Usr 所需的时间为τι。

5）输出电压Usc 增长的快慢取决于Usr

τι，在τι一定时，输入电压Usr 越大，

输出电压Usc 上升的也越快；在Usr 一定时，积分时间常数τι越小，输出电压Usc 上升的也越快。

但在实际应用中，由于PI 调节器的电源电压为一定值，而且由于系统实际工作的需要，调节器的输出端都设有限幅环节，所以，当调节器的输出Usc 上升到限幅（或称饱和）值时，就会停止上升，并保持在饱和值上不变。

4.3.3双闭环调速系统的起动过程分析

（1）双闭环调速系统的起动过程

在控制系统中设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近于理想的起动过程（图4-3-3），因此在分析双闭环调速系统的动态性能时，有必要首先探讨它

的起动过程。速度、电流双闭环调速系统突加给定电压*n U （阶跃信号）的起动过

程，由静止状态起动时，转速和电流的过渡过程如图4-3-3所示，根据起动电流波形，由于在起动过程中转速调节器ASR 经历了由不饱合、饱合、退饱和三个阶段，整个过渡过程一般也分为三个阶段，在图中分别标以I、Ⅱ和Ⅲ。

图4-3-3双闭环调速系统起动时转速和电流波形

（2）双闭环调速系统的起动过程分析

第一阶段（强迫电流上升阶段）

此阶段10t ?是电流上升的阶段。在此阶段，由于电机的机械惯量影响，电机

的转速很小，转速反馈近似为零，突加给定电压*n U 后，速度调节器输入端的偏差

信号Un Δ近似等于给定信号gi U ，在这样大的偏差信号作用下，由于机电惯性的

作用，转速的增长不会很快，因而转速调节器ASR 的输入偏差电压*n n n

U U U Δ=?数值较大，其输出很快达到限幅值*im U ，一般系统的速度调节器靠比例部分KpUsr

的作用都能达到饱和（限幅）输出，通过两个调节器的控制作用，使ct U 、0d U 、d I 都上升，当dL d I I ≥后，电动机开始转动。由于在起动的绝大部分时间内，电机转速始终小于稳态转速，偏差信号Un Δ始终＞0，因此，速度调节器一直处于饱

和（限幅）输出状态，相当于速度环开环。电流调节器在速度调节器饱和（限幅）输出给定Ugim 作用下，靠比例部分Kp Ui Δ的作用，其输出值k U 可能马上变得较大，也可能达到限幅值，在d U 的作用下，强迫电流d I 迅速上升，电流负反馈信

号fi U 也随之增大，当d I ↑≈dm I （最大允许的稳态电流）时，*i im U U ≈，fi U ↑

≈gim U ，Un Δ＝gim U －fi U ≈0。电流调节器的作用使d I 不再迅猛增长，标志着这一阶段的结束。在这一阶段中，ASR 由不饱合迅速达到饱合，而ACR 一般应该不饱和，以保证电流环的调节作用。可见，起动时，电流调节器输入端的信号是先突跳后衰减的信号。

第二阶段（恒流升速阶段）

此阶段12~t t 是恒流升速阶段。从电流升到最大值dm I 开始；转速升到给定值*n 。即静特性上的0n ）为止，属于恒流升速阶段，是起动过程中的主要阶段。在这个阶段中，速度调节器ASR 一直处于饱和（限幅）输出状态，电机电流已稳定在最大允许值上，此时双环系统实际上变成了恒值电流调节系统，在恒定的最大允许值电流dm I 作用下，电机转速按线性规律上升，直到转速给定值g n 。速度

环则相当于开环状态，系统表现为在恒值电流给定*im U 作用下的电流调节系统，

基本上保持电流d I 恒定（电流可能超调，也可能不超调，取决于电流调节器的结构和参数），因而拖动系统的加速度恒定，转速呈线性增长。与此同时，电动机的反电动势E 也按线性增长。对电流调节系统来说，这个反电动势是一个线性渐增

的扰动量，为了克服这个扰动，0d U 和ct U 也必须基本上接线性增长，才能保持d

I 恒定。由于电流调节器ACR 是PI 调节器，要使它的输出量按线性增长，其输入偏

差电压*i im n U U U Δ=?必须维持一定的恒值，也就是说，d I 略低于dm I ，此外还应

指出，为了保证电流环的这种调节作用，要起动过程中电流调节器是不能饱和的，同时整流装置的最大电压m d U 0也须留有余地，即晶闸管装置也不应饱和，这些都是在设计中必须注意的。

第三阶段（稳速阶段）

此阶段2t 以后转速调节阶段。在在这阶段开始时，电机转速已经升至给定值g n ，此时fn U ↑＝gn U ，转速调节器的给定与反馈电压相平衡，速度调节器输入端

的偏差信号Un Δ＝0，但由于速度调节器的积分环节作用，速度调节器的输出仍还维持在限幅值gim U ，由于电流d I 仍为dm I ，所以电动机仍在最大电流下加速，电机转速继续上升，出现了速度超调。当转速n 大于给定值g n ，转速超调后，fn

U

↑＞gn U ，则Un Δ变号，ASR 输入端出现负的偏差电压，使它退出饱和状态，其

输出电压即ACR 的给定电压*l U 立即从限幅值降下来，主电流d I 也因而下降，但是，由于d I 仍大于负载电流dL I ，在这一段时间内，转速仍继续上升。到dL d ＝I I 时，

转距L e ＝T T ，则0＝d

d n ，转速n 达到峰值（t=t 3时）。此后，电动机才开始在负载的阻力下减速。与此相应，电流d I 也出现一段小于dL I 的过程，直到稳定（设调节器参数已调整好）。在这最后的转速调节阶段内，速度调节器的积分环节开始反向积分，速度调节器的输出gi U ↓＜限幅值gim U ，即速度调节器退出饱和（限幅）

输出状态，开始参与调节作用，速度调节器和电流调节器同时起调节作用。经ASR 与ACR 的共同调节，电机转速最后趋于稳态值。由于转速调节在外环，ASR 处于主导地位，而ACR 的作用则是力图使d I 尽快地跟随ASR 的输出量*i U ，或者说，

电流内是一个电流随动子系统。。

在整个起动过程中，电机转速有时也可能几经振荡方能稳定，其品质指标主要由速度调节器的参数来决定，因为速度上升到稳定速度时，速度调节器才开始退出饱和，所以转速超调也称为“退饱和超调”，速度调节器的参数也要按退饱和指标来选择。

需要特别指出的是，上述起动过程是在突加较大的给定信号时才会发生的，如果给定信号只在小范围内变化，则速度调节器不会工作在饱和状态，整个起动过程将只有第一阶段和第三阶段两部分，系统一直是一个线性范围内的串级调节系统。

4.3.4双闭环调整系统的起止过程特点：

（1）饱和非线性控制

ASR 的饱和与不饱和，整个系统处于完全不同的两种状态。当ASR 饱和时，转速系统表现为恒值电流调节的单闭环系统；当ASR 不饱和时，转速环闭环，整个系统是一个无静差调速系统，而电流内环则表现为电流随动系统。在不同情况下表现为不同结构的线性系统，这就是饱和非线性控制的特性。决不能简单地应用线性控制理论来分析和设计这样的系统，可以采用分段线性化的方法来处理。分析过渡过程时，还必须注意初始状态，前一阶段的终了状态就是后一阶段的初始状态。如果初始状态不同，即使控制系统的结构和参数都不变，过渡过程还是不一样的。

（2）准时间最优控制

起动过程中主要的阶段是第Ⅱ阶段，即恒流升速阶段，它的特征是电流保持恒定，一般选择为允许的最大值，以便充分发挥电机的过载能力，使起动过程尽可能最快。这个阶段属于电流受限制条件下的最短时间控制，或称“时间最优控制”。但整个起动过程与图2-1b 的理想快速起动过程相比运～=些差距，主要表现在第Ⅰ、Ⅱ两段电流不是突变。不过这两段的时间只占全部起动时间中很小的成份，已无伤大局，所以双闭环调速系统的起动过程可以称为“准时间最优控制”过程。如果一定要追求严格最优控制，控制结构要复杂得多，所取得的效果则有限，并不值得。

采用饱和非线性控制方法实现准时间最优控制是一种很有实用价值的控制策略，在各种多环控制系统中普遍地得到应用。

（3）转速超调

由于采用了饱和非线性控制，起动过程结束进入第Ⅲ段即转速调节阶段后，必须使转速调节器退出饱和状态。按照PI 调节器的特性，只有使转速超调，ASR 的输入偏差电压n U Δ为负值，才能使ASR 退出饱和。这就是说，采用PI 调节器的双闭环调速系统的转速动态响应必然有超调。

图4-3-4转速动态响应超调时的动态响应曲线

图4-3-4中转速动态响应超调时的震荡次数N 反映了系统的稳定性，一般调

速系统允许震荡2～3次数。在一般情况下，转速略有超调对实际运行影响不大。如果工艺上不允许超调，就必须采取另外的控制措施。

4.4直流传动系统的保护功能

4.4.1直流传动系统（晶闸管）的过电压保护

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0.02秒，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（0.5～1μs)，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。为了使元件能可靠地长期运行，如图4-4-1所示，必须对晶闸管电路中的晶闸管采取保护措施。

（1）晶闸管产生过电压的原因

产生过电压的主要原因：由于电路中通常都接有电感元件，当晶闸管所在装置或邻近的用电设备接通或断开电源时，或从一个晶闸管导通转换到另一个晶闸管导通（称换相）时，或熔断器熔断时，或由于电路中电流的变化（负载突然冲击，电流从小→大→小）而在电感两端产生感应电动势，使电路中电压往往超过正常值。有时，高压电网发生一相接地故障或电源侧受雷击也会引起电源过电压。

图4-4-1过电压抑制措施及配置位置

RC1?阀侧浪涌过电压抑制用RC电路RC2?阀侧浪涌过电压抑制用反向阻断式RC电路RV?压敏电阻过电压抑制器RC3?阀器件换相过电压抑制用RC电路

RC4?直流侧RC抑制电路RCD?阀器件关断过电压抑制用RCD电路F?避雷器D?变压器静电屏蔽层C?静电感应过电压抑制电容

（2）晶闸管的过电压保护

1）阻容保护

典型的换相过电压阻容保护方案：

阻容电路接入电路的3种方式：其一是将阻容元件与晶闸管并联，以防止它在换相过电压时遭到损坏（图4-4-2）；其二是将阻容元件并联在整流装置的交流侧（图4-4-3），可防止由于电源侧过电压使晶闸管损坏；其三是将阻容元件并联在直流侧（输出端），以吸收输出端的过电压。阻容保护就是利用电容吸收过电压，其实质是把电路积聚的造成过电压的电磁能量转换为电场能量储存到电容器中，再释放到电阻中消耗掉。阻容保护是过电压保护的基本方法。

图4-4-2阻容元件与晶闸管并联保护方案

图4-4-3阻容三角形抑制过电压

2）压敏电阻或硒堆保护

如图4-4-4压敏电阻或硒堆主要进行电源的过电压保护。硒堆是硒整流片串联组成的非线性元件，并且是将两组硒堆整流片对接起来使用。它可以单独使用，也可以和阻容元件并联使用。当有电源过电压时，承受反向电压的一组硒堆的电阻迅速减小，漏电流增大，过电压能量被非线性电阻硒堆吸收。过电压消失后，硒堆不损坏而恢复原状。硒堆容量较大，体积也较大。在过电压保护应用中较多场合采用压敏电阻，压敏电阻体积小、价格低廉、安装更换方便，压敏电阻主要的不足是难以达到很大的通流容量，能量特性小，在过电压发生时较多出现压敏电阻爆裂现象。

图4-4-4压敏电阻或硒堆保护方案

（3）晶闸管的电压上升率和电流上升率限制

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回路串联入电感。如图4-4-5a)中di/dt 抑制电路。

图4-4-5di/dt 抑制电路和充放电型RCD 缓冲电路及波形

a)电路

b)波形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。如图4-4-5a)中缓冲电路。

1缓冲电路作用分析

a.无缓冲电路

V 开通时电流迅速上升，di/dt 很大。

关断时du/dt 很大，并出现很高的过电压。

b.有缓冲电路

V 开通时：C S 通过R S 向V 放电，使i c 先上一个台阶，以后因有L i ，i c 上升

速度减慢。

V 关断时：负载电流通过VD S 向C S 分流，减轻了V 的负担，抑制了du/dt

和过电压。

2关断时的负载曲线

a.无缓冲电路时

uCE 迅速升，L 感应电压使VD 通，如图4-6负载线从A 移到B，之后ic 才

下降到漏电流的大小，负载线随之移到C。

b.有缓冲电路时

CS分流使ic在uCE开始上升时就下降，负载线经过D到达C。

负载线ADC安全，且经过的都是小电流或小电压区域，关断损耗大大降低。

图4-4-6关断时的负载线

4.4.2直流调速系统（晶闸管）的过电流保护

（1）晶闸管产生过电流的原因

1）负载端过载或短路；

2）电路中某一晶闸管击穿短路，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；

3）触发电路工作不正常或受干扰，使晶闸管误触发或漏触发引起过电流；

4）电源缺相。

（2）晶闸管过电流保护措施

图4-4-7过电流保护措施及配置位置

如图4-4-7所示，同时采用几种过电流保护措施，提高可靠性和合理性。电子电路作为第一保护措施，快熔仅作为短路时的部分区段的保护，直流快速断路器整定在电子电路动作之后实现保护，过电流继电器整定在过载时动作。

1）用快速熔断器作过电流保护

这是一种专用于保护晶闸管的快速熔断器，它与普通熔断器的主要区别是，在同样的过电流倍数情况下，快速熔断器熔体熔断时间比普通熔断器熔体熔断时间短很多。这样可保证晶闸管未损坏前，快速熔断器的熔体就已熔断，将事故电路与电源断开，保护晶闸管不致损坏。快速熔断器内装的是银质熔丝。

图4-4-8快速熔断器接入方式

如图4-4-8所示，快速熔断器接入电路的方式：一是将快速熔断器与晶闸管串联，可对元件本身的故障进行保护。二是将快速熔断器接在输出（负载）端，这种接法对输出回路的过载或短路起保护作用，但对元件本身故障引起的过电流无保护作用。三是将快速熔断器接在输入端，这样可同时对输出端短路和元件短路起保护作用，但熔断器熔断后不能马上判断是什么故障。

快速熔断器与晶闸管串联时，晶闸管额定电流≤200A 时，I F ≥1.57I N ，I F 为快速熔断器的额定电流，I N 为晶闸管额定电流；晶闸管额定电流＞200A 时，I F ≥

1.57I T ，I T 为晶闸管通态平均电流。快速熔断器接在输出（负载）端时，熔断器

的熔断电流略小于整流器额定输出电流。快速熔断器接在输入端时，熔断器的熔断电流略小于整流器交流侧线电流。

2）用直流快速开关作过电流保护

直流快速开关与负载回路串连，对于负载原因引起的电路中过电流，作过电流保护。直流快速开关具有快速分断及很大的灭弧能力。直流快速开关分闸原因

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