电力电子技术第8章 晶闸管主电路的参数计算及保护

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图 8.11 直流侧快速开关跳角或快熔熔断引起的过电压
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图 8.12 用非线性元件抑制直流侧过电压
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（1）在 A、B 之间接入压敏电阻或硒堆，如 图 8.12（a），其参数选一般有 3种： ①用电阻消耗过电压的能量； ②用非线性元件限制过电压的幅值； ③用储能元件吸收过电压的能量。若以过电压 保护装设的部位来分，有交流侧保护，直流侧保护 和元器件保护 3种。
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图 8.4 晶闸管内部载流子积蓄效应产生过电压
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1.交流侧过电压的保护 （1）避雷器 用以保护大气雷击所产生的过电 压，如图 8.5所示。主要保护变压器。因此种过电 压能量较大，持续时间也较长，一般采用阀型避雷 器。
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图 8.10 压敏电阻过电压保护接线方法
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压敏电阻的参数计算与选用方法： 额定电压 U1mA的选取可按下式计算。 在交流情况下：
在直流情况下：
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2.直流侧的过电压保护 整流器直流侧开断时，如直流侧快速开关断开 或桥臂快熔熔断等情况，也会在A、B 之间产生过 电压，如图 8.11 所示。
第8章
晶闸管主电路的参数计算 及保护
本章主要以晶闸管整流电路为对象，从工程实 际出发，讨论主电路各元件参数的计算及选择元件 的方法；分析晶闸管电路在实际运行中可能产生的 主要故障及相应的保护措施。同时，对晶闸管串并 联结中，为保证其可靠工作，应采用的均压和均流 措施作必要的分析。
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第一节 晶闸管电压电流参数的选择 合理地选择晶闸管，就是在保证晶闸管装置可 靠运行的前提下，降低成本，获得较好的技术经济 指标。在采用普通型（KP型）晶闸管的整流电路 中，主要是正确地选择晶闸管的额定电压与额定电 流参数。
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图 8.1 降压变压器网侧合闸过电压
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图 8.2 切断电感回路电流产生过电压
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图 8.3 其他并联用电设备分闸时产生过电压
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二、过电压的保护 正常工作时，晶闸管承受的最大峰值电压 Um 如表 8.1所示。超过此峰值电压的就算过电压。在 整流装置中，任何偶然出现的过电压均不应超过元 件的不重复峰值电压 Udsm，而任何周期性出现的 过电压则应小于元件的重复峰值电压 Ursm。
电阻 Ra 的功率为
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这虽然多了一个三相整流桥，但是只用一个电 容器，且因只承受直流电压而可用体积小、容量大 的电解电容，从而减小 RC 电路的体积。整流式 R C 电路的接线方式及计算公式如表 8.3所示。
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图 8.7 硒片的伏安特性
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（3）用非线性元件抑制过电压 当发生雷击或 从电网侵入更高的浪涌电压时，仅用阻容保护是不 够的，此时过电压仍可能超过元件的允许值。所以 必须同时设置非线性元件保护。非线性元件有与稳 压管相近似的伏安特性，可以把浪涌过电压抑制在 晶闸管元件允许的范围。
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考虑（1.5 ～ 2）倍的电流有效值安全系数后， 式（8.2）可以写为：
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对非标准负载等级，根据一般晶闸管元件的热 时间常数，通常取负载循环中热冲击最严重的 15 min内的有效值作为直流电流的额定值。即
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第二节 晶闸管过电压保护
与一般半导体元件相同，晶闸管元件的主要弱 点是过电压过电流的承受能力差。当施加在元件两 端的电压超过其正向转折或反向击穿电压时，即使 时间很短也会导致元件损坏，或使元件发生不应有 的转折导通，造成事故或元件性能降低，留下隐患。 过电压保护的目的是使元件在任何情况下不致受到 超过元件所能承受的电压的侵害。因此必须采取有 效措施消除和抑制可能产生的各种过电压。
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图 8.8 硒堆保护的联结方法
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②金属氧化物压敏电阻 这是由氧化锌，氧化 铋等烧结制成的非线性电阻元件。其伏安特性如图 8.9所示。由于它具有正反向相同的很陡的伏安特 性，击穿前漏电流为微安数量级，损耗很小，过电 压时（击穿后）则能通过高达数千安的浪涌电流， 所以抑制过电流能力很强。
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图 8.9 压敏电阻的理想伏安特性
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一、产生过电压的原因 整流器中产生过电压的原因有外因过电压和内 因过电压两种。前者主要来自系统中的通断过程和 雷击，后者则主要由于晶闸管元件的周期通断（换 相）过程，即晶闸管载流子积蓄效应引起的过电压 。主要有下列几种。 1.雷击过电压 2.静电感应过电压 3.切断电感回路电流所造成的过电压 4.晶闸管载流子积蓄效应引起的过电压（换相 过电压）。
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一般，晶闸管的参数计算及选用原则如下： （1）计算每个支路中晶闸管元件实际承受的正、 反向工作峰值电压。 （2）计算每个支路中晶闸管元件实际流过的电流 有效值和平均值。 （3）根据整流装置的用途、结构、使用场合及特 殊要求等确定电压和电流的储备系数。 （4）根据各元件的制造厂家提供的元件参数水平 并综合技术经济指标选用晶闸管元件。
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一、晶闸管额定电压 UTe的选择 晶闸管额定电压必须大于元件在电路中实际承 受的最大电压 Um，考虑到电网电压的波动和操作 过电压等因素，还要放宽 2 ～ 3倍的安全系数。即 按下式选取
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二、晶闸管额定（通态）平均电流 IT（AV）的选择 为使晶闸管元件不因过热而损坏，需要按电流 的有效值来计算其电流额定值。即必须使元件的额 定电流有效值大于流过元件实际电流的最大有效值 。由第一章知，晶闸管流过正弦半波电流的有效值 I和额定值（通态平均电流）IT（AV）的关系，当 α =0°时为
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①硒堆 若干个硒整流片串联组成硒堆。硒片 的伏安特性如图 8.7所示。它具有较陡的反向非线 性特性。当超过其转折电压时，反向电流增加很快 ，可消耗很大的瞬时功率，使过电压被限制在其反 向击穿电压。每片硒片的额定反向电压有效值 UR 约为 20 ～ 30 V。每堆的片数 n为
计算硒片面积 S的经验公式为
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图 8.5 晶闸管装置可能采取的各种过电压保护措施
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（2）RC 过电压抑制电路 通常是在变压器次 级（元件侧）并联 RC 电路，以吸收变压器铁心的 磁场释放的能量，并把它转换为电容器的电场能而 储存起来。
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图 8.6 阻容过电压保护电路的接法
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单相整流电路 RC 参数的计算公式为
电容 Ca 的耐压