第三章變流器主電路參數(shù)計(jì)算和保護(hù)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

1、第三章 變流器主電路和保護(hù)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì) 直流調(diào)速系統(tǒng)根據(jù)其基本組成部分，可分為主電路和控制電路兩大部分。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)確定主電路的接線方式和系統(tǒng)的控制方案后，就應(yīng)著手分別對(duì)主電路進(jìn)行參數(shù)計(jì)算和元件選擇，它是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中極其重要的一環(huán)。主電路參數(shù)計(jì)算和元件選擇的具體內(nèi)容是：整流變壓器額定參數(shù)計(jì)算、晶閘管整流元件（或功率晶體管）的選擇與聯(lián)結(jié)、晶閘管的保護(hù)、電抗器參數(shù)的計(jì)算。第一節(jié) 整流變壓器額定參數(shù)的計(jì)算 在一般情況下，晶閘管變流裝置所要求的交流供電電壓與電網(wǎng)供電電壓是不一致的，并考慮盡可能減少電網(wǎng)和晶閘管裝置間的相互干擾，要求晶閘管主電路與電網(wǎng)隔離，所以需配置整流變壓器。計(jì)算整流變壓器額定參數(shù)時(shí)，首先根據(jù)

2、整流電路的型式和負(fù)載所要求的整流電壓取值過(guò)高，則晶閘管運(yùn)行時(shí)的控制角過(guò)大，會(huì)造成直流電壓諧波分量增大，功率因數(shù)變壞，無(wú)功功率增加；若選擇過(guò)低，則有可能在控制角為時(shí)整流橋輸出的直流電壓仍達(dá)不到負(fù)載要求的額定值。整流變壓器參數(shù)的計(jì)算，首先根據(jù)整流電路的型式和負(fù)載所要求的整流電壓和整流電流，計(jì)算二次電壓、二次電流和一次電流，進(jìn)而計(jì)算其一次、二次容量、及平均計(jì)算容量S。最后根據(jù)上述數(shù)據(jù)選用現(xiàn)有電力變壓器系列產(chǎn)品或自行設(shè)計(jì)。一、二次側(cè)相電壓變壓器二次測(cè)相電壓的計(jì)算公式為在要求不太精確的情況下，可由簡(jiǎn)化式確定：式中，為變流裝置的最大整流輸出電壓（）；為整流變壓器內(nèi)阻和平波電抗器之和（）；為電動(dòng)機(jī)額定電流（

3、）；為主電路中電流經(jīng)過(guò)幾個(gè)串聯(lián)晶閘管的正向壓降（）；為時(shí)與之比，見(jiàn)表3-1；為電網(wǎng)波動(dòng)系數(shù)，通常取；為最小控制角，一般可逆系統(tǒng)，不可逆系統(tǒng)；為線路接線方式系數(shù)，見(jiàn)表3-1；為變壓器短路電壓比，以下，取，以上；為變壓器二次實(shí)際工作電流與二次額定電流之比。表3-1 幾種整流線路變壓器電壓計(jì)算系統(tǒng)電路型式AC電路型式AC單相全波0.90.707三相半波1.170.866單相橋式0.90.707三相橋式2.340.5表 3-2 整流變壓器計(jì)算參數(shù)線路型式負(fù)載性質(zhì)單相半波電阻性負(fù)載0.450.6372.683.483.08電感性負(fù)載0.451.1411.111.571.34單相全波電阻性負(fù)載0.91.2

4、71.251.751.5電感性負(fù)載0.91.411.111.571.34單相半控橋電阻性負(fù)載0.90.91.231.231.23電感性負(fù)載0.911.111.111.11單相全控橋電阻性負(fù)載0.90.91.231.231.23電感性負(fù)載0.911.111.111.11晶閘管在負(fù)載側(cè)的單相橋式電阻性負(fù)載0.90.91.231.231.23電感性負(fù)載0.911.111.111.11三相半波電阻性負(fù)載1.171.731.241.511.38電感性負(fù)載1.171.731.211.481.34三相半控橋電阻性負(fù)載2.341.221.951.051.05電感性負(fù)載2.341.221.051.051.05三

5、相全控橋電阻性負(fù)載2.341.221.051.051.05電感性負(fù)載2.341.221.051.051.05雙反星形帶平衡電抗器電阻性負(fù)載1.173.401.051.511.28電感性負(fù)載1.173.461.051.481.26二、二次測(cè)相電壓和一次測(cè)相電壓對(duì)不同型式的整流線路，變壓器二次、一次電流有效值、與負(fù)載電流的關(guān)系見(jiàn)表3-2。如三相全控橋式電路有，；三相零式電路，。為變壓器匝數(shù)比（）。三、變壓器容量計(jì)算變壓器二次容量、一次容量、平均計(jì)算容量（視在容量）分別為式中，和為整流變壓器一次側(cè)、二次側(cè)的相數(shù)。例3-1 某晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)，其電動(dòng)機(jī)的額定值為，采用三相全控橋式整流電路供電，電網(wǎng)電

6、壓波動(dòng)系數(shù)，變壓器短路電壓比，管壓降，變壓器和平波電抗器的電阻不計(jì)。電網(wǎng)相電壓，試確定整流變壓器各額定參數(shù)。解：查表3-1得，忽略時(shí)有：所以變壓器電壓比為：二次側(cè)相電流：一次側(cè)相電流：二次容量：一次容量：平均計(jì)算容量：由表3-2可直接求出變壓器的額定參數(shù)。第二節(jié) 主電路器件的計(jì)算與選擇 正確合理地選擇晶閘管元件是保證主電路可靠運(yùn)行的重要條件之一。所謂正確合理地選擇元件，系指晶閘管元件額定電流（通態(tài)平均電流）和額定電壓一定要考慮合適的電流儲(chǔ)備和電壓儲(chǔ)備系數(shù)，通常稱安全系數(shù)。從設(shè)計(jì)和使用的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，其安全系數(shù)應(yīng)適當(dāng)選大些，以保證系統(tǒng)工作可靠，特別是對(duì)某些生產(chǎn)上的關(guān)鍵設(shè)備更應(yīng)如此。一、整流元件的額定

7、電壓式中，為晶閘管元件的額定電壓（V）；為晶閘管元件在電路中實(shí)際承受的最大電壓（V）。對(duì)于不同型式整流電路的示于表3-3內(nèi)，表中為整流變壓器二次側(cè)相電壓有效值。二、整流元件額定電流式中，為晶閘管的額定電流（A）；為計(jì)算系數(shù)，示于表3-3內(nèi)；為最大負(fù)載電流。表3-3 整流元件的最大峰值電壓和額定電流的計(jì)算系數(shù)整流主電路單相半波單相雙半波單相橋式三相半波三相橋式帶平衡電抗器的雙反星形電阻負(fù)載10.50.50.3740.3680.185電感負(fù)載0.450.450.450.3680.3680.184例3-2 根據(jù)上例所給數(shù)據(jù)，確定晶閘管的電壓額定和電流額定。解：由例3-1知，變壓器二次側(cè)相電壓，負(fù)載最

8、大電流，又查表3-3知，因此 ，因此取，選擇KP300-8晶閘管6只。使用中還須注意的是，當(dāng)周圍環(huán)境溫度超過(guò)或元件的冷卻條件低于標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)，均應(yīng)降低元件的額定值來(lái)使用。（三）GTR的選擇對(duì)于PWM變換器主電路大功率晶體管（GTR）的選擇，則需要根據(jù)電動(dòng)機(jī)的額定電壓和額定電流來(lái)選擇。晶體管的最大集電極電流應(yīng)大于最大工作電流；晶體管的耐壓應(yīng)根據(jù)反向擊穿電壓來(lái)估算。工程實(shí)踐中，可按下式選擇晶體管的電流和耐壓 式中，為電動(dòng)機(jī)允許過(guò)載倍數(shù)；、分別為電動(dòng)機(jī)額定電流（A）、額定電壓（V）。（四）晶閘管和晶體管的串并聯(lián)運(yùn)行1）在高電壓和大電流的場(chǎng)合，往往因?yàn)閱蝹€(gè)晶閘管的電壓和電流定額遠(yuǎn)不能滿足要求，必須把晶閘

9、管串聯(lián)或并聯(lián)起來(lái)使用，或者把晶閘管裝置成串聯(lián)或并聯(lián)起來(lái)使用。晶閘管串聯(lián)、并聯(lián)應(yīng)用時(shí)，均壓、均流是必須解決的兩個(gè)問(wèn)題，其具體實(shí)施方案和參數(shù)選擇，可查閱有關(guān)資料，這里不再贅述。隨著晶閘管制造工藝的改進(jìn)，元件的電壓等級(jí)和電流容量不斷提高，因此對(duì)中小功率的晶閘管整流裝置，采用元件串并聯(lián)的情況會(huì)逐步減少。在大功率設(shè)備中廣泛采用整流變壓器二次側(cè)繞組分組，分別對(duì)獨(dú)立的整流裝置供電，然后成組串聯(lián)或成組并聯(lián)，如圖31a、b所示。整流組串聯(lián)可提高輸出電壓，且兩套裝置之間不存在均壓?jiǎn)栴}。整流組并聯(lián)可提高輸出電流，但一般需設(shè)置平衡電抗器以實(shí)現(xiàn)均流。如變壓器漏抗合適可省去平衡電抗器。變壓器兩套二次側(cè)繞組通常分別以Y、D

10、形式聯(lián)結(jié)，串聯(lián)后整流電壓波形每周期脈動(dòng)12次，即為等效的12相整流電路。由于脈動(dòng)頻率較高，故使整流電源質(zhì)量大為提高，又可減小平波電抗器的體積。3-1晶閘管裝置和晶體管的串聯(lián)與并聯(lián)a) 晶閘管裝置成組串聯(lián) b）晶閘管裝置成組并聯(lián) c）GTR的并聯(lián)2）由于GTR對(duì)過(guò)壓和敏感，故一般不宜進(jìn)行串聯(lián)運(yùn)行。GTR并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，應(yīng)采取一定的均流措施。電流較小時(shí)，用接入發(fā)射極電阻的方法來(lái)均流較好；電流較大的場(chǎng)合，可采用均流電抗。具體電路如圖3-1c所示。另外，并聯(lián)應(yīng)用時(shí)，應(yīng)仔細(xì)匹配好并聯(lián)GTR的參數(shù)，并使并聯(lián)支路布線盡量對(duì)稱，每個(gè)GTR集電極和基極支路中的電阻和電感應(yīng)盡可能小而且一致。第三節(jié) 主電路保護(hù)環(huán)節(jié)的設(shè)

11、計(jì)與計(jì)算由于晶閘管承受過(guò)電壓和過(guò)電流的能力較差，所以短時(shí)間的過(guò)壓或過(guò)流就會(huì)造成元件損壞。因此在系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)中，對(duì)晶閘管裝置的各種保護(hù)措施及主要保護(hù)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)與計(jì)算，應(yīng)予以足夠的重視。為使系統(tǒng)能長(zhǎng)期可靠地運(yùn)行，除了合理地選擇晶閘管外，必須針對(duì)過(guò)電壓、過(guò)電流和電壓、電流上升率的發(fā)生原因采取恰當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施。一、過(guò)電壓保護(hù)圖3-2 晶閘管裝置可能采用的幾種過(guò)電壓保護(hù)情況A避雷針 B接地電容 C阻容保護(hù) D整流式阻容保護(hù) E硒堆保護(hù)F壓敏電阻 G用晶閘管作過(guò)壓保護(hù) H器件側(cè)阻容保護(hù)電路中電感元件積累的能量驟然釋放或外界侵入電路的大量電荷累積產(chǎn)生過(guò)電壓，對(duì)系統(tǒng)的安全運(yùn)行構(gòu)成危害。所以，過(guò)電壓保護(hù)的基本做

12、法，是在電路中設(shè)置吸收能量的保護(hù)元件，使能量得以釋放，以保證晶閘管裝置的可靠工作。根據(jù)晶閘管裝置產(chǎn)生過(guò)電壓部位的不同，過(guò)電壓保護(hù)分為交流側(cè)保護(hù)、直流側(cè)保護(hù)和元件換相保護(hù)，見(jiàn)圖3-2。實(shí)用時(shí)，可根據(jù)具體情況，選擇其中幾種。1交流側(cè)過(guò)電壓保護(hù)圖3-3 阻容保護(hù)的接法a）單相 b）三相變壓器二次測(cè)Y聯(lián)結(jié)，阻容Y聯(lián)結(jié)c）三相變壓器二次測(cè)Y聯(lián)結(jié)，阻容D聯(lián)結(jié) d）三相整流式阻容保護(hù)的接法（1）阻容保護(hù) 阻容保護(hù)是在整流變壓器二次側(cè)并聯(lián)電阻和電容，其接線方式見(jiàn)圖3-3，計(jì)算單相變壓器交流側(cè)過(guò)電壓保護(hù)電容C和電阻R的公式為式中，S為單相變壓器的平均計(jì)算容量；為變壓器二次相電壓有效值（V）；為變壓器勵(lì)磁電流百分

13、比，的變壓器，對(duì)應(yīng)的；為變壓器的短路電壓百分比，的變壓器，對(duì)應(yīng)的；C為電容；R為電阻。電容C的耐壓大于或等于。電阻功率： 式中，、為RC正常工作時(shí)電壓、電流有效值；為電源頻率。以上計(jì)算公式是根據(jù)條件推導(dǎo)出來(lái)的。對(duì)于三相電路，如變壓器二次側(cè)與阻容吸收電路接法一致，則上述公式完全適用。如兩者接法不同時(shí)，則可先按接法一致計(jì)算，然后把阻容電路進(jìn)行YD變換，變換公式為，采用阻容保護(hù)后，若電容量增大，有利于吸收過(guò)電壓和限制上升率，但電容量過(guò)大，不僅電容器體積很大，且增加了電阻的損耗，使電阻體積加大，而且電容量增大也使得晶閘管導(dǎo)通時(shí)增大，對(duì)元件不利。電阻值增大，有利于抑制振蕩，但若電阻值選得過(guò)大，則影響抑制

14、過(guò)電壓效果，一般電阻值應(yīng)選得偏小些，而值選得偏大些以減少發(fā)熱。阻容D聯(lián)結(jié)時(shí)，電容值小，但耐壓要求高；Y聯(lián)結(jié)時(shí)，電容值大，但耐壓要求低，實(shí)際應(yīng)用時(shí)可根據(jù)阻容元件的情況決定采用D或Y聯(lián)結(jié)。對(duì)于大容量的晶閘管裝置，通常采用圖3-3d所示的整流接法的阻容裝置。這種保護(hù)接法，雖然多了一個(gè)整流橋，但只用一個(gè)電容，且電容C只承受直流電壓，可采用體積小、電容量大電解電容器，可以顯著減小保護(hù)裝置的體積，其R、C參數(shù)可參閱有關(guān)資料。（2）非線性電阻保護(hù)圖3-4 硒堆保護(hù)的接線a）單相 b）三相Y聯(lián)結(jié) c）三相D聯(lián)結(jié)1）硒堆保護(hù)的具體接法見(jiàn)圖3-4。硒堆由硒整流片串聯(lián)而成，單相時(shí)用兩組對(duì)接后再與電源并聯(lián)，三相時(shí)用三

15、相對(duì)接成Y形，或用六組接成D形。每組串聯(lián)的硒片數(shù)為式中，為正常工作時(shí)線電壓有效值（V）；為每片硒片的擊穿電壓，與硒片的型號(hào)有關(guān)，一般為3050V。選擇硒片面積A的經(jīng)驗(yàn)公式為：式中，為變壓器勵(lì)磁電流百分比；為變壓器二次線電流有效值（A）。硒片的面積有40×40mm2、60×60mm2、100×100mm2等規(guī)格。2）壓敏電阻保護(hù)。壓敏電阻是一種新型的保護(hù)元件，它常用于交、直流側(cè)的過(guò)電壓保護(hù)。其保護(hù)線路如圖3-5所示。圖3-5 壓敏電阻保護(hù)的接法a）單相 b）三相Y聯(lián)結(jié) c）三相D聯(lián)結(jié)壓敏電阻選用主要考慮額定電壓和通流容量，壓敏電阻額定電壓的選取通?？砂聪率接?jì)算圖3-

16、6 直流側(cè)過(guò)電壓保護(hù)線路 圖3-7 晶閘管換相過(guò)電壓保護(hù)式中，為電網(wǎng)電壓升高系數(shù)，一般取；為考慮參數(shù)下降10%而通過(guò)壓敏電阻的漏電流仍保持在1mA以下，以及考慮整流裝置允許過(guò)電壓的系數(shù)。壓敏電阻通流容量可根據(jù)整流變壓器的空載勵(lì)磁能量，來(lái)選擇吸收沖擊能量相當(dāng)?shù)膲好綦娮?。VYJ型浪涌吸收器（壓敏電阻）的額定電壓有：100，220，440，760，1000V等。通流容量有：0.5，1，1.5，2，3，4，5KA等。2直流側(cè)過(guò)電壓保護(hù)直流側(cè)過(guò)電壓保護(hù)接線方式見(jiàn)圖3-6。直流側(cè)與交流側(cè)過(guò)電壓保護(hù)方法相同，元件選擇原則也相同。實(shí)際中采用壓敏電阻保護(hù)較為合理。3元件換相保護(hù)為防止在換相過(guò)程中，被關(guān)斷的晶閘管

17、出現(xiàn)反向過(guò)壓，而導(dǎo)致反向擊穿。通常在晶閘管元件兩端并聯(lián)RC阻容吸收電路，見(jiàn)圖3-7。阻容電路參數(shù)可按表3-4選取，電容的耐壓一般選取晶閘管實(shí)際承受最大電壓的1.11.5倍。電阻功率選擇：表3-4 晶閘管阻容電路經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)晶閘管額定電流（A）1000500200100502010電容（）210.50.250.20.150.1電阻（）2510204080式中，為50Hz；為晶閘管工作峰值電壓（V）；C為與電阻串聯(lián)的電容量()。二、過(guò)電流保護(hù) 對(duì)于晶閘管整流裝置，過(guò)電流保護(hù)設(shè)計(jì)是很重要的。如果短路或過(guò)電流數(shù)值過(guò)大，而切斷的時(shí)間稍慢，就會(huì)造成晶閘管的損壞。所以過(guò)電流保護(hù)措施在系統(tǒng)中是必不可少的。過(guò)電流保

18、護(hù)措施有如圖2-18所示數(shù)種。下面就幾種主要保護(hù)措施的適用范圍和元件的選擇加以說(shuō)明。1）流進(jìn)線中串聯(lián)電抗器（圖3-8中的A）或采用漏抗較大的變壓器以限制短路電流，但此種方法在有負(fù)載時(shí)有較大的壓降。2）利用交流側(cè)電流檢測(cè)環(huán)節(jié)（圖3-8中B）所得過(guò)電流信號(hào)送入電流調(diào)節(jié)器，控制觸發(fā)脈沖快速后移，從而使晶閘管迅速阻斷，達(dá)到抑制過(guò)電流的目的。3）交流側(cè)經(jīng)電流互感器接入過(guò)電流繼電器或直流側(cè)接入過(guò)電流繼電器（圖3-8中是B和F），過(guò)電流時(shí)繼電器動(dòng)作，跳開(kāi)交流接觸器或輸入端的自動(dòng)開(kāi)關(guān)。這種方法只有在短路電流不大時(shí)才能起到保護(hù)作用。交流側(cè) 整流主回路 直流側(cè) 圖3-8 晶閘管裝置可能采用的幾種過(guò)電流保護(hù)措施A-

19、進(jìn)線電抗器限流 B-電流檢測(cè)和過(guò)流繼電器 C-交流側(cè)快速熔斷器 D-元件串聯(lián)快速熔斷器 E-直流側(cè)快速熔斷器 F-過(guò)流繼電器 G-直流快速開(kāi)關(guān)4）對(duì)大、中容量設(shè)備，以及經(jīng)常逆變的場(chǎng)合，采用直流快速開(kāi)關(guān)作直流側(cè)過(guò)載和適中保護(hù)。快速開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)間只有2ms，完全分?jǐn)嚯娀〉臅r(shí)間也不過(guò)2530ms，它是目前較好的過(guò)流保護(hù)裝置。在晶閘管直流調(diào)速中，可按電動(dòng)機(jī)額定電流選用。a)b)c)圖3-9 快速熔斷器的接法a)交流側(cè)快速熔斷器 b)與器件串聯(lián)快速熔斷器 c)直流側(cè)快速熔斷器5）快速熔斷器是最簡(jiǎn)單有效的短路保護(hù)元件，是防止晶閘管損壞的最后一道防線?？焖偃蹟嗥鞯慕臃ㄓ邪惭b在交流側(cè)、與元件串聯(lián)、安裝

20、在直流側(cè)三種，見(jiàn)圖3-9。交流側(cè)快速熔斷器能夠?qū)υ搪泛椭绷鱾?cè)短路起保護(hù)作用，但它對(duì)晶閘管元件的保護(hù)作用較差。直流側(cè)快速熔斷器僅能對(duì)直流側(cè)短路與過(guò)載起保護(hù)作用。與元件串聯(lián)快速熔斷器，由于兩者電流相同，故元件保護(hù)作用最好，應(yīng)用極為廣泛。對(duì)中、小容量系統(tǒng)。一般只采用此種接法。 還應(yīng)注意，各種過(guò)流保護(hù)的動(dòng)作順序應(yīng)該是：電流調(diào)節(jié)器限流（觸發(fā)脈沖后移）過(guò)流繼電器動(dòng)作跳開(kāi)關(guān)直流快速開(kāi)關(guān)動(dòng)作快速熔斷器熔斷。 選配與元件串聯(lián)的快速熔斷器，其熔體的額定電流一般按下式選擇，式中，為晶閘管的額定電流；為熔體的額定電流；為實(shí)際流過(guò)晶閘管的最大電流有效值。中、小容量系統(tǒng)中，常選用=。目前生產(chǎn)的快速熔斷器產(chǎn)品主要有RS

21、0、RS3（匯流排式）與小容量的RLS（螺旋式）。RLS額定電流為3100A，額定電壓為500V。RS0、RS3額定電流為10450A，額定電壓為250，500，750，1000V。（三）電壓和電流上升率的限制L圖3-10 晶閘管串接橋臂電抗器系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求把作用于晶閘管的正向電壓上升率限制到晶閘管斷態(tài)電壓臨界上升率以下，把正向電流上升率限制到通態(tài)電流臨界上升率以下。對(duì)和的限制措施是串橋臂電抗器L，L可以是空心電抗器、鐵心電抗器。采用空心電抗器時(shí)L的電感應(yīng)大于或等于2030H，采用鐵心電抗器時(shí)，電感值可再大一些。其接線方法如圖3-10所示。阻容吸收裝置采用整流式接法，如3-3d所示，對(duì)限制也有好

22、處。還須特別指出的是，對(duì)于應(yīng)用晶閘管裝置所引起的功率因數(shù)惡化、高次諧波電流使得電網(wǎng)波形畸變等電力公害，除從電網(wǎng)方面采取補(bǔ)償措施外，還應(yīng)注意從晶閘管裝置本身采取措施，以將其抑制在容許范圍內(nèi)。限于篇幅，關(guān)于改善功率因數(shù)、防止諧波危害的具體措施，讀者可查閱有知文獻(xiàn)資料。第四節(jié) 電抗器參數(shù)計(jì)算與選擇在晶閘管變流裝置供電的直流調(diào)速系統(tǒng)中，常在直流側(cè)串有帶空氣隙的鐵心電抗器，使輸出電流連續(xù)、限制電流脈動(dòng)，并抑制環(huán)流，以提高裝置對(duì)負(fù)載供電的性能和提高運(yùn)行的安全可靠性。下面分別討論三種電抗器的電感量計(jì)算。 一、使輸出電流連續(xù)的臨界電感量對(duì)晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)，當(dāng)負(fù)載電流較小，會(huì)出現(xiàn)電流斷續(xù)的現(xiàn)象，使電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性變軟，影響系統(tǒng)的靜、動(dòng)態(tài)性能。電動(dòng)