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2.1 晶闸管的驱动与保护

2.1.1 晶闸管的触发电路

晶闸管触发电路的作用是将控制信号Uk转变成延迟角α(或β)信号,向晶闸管提供门极电流,决定各个晶闸管的导通时刻。因此,触发电路与主电路一样是晶闸管装置中的重要部分。两者之间既相对独立,又相互依存。正确设计的触发电路可以充分发挥晶闸管装置的潜力,保证运行的安全可靠。触发电路在晶闸管变流装置中的地位如图2-1所示,可把触发电路和主电路看成一个功率放大器,以小功率的输入信号直接控制大功率的输出。

图2-1 触发电路在晶闸管装置中的地位

1.触发脉冲要求

晶闸管装置种类很多,工作方式也不同,故对触发电路的要求也不同。下面介绍对触发电路的基本要求。

1)触发信号可以是交流,直流或脉冲形式。由于晶闸管触发导通后,门极即失去控制作用,为减少门极损耗,一般触发信号采用脉冲形式。?

2)触发脉冲信号应有一定的功率和宽度。触发电路的任务是提供控制晶闸管的门极触发信号。由于晶闸管门极参数的分散性以及其触发电压、电流随温度变化的特性,为使各合格元件在各种条件下均能可靠触发,触发电流、电压必须大于门极触发电流IGT和触发电压UGT,即脉冲信号触发功率必须保证在各种工作条件下都能使晶闸管可靠导通。触发脉冲信号应有一定的宽度,脉冲前沿要陡,保证触发的晶闸管可靠导通。如果触发脉冲过窄,在脉冲终止时主电路电流还未上升到晶闸管的掣住电流,则晶闸管会重新关断。对于三相全控桥式整流电路,要求触发脉冲信号是间隔60°的双窄脉冲或大于60°小于120°的宽脉冲或脉冲列。?

3)为使并联晶闸管元件能同时导通,则触发电路应能产生强触发脉冲。在大电流晶闸管并联电路中,要求并联元件能同时导通,各元件的di/dt都应在允许范围之内。由于元件特性的分散性,先导通元件的di/dt就会超过允许值而损坏,故应采取图3-2所示的强触发脉冲。强触发电流幅值为触发电流值的5倍左右,前沿陡度应不小于0.5A/μs,最好大于1A/μs;强触发宽度对应时间t2应大于50μs,脉冲持续时间t3应大于550μs。

图2-2 强触发脉冲波形

4) 触发脉冲的同步及移相范围。为使晶闸管在每个周期都在相同的控制角α下触发导通,触发脉冲必须与电源同步,也就是说触发信号应与电源保持固定的相位关系。同时,为了使电路在给定的范围内工作,应保证触发脉冲能在相应范围内进行移相。为保证逆变工作安全可靠,对最小的逆变角βmin也应加以限制,一般βmin=30o~35o。?

5) 隔离输出方式及抗干扰能力。触发电路通常采用单独的低压电源供电,因此应采用某种方法将其与主电路电源隔离。常用的是在触发电路与主电路之间连接脉冲变压器。此类

脉冲变压器需作专门设计。触发电路正确可靠的运行是对晶闸管设备的安全运行极为重要的

环节。引起触发电路误动作的主要原因之一是从主电路或安装在触发电路附近的继电器和接

触器引起的干扰。主电路的干扰常通过触发电路的输出级而进入触发电路,常用的抗干扰措施为:脉冲变压器采用静电屏蔽,串联二极管、并联电容等。

2.锯齿波同步移相触发器

常用的触发电路有正弦波同步触发电路和锯齿波同步触发电路,由于锯齿波同步触发电路具有较好的抗电路干扰、抗电网波动的性能及有较宽的调节范围,因此得到了广泛的应用。该电路由同步检测环节、锯齿波形成环节、同步移相控制环节及脉冲形成与放大环节等组成。图2-9为锯齿波同步移相触发电路图

图2-9 锯齿波同步移相触发电路

(1) 锯齿波形成环节?

锯齿波形成环节由VW、RP1、R3、VT1组成的恒流源电路及VT2、VT3、C2等元件组成,其中VT2是交流电源的同步开关,起到同步检测作用。?

当VT2截止时,恒流源电流IC1对C2进行充电,C2两端的电压为:

(2-5)

可见uC随时间作线性增长,而ub3=uC,故ub3形成了锯齿波的上升部分。调节电位器RP1的大小可改变充电电流IC1,从而也就调节了锯齿波的斜率。VT3的接法为一射极跟随器,

其射极输出电压ue3与ub3仅差一PN结的正向压降,即ue3波形也为一锯齿波。当VT2饱和导通时,R4阻值较小,C2通过R4、VT2迅速放电,形成锯齿波电压陡峭的下降部分。只要VT2能周期性地关断和导通,就能使ue3成为周期性的电压波形。

(2) 同步检测环节

同步检测环节由变压器TB、VD1、VD2、R1、C1、VT2等元件组成,其作用为利用同步电压来控制锯齿波产生的时刻和宽度。当正弦同步电压uTB由正变负时(相当于电角度180o处),开关管VT2截止。此时开始形成锯齿波。锯齿波的宽度等于VT2的截止时间,其频率由VT2的开关频率也就是电源频率所决定。uTB在负半周的下降段时,VD1导通,电容C1被迅速充电,极性为上(-)下(+)。由于O点接地,R点为负电位,而Q点与R点仅差一管压降,也为负电位,故VT2反偏,处于截止状态。在uTB负半周的上升段,+15V电源通过R1给C1反向充电,极性为上(+)下(-)。Q点电压C1的反向充电波形,其上升速度比R点的同步电压波形慢,故VD1截止。当Q点电位上升到1.4V(两个PN结压降)时,VT2导通并将Q点电位钳制在1.4V。到下一个uTB负半周开始时,VD1再次导通,VT2截止,如此周而复始。各点的电压波形如图2-10所示。锯齿波的宽度由VT2的截止时间决定,也就是说由充电时间常数R1C1决定。考虑到锯齿波两端的非线性,一般将R1C1调整到使宽度为240o。

图2-10 锯齿波移相触发电路电压波形

(3) 移相控制环节

图2-11为移相控制电路,输入控制电压uK、初相位调整电压uP(uP为负值)和锯齿波形成环节产生的锯齿波uT分别通过R7、R8、R6共同接到VT4管的基极上,由三个电压综合后来控制VT4的截止与导通。

图2-11 移相控制电路

根据叠加原理,在分析VT4基极电位ub4时,可看成uT、uK、uP三者单独作用的叠加,其等效电路见图2-12。为分析方便,将VT4管基极断开。只考虑锯齿波电压uT时,作用在b4点的电压为:

(2-6)

可见uT’仍为锯齿波,只是斜率比uT低。

图2-12 移相控制环节的等效电路

同样,只考虑uK和uP时,见图2-12 b)、c)可得

(2-7)

(2-8)

可见,uK’和uP’分别为与uK和uP平行的一直线,只是数值较uK和uP为小。这样可得VT4的基极电流:

(2-9)

式中Rbe4为VT4管发射结正向电阻;ub4为uT’、uK’和uP’叠加的合成电压。当ub4由负变正过零点时,VT4由截止变为饱和导通,而ub4波形则被钳制在0.7V。uP和uK的作用分别叙述如下:

uK=0时,改变uP数值的大小,则VT4开始导通的时刻就会根据uP的增大或减小而前、后移动,也就是移动了输出脉冲的相位。因此适当调整uP数值的大小,可使uK=0时的脉冲初相位满足各主电路的需要。如对于三相可控桥式整流电路,电阻性负载时,脉冲初始相位为120°,而大电感负载时,初始相位为90°。

uP电压确定后固定不变。改变uK的大小同样可以移动输出脉冲的相位。当uK=0时,输出脉冲相位为α0,uK增大时,输出脉冲相位逐渐前移,即α逐渐减小,从而达到了移相控制的目的。

(4) 脉冲形成和放大环节?

脉冲形成环节由VT4、VT5、R6、R7、R8、C3等元件组成,脉冲放大环节由VT7、VT8等组成。当合成电压ub4小于零时,VT4截止。+15V电源通过R11为VT5管提供了足够大的基极电流VT5饱和导通(假定VT6也饱和导通,详见双脉冲形成环节),VT5的集电极电压uC5接近-15V,VT7和VT8截止,没有脉冲输出。与此同时,C3通过R9、VT5充电,充满电后的C3两端电压约为30V,极性为左(+)右(-)。当ub4电压为0.7V时,VT4饱和导通。A点电位由+15V突降至+1V左右,由于C3两端电压不能突变,VT5基极电位突降至-30V左右,使VT5截止,其集电极电压由-15V迅速上升到VD6、VT7、VT8三个PN结压降之和的2.1V,从而VT7、VT8导通,输出触发脉冲。VT4导通的同时,C3经+15V,VT5重新导通。VT5集电极电位突降至-15V左右,使VT7、VT8截止,输出脉冲终止。VT4导通瞬间是脉冲发出的时刻,而VT5持续截止时间即为脉冲的宽度,此宽宽与C3的反向充电时间常数R11C3有关。

R13和R16是VT7、VT8的限流电阻,以防止VT5长期截止时VT7和VT8管被烧坏。

(5) 强触发环节?

强触发环节由+50V电源、C6、R15、VD15等元件组成,见图2-9。强触发环节可缩短晶闸管的开通时间,改善串联元件的均压、并联元件的均流和提高元件承受di/dt的能力。大、中容量的晶闸管装置的触发电路都带有强触发环节。VT8导通输出脉冲前,强触发+50V电源已通过R15向C6充电,B点的电位升至+50V。当VT8导通时,C6经脉冲变压器MB、C16和C5的并联支路迅速放电。由于放电回路电阻较小,电容C6两端电压衰减得很快,B点电位迅速下降。当uB稍低于+15V时,VD15导通,此时由于+50V电源向VT8提供较大的负载电流,在R15上压降很大,不能使C6两端电压超过+15V,故B点电位被钳制在+15V。VT5截止后,C6两端电压又被充至+50V,为下次强触发作准备。电容C5能提高强触发脉冲前沿陡度。

(6) 双窄脉冲形成环节?

对三相桥式全控整流电路,要求提供宽度大于60o小于120o的宽脉冲,或间隔60o的双窄脉冲。前者要求触发电路输出功率大,所以很少采用,一般都采用双窄脉冲。双窄脉冲的实现是1号触发器提供元件1的第一个脉冲。落后60o的2号触发器脉冲除供给元件2外,再对元件1提供第二个滞后第一个脉冲60o的补脉冲。

图2-9中VT5、VT6两管构成“或”门电路,无论那个管子截止都会使VT7、VT8导通,输出触发脉冲。1号触发器内由VT4送来的负脉冲信号使VT5截止,VT7、VT8导通,对元件1输出第一个触发窄脉冲。经过60o后,2号触发器同样对元件2送出第一个窄脉冲,与此同时,由该触发器中VT4集电极经R17的X端,送至1号触发器的Y端。这样,2号触发器C4产生的负脉冲将使1号触发器VT6截止,VT7、VT8导通一次,从而对元件1补上了一个落后60o的第二个窄脉冲。以此类似,3号触发器给元件2送去补脉冲,4号触发器给元件3送补脉冲,……,这样循环下去,六个元件都得到了相隔60o的补脉冲,其连接见图2-13。VD4、R17能防止双脉冲信号互相干扰。

图2-13 全控桥式整流电路各触发器补脉冲接线图

(7) 锯齿波触发电路的特点?

优点:锯齿波同步触发电路不受电网电压波动与波形畸变的直接影响、抗干扰能力强,且移相范围宽。缺点:该电路相对比较复杂,且整流装置的输出电压Ud和控制电压间不满足线性关系。

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