晶閘管串聯(lián)均壓電路設(shè)計(jì)與仿真研究

郭鵬 ，王宏華 ，馮進(jìn)通 ，尹祥順，李軍民

(1. 河海大學(xué) 能源與電氣學(xué)院，江蘇 南京 211100； 2. 揚(yáng)中市豐順電器有限公司，江蘇 揚(yáng)中 212211)

晶閘管串聯(lián)均壓電路設(shè)計(jì)與仿真研究

郭鵬1，王宏華1，馮進(jìn)通1，尹祥順2，李軍民2

(1. 河海大學(xué) 能源與電氣學(xué)院，江蘇 南京 211100； 2. 揚(yáng)中市豐順電器有限公司，江蘇 揚(yáng)中 212211)

晶閘管串聯(lián)式高壓異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器應(yīng)用前景廣闊，晶閘管串聯(lián)均壓是其關(guān)鍵技術(shù)之一。對(duì)晶閘管串聯(lián)均壓電路進(jìn)行了研究與設(shè)計(jì)，仿真分析了均壓電路參數(shù)選取對(duì)均壓效果的影響。仿真表明：采用動(dòng)、靜態(tài)均壓電路可有效抑制開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程中晶閘管串聯(lián)分壓不均，對(duì)均壓電路參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要作用。

晶閘管串聯(lián)均壓；均壓電路參數(shù)；動(dòng)態(tài)均壓電路；靜態(tài)均壓電路

0 引言

晶閘管低壓異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器得到了廣泛應(yīng)用，但隨著異步電動(dòng)機(jī)電壓等級(jí)和容量的提升，在低壓下應(yīng)用的軟啟動(dòng)技術(shù)已經(jīng)無(wú)法滿足高壓電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)要求，因此需要研究高壓電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)技術(shù)。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，能夠?qū)崿F(xiàn)電動(dòng)機(jī)平滑啟動(dòng)的晶閘管串聯(lián)式軟啟動(dòng)器越來(lái)越被市場(chǎng)所認(rèn)可。

由于單個(gè)晶閘管的耐壓等級(jí)有限，為了滿足高壓場(chǎng)合的應(yīng)用需求，需要采用多個(gè)晶閘管串聯(lián)的方式提高軟啟動(dòng)器的耐壓能力。晶閘管串聯(lián)時(shí)，由于各晶閘管自身特性(靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性等)和觸發(fā)電路等難免存在差異，因此晶閘管串聯(lián)均壓電路設(shè)計(jì)非常重要[1]。以電壓等級(jí)6kV的異步電動(dòng)機(jī)為例，由晶閘管為單元構(gòu)成的交流調(diào)壓電路接在三相交流電和三相異步電動(dòng)機(jī)之間，雖然單個(gè)晶閘管可承受的電壓能達(dá)到6 500V左右，但是考慮到晶閘管的耐壓裕量和運(yùn)行可靠穩(wěn)定性因素，一般使用3個(gè)反并聯(lián)晶閘管閥組串聯(lián)分壓的方式實(shí)現(xiàn)電壓等級(jí)提升[2]。

為了抑制晶閘管因自身特性和觸發(fā)電路等造成的不均壓，文中對(duì)晶閘管串聯(lián)均壓電路設(shè)計(jì)進(jìn)行研究與仿真。

1 晶閘管串聯(lián)均壓電路設(shè)計(jì)[3]

1.1 晶閘管靜態(tài)均壓電路設(shè)計(jì)

當(dāng)晶閘管未導(dǎo)通時(shí)，在兩端施加正向電壓，則串聯(lián)的多個(gè)晶閘管將共同承擔(dān)電壓，并進(jìn)行電壓的分配。漏電阻越大，承受的電壓越大。為解決晶閘管靜態(tài)時(shí)的均壓?jiǎn)栴}，需在其兩端并聯(lián)遠(yuǎn)小于漏電阻的靜態(tài)均壓電阻Rj，即：

(1)

式中：URed為晶閘管額定電壓；IDR為靜態(tài)重復(fù)平均電流；πIDR近似為漏電流峰值。

1.2 晶閘管動(dòng)態(tài)均壓電路設(shè)計(jì)

串聯(lián)的晶閘管在關(guān)斷過(guò)程中，因各自反向恢復(fù)電荷可能不同，故反向恢復(fù)電流值有異，電流值小的先恢復(fù)了阻斷狀態(tài)，而電流值大的恢復(fù)相對(duì)緩慢，恢復(fù)的時(shí)間不同步使得電壓分配不均勻，一般通過(guò)在晶閘管兩端并聯(lián)由電阻R和電容串聯(lián)構(gòu)成的均壓電路實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)均壓。

通過(guò)反向恢復(fù)電荷法計(jì)算所要選取的電容值。晶閘管在關(guān)斷過(guò)程中不是立刻變?yōu)樽钄酄顟B(tài)，而是通過(guò)反向恢復(fù)電荷產(chǎn)生反向恢復(fù)電流，在電流的變化下逐漸恢復(fù)阻斷能力，設(shè)其值為ITR，反向恢復(fù)電荷為：

(2)

式中：Tr2為反向阻斷恢復(fù)時(shí)間；ITR為反向恢復(fù)電流。

反向恢復(fù)電荷值決定了串聯(lián)晶閘管閥組中每個(gè)晶閘管所承受的阻斷電壓值，當(dāng)晶閘管反向流過(guò)反向漏電流ITR時(shí)，即恢復(fù)了反向阻斷特性，此時(shí)關(guān)斷過(guò)程結(jié)束。動(dòng)態(tài)均壓電容計(jì)算公式為：

(3)

式中：k為串聯(lián)晶閘管的個(gè)數(shù)；K為均壓系數(shù)，即晶閘管承受的電壓平均值與最大值之比；ΔQr為晶閘管反向恢復(fù)電荷之差。Up為晶閘管兩端施加的正向電壓。

根據(jù)式(3)可計(jì)算出較合適的動(dòng)態(tài)均壓電容值。動(dòng)態(tài)均壓電阻一般取10～30Ω。

1.3 晶閘管串聯(lián)的均壓電路整體設(shè)計(jì)

帶有均壓電路的6kV高壓軟啟動(dòng)器單相晶閘管串聯(lián)電路如圖1所示。

圖1 帶有均壓電路的單相6 kV高壓晶閘管功率閥組

圖1中R1、R2、R3為靜態(tài)均壓電阻，其在選型時(shí)要參考晶閘管阻斷狀態(tài)下的等效阻值，所消耗的功率要留有一定的余量。R4、R5、R6和C1、C2、C3構(gòu)成動(dòng)態(tài)均壓電路，電容取值根據(jù)式(3)計(jì)算。

2 晶閘管串聯(lián)均壓電路仿真分析

現(xiàn)以兩個(gè)晶閘管串聯(lián)為例，采用Saber軟件建立了不帶均壓電路的晶閘管串聯(lián)電路仿真模型[4]，如圖2所示。圖中，電路中施加的正向電壓為200 V，反向電壓為1 000 V，電感為100 μH。兩個(gè)控制開(kāi)關(guān)sw1_14交替開(kāi)通和關(guān)斷，控制其開(kāi)關(guān)的脈沖頻率為25 Hz，驅(qū)動(dòng)晶閘管的脈沖頻率為50 Hz，占空比均為50%。當(dāng)電路開(kāi)始運(yùn)行后，右側(cè)的控制開(kāi)關(guān)閉合，串聯(lián)晶閘管處于反向阻斷。經(jīng)0.02 s延時(shí)后，左側(cè)控制開(kāi)關(guān)閉合，右側(cè)控制開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，串聯(lián)晶閘管由阻斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)電路觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通，再經(jīng)0.02 s延時(shí)后，串聯(lián)晶閘管又由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為阻斷，如此循環(huán)。通過(guò)這種方式，可分析出串聯(lián)晶閘管開(kāi)關(guān)過(guò)程中的電壓和電流的變化。

圖2 不帶均壓電路的晶閘管串聯(lián)仿真模型

1) 當(dāng)兩個(gè)晶閘管的內(nèi)部參量完全相同時(shí)，設(shè)定V1(圖2中下面的晶閘管)的觸發(fā)脈沖較V2(圖2中上面的晶閘管)的延遲1μs，此時(shí)串聯(lián)晶閘管的開(kāi)通電壓波形如圖3所示。

圖3 不帶有均壓電路的串聯(lián)晶閘管開(kāi)通電壓波形

圖3中實(shí)線為V1的電壓變化曲線，虛線為V2的電壓變化曲線?？梢?jiàn)，由于V1、V2觸發(fā)不同步，當(dāng)V2開(kāi)通時(shí)，V1兩端瞬間承受全部正向電壓，易造成V1過(guò)壓損壞。

2) 當(dāng)兩個(gè)晶閘管觸發(fā)同步時(shí)，假定晶閘管的內(nèi)部參數(shù)不一致，具體以射結(jié)短路電阻阻值不同為例(其中V1>V2)，此時(shí)兩個(gè)晶閘管關(guān)斷電壓波形如圖4所示。

圖4 不帶有均壓電路的串聯(lián)晶閘管關(guān)斷電壓波形

圖4中虛線為V2的電壓變化曲線，實(shí)線為V1的電壓變化曲線，可見(jiàn)，由于V2的射結(jié)短路電阻值小于V1，V1承受的最大反向電壓大于V2，容易造成V1過(guò)壓損壞。

根據(jù)式(1)計(jì)算靜態(tài)均壓電阻Rj為100kΩ，根據(jù)式(3)計(jì)算動(dòng)態(tài)均壓電阻C為100μF,動(dòng)態(tài)均壓電阻為10Ω,在此基礎(chǔ)上，建立采用動(dòng)、靜態(tài)均壓電路的兩個(gè)晶閘管串聯(lián)仿真模型如圖5所示。

1) 在均壓電路作用下，當(dāng)兩個(gè)晶閘管參數(shù)一致時(shí)，仍設(shè)V1驅(qū)動(dòng)信號(hào)較V2延遲1μs，串聯(lián)晶閘管開(kāi)通過(guò)程中電壓仿真波形如圖6所示。

圖6 帶有均壓電路的晶閘管開(kāi)通過(guò)程中電壓波形圖

圖6中，虛線為V2的電壓曲線，實(shí)線為V1的電壓曲線，盡管觸發(fā)不同步，但在開(kāi)通過(guò)程中，V1并沒(méi)有因?yàn)閂2的提前導(dǎo)通而產(chǎn)生過(guò)電壓，繼續(xù)保持應(yīng)承受的均分電壓直至導(dǎo)通。

2) 在均壓電路作用下，當(dāng)兩個(gè)晶閘管觸發(fā)同步時(shí)，仍設(shè)晶閘管射結(jié)短路電阻阻值不同(其中V1>V2)，此時(shí)兩個(gè)晶閘管關(guān)斷過(guò)程中電壓波形如圖7所示。

圖7 帶有均壓電路的晶閘管關(guān)斷過(guò)程中電壓波形

圖7中實(shí)線為V1的電壓曲線，虛線為V2的電壓曲線，盡管兩個(gè)晶閘管內(nèi)部參量不同，但由于均壓電路的作用，兩者承受的反向電壓基本相近。

以上仿真表明，均壓電路的引入，可有效緩解串聯(lián)晶閘管在外因(如觸發(fā)信號(hào)不同步)和內(nèi)因(晶閘管內(nèi)部參數(shù)不同)作用下的分壓不均，抑制過(guò)電壓的產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)電壓均勻分配。

3 均壓電路參數(shù)對(duì)串聯(lián)晶閘管均壓的影響研究

3.1 動(dòng)態(tài)均壓電路中電容的影響

設(shè)兩個(gè)晶閘管觸發(fā)同步，但射結(jié)短路電阻阻值不同(其中V1>V2)，當(dāng)動(dòng)態(tài)均壓電阻取10Ω，動(dòng)態(tài)均壓電容分別取值為20μF、50μF、100μF時(shí)，串聯(lián)晶閘管關(guān)斷過(guò)程中電壓仿真波形、導(dǎo)通過(guò)程中電流仿真波形分別如圖8～圖13所示，圖中實(shí)線為V1的波形，虛線為V2的波形。

圖8 電容取20 μF時(shí)晶閘管關(guān)斷過(guò)程中電壓波形

圖9 電容取20 μF時(shí)晶閘管開(kāi)通過(guò)程中電流波形

圖10 電容取50 μF時(shí)晶閘管關(guān)斷過(guò)程中電壓波形

圖11 電容取50 μF時(shí)晶閘管開(kāi)通過(guò)程中電流波形

圖12 電容取100 μF時(shí)晶閘管關(guān)斷過(guò)程中電壓波形

圖13 電容取100 μF時(shí)晶閘管開(kāi)通過(guò)程中電流波形

對(duì)比以上仿真結(jié)果可知，在動(dòng)態(tài)均壓電容取值為100μF時(shí)，串聯(lián)晶閘管在阻斷狀態(tài)下幾乎均分電壓。而電容取其他值時(shí)，串聯(lián)晶閘管在阻斷狀態(tài)下的電壓差值較大，串聯(lián)晶閘管中的電流值存在的差異性較小。而電容取值為100μF時(shí)，串聯(lián)晶閘管的導(dǎo)通電流恢復(fù)最為緩慢，導(dǎo)通電流的恢復(fù)速度隨著電容值的減小而變快。由此可見(jiàn)，動(dòng)態(tài)均壓電容在允許范圍內(nèi)的合理取值有益于串聯(lián)的晶閘管兩端電壓接近，流過(guò)的電流趨于一致，均壓效果顯著。

3.2 動(dòng)態(tài)均壓電路中電阻的影響

仍設(shè)兩個(gè)晶閘管觸發(fā)同步，但射結(jié)短路電阻阻值不同(其中V1>V2)，當(dāng)動(dòng)態(tài)均壓電容取100μF，動(dòng)態(tài)均壓電阻分別取值為10Ω、30Ω、100Ω時(shí)，串聯(lián)晶閘管關(guān)斷過(guò)程中的電壓仿真曲線、串聯(lián)晶閘管導(dǎo)通過(guò)程中的電流仿真曲線分別如圖14-圖19所示，圖中實(shí)線是V1的波形，虛線為V2的波形。

圖14 電阻取10 Ω時(shí)晶閘管關(guān)斷過(guò)程中電壓波形

圖15 電阻取10 Ω時(shí)晶閘管開(kāi)通過(guò)程中電流波形

圖16 電阻取30 Ω時(shí)晶閘管關(guān)斷過(guò)程中電壓波形

圖17 電阻取30 Ω時(shí)晶閘管開(kāi)通過(guò)程中電流波形

圖18 電阻取100 Ω時(shí)晶閘管關(guān)斷過(guò)程中電壓波形

圖19 電阻取100 Ω時(shí)晶閘管開(kāi)通過(guò)程中電流波形

對(duì)比以上仿真結(jié)果可知，在動(dòng)態(tài)均壓電阻取值為 10Ω時(shí)，晶閘管兩端電壓變化曲線在關(guān)斷過(guò)程中基本保持一致，在恢復(fù)阻斷狀態(tài)后的電壓值基本相等，而電阻取其他值時(shí)，晶閘管兩端電壓變化曲線同步性較差，在恢復(fù)阻斷狀態(tài)后的電壓差值相對(duì)較大。但電阻取值為10Ω時(shí)，流過(guò)串聯(lián)晶閘管的導(dǎo)通電流恢復(fù)最為緩慢，且串聯(lián)晶閘管流過(guò)的電流值存在的差異性隨著動(dòng)態(tài)均壓電阻的增大而減小。由此可見(jiàn)，動(dòng)態(tài)均壓電阻的合理取值有益于串聯(lián)晶閘管均壓，串聯(lián)晶閘管流過(guò)的電流趨于一致，使得動(dòng)態(tài)均壓達(dá)到良好的效果。

4 結(jié)語(yǔ)

在對(duì)晶閘管靜態(tài)均壓電路和動(dòng)態(tài)均壓電路分別進(jìn)行設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，基于Saber軟件仿真驗(yàn)證了帶有均壓電路的晶閘管串聯(lián)均壓的優(yōu)越性，并仿真研究了均壓電路參數(shù)對(duì)均壓效果的影響，仿真表明：動(dòng)態(tài)均壓電路的電容和電阻取值對(duì)晶閘管串聯(lián)均壓有顯著影響。均壓電路中的電容取值越大，電阻取值越小，則晶閘管在串聯(lián)時(shí)關(guān)斷過(guò)程中承受的電壓差越小。因此動(dòng)態(tài)均壓電路參數(shù)選擇的原則為：在按照式(3)計(jì)算得到的合理值域內(nèi)，可適當(dāng)選取數(shù)值較大的電容和數(shù)值較小的電阻。這樣不僅能夠抑制串聯(lián)晶閘管開(kāi)通過(guò)程中過(guò)電壓的產(chǎn)生，而且能優(yōu)化串聯(lián)晶閘管的均壓效果。

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Study of Voltage-sharing Circuit for Thyristor Series and Its Design

GUO Peng1,WANG Honghua1,FENG Jintong1，YING Xiangshun2，LI Junmin2

(1. College of Energy and Electrical Engineering , Hohai University,Nanjing 211100,China;2. Yangzhong Fengshun Electric Co.,Ltd., Yangzhong 212211,China)

The high-voltage asynchronous motor soft starter is widely used in thyristor series. One of its key techniques is the voltage-sharing of thyristor series. This paper researches on and designs the voltage-sharing circuit for thyristor series, and analyzes and simulates the relationship between voltage-sharing circuit parameters and voltage-sharing effect. The simulation results show that thyristor series voltage-sharing inequality in the process of conducting and turning off is effectively suppressed in the dynamic and static voltage-sharing circuit. The optimization of voltage-sharing circuit parameters plays an important role.

voltage-sharing of thyristor series; voltage-sharing circuit parameters; dynamic voltage-sharing circuit; static voltage-sharing circuit

郭鵬(1989-)，男，遼寧鐵嶺人，碩士研究生，研究方向?yàn)殡姍C(jī)、電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)。

TN34; TP391.9

B

1671-5276(2015)05-0159-05

2014-02-07