晶闸管电路的保护与其他控制电路

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1、晶闸管电路的保护与其他控制电路、晶闸管保护电路1、主电路中的晶闸管保护电路 晶闸管阳极、阴极两端或晶闸管电源输入端、输出端经常加设相关保护电路，以对晶闸管提供过 电压、过电流等相关保护。1）过电流保护 产生过载的主要原因：负荷过载、线路短路、电源缺相、晶闸管本身击穿损坏或误触发等，因晶 闸管元件体积小，过载时会造成结温过高而烧毁，所以必须严格限制过载电流，除控制（电子）电路实 施的保护外，在主电路中经常采用在电源串入快速熔断器，对晶闸管的过载进行保护，在发生 6 倍晶闸 管额定电流时，一个周波可以熔断。此外，还可采用过电流继电器、直流快速断路器等用于过载和短路 保护，但保护速度和效果不如快速熔

2、断器。快速熔断器的额定电流值为晶闸管电流平均值的1.251.5 倍。 下图以直流调压电路为例，说明快速熔断器在主电路中的接法。Io_1=1_IcI射摄更流册时取联図法（Q拦1流制买护图 1 快速熔断器在晶闸管主电路中的接法2）过电压保护产生过电压的原因一般因感性负载电路的开闭、电源电压波动、快速熔断器熔断、电源侧侵入的 浪涌电压等，针对形成过电压的不同原因，可采取不同的抑制方法，如抑制过电压能量的上升速率、增 加其能量的耗散等，目前最常用的是中主电路回路中接入吸收能量的元件，使能量得以耗散，称之为吸 收回路或缓冲电路。通常过电压具有较高的频率，因此常采用电容作为吸收元件，但为防止振荡，增加阻尼

3、电阻，构 成 R、 C 吸收回路。阻容吸收回路可以接在电源输入侧（交流侧）、输出侧（直流侧）和晶闸管的阳极 和阴极之间。但R、C阻容吸收回路的时间常数是固定的，对时间短、峰值高、能量大的过电压吸收能 力有限，因而在输入侧，通常还并有硒堆、压敏电阻等非线性元件，用以对晶闸管的过电压进行吸收。 硒堆由多片硒片叠合而成，硒堆涌流容量大，对过电压抵制效果好，有自恢复特性等优点，但因体积大， 价格高，在中、小容量的晶闸管装置中，已经很少应用。压敏电阻的电压与电流呈非线性关系，当其两端所加电压低于压敏电压值时，压敏电阻的电阻值 接近无穷大，为高阻状态，对连接电路没有影响；当压敏电阻两端电压高于压敏电压值时

4、，迅速击穿导 通（变为低阻状态），形成较大的泄放电流。当其端电压因泄放又低于压敏电压值时，又恢复为高阻态。当其两端电压超过最大限制电压时，压敏电阻出现不可逆性击穿损坏。压敏电阻在电路中起到过电压保 护、抑制浪涌电流、吸收尖峰电压、电压限幅、稳压等作用。图2中的a电路，是并联在晶闸管阳极和阴极之间的RC吸收回路，对晶闸管两端的电压跃变产生 抑制作用，降低闸管元件在换向时承受的过电压冲击。其“瞬升”电压尖刺为电容C所吸收，电阻R 为防止振荡出现的阻尼电阻。电容C的耐电压值,取回路电压的1.5倍左右,C的容量值在晶闸管通态平均电流值20A200A时,取值O.lyF0.5yF, R取值100Q10Q，

5、功率1W3W。a、在晶闸管端并联RC吸收回路UVWc、交侧的压敏电阻 W各图 2 晶闸管过电压保护电路图 2 中 b 电路，是在晶闸管两端并联压敏电阻，以吸收突变电压能量，使用压敏电阻需注意两个 参数：1）压敏电压：即击穿电压或阀值电压，其范围从109000V不等。用于单相220V时，其正弦波 电压最大值约300V，需采用压敏电压值为470V的压敏电阻器件，用于吸收470V左右的尖峰电压；用 于三相380V回路，因电源电压的最大值为500V左右，需采用压敏电压值为800V左右的压敏电阻， 吸收回路中可能产生的异常尖峰电压。压敏电压值的选用标准，应为回路电压的1.2倍以上，用于交流回路时，应取交

6、流峰值（最大值）电压的 1.2倍以上。2）流通容量：流通容量的范围为220kA，指压敏电阻两端的电压变化不超过10%，在820盟 内施加的峰值电流值。从保护效果出发，选用流通容量大一些的器件交流较好，多只并联使用，其流通 容量增大，使击穿时的泄放电流值上升。图2的c电路，当压敏电阻并接于L1、L2、L3电源线上时，应选用MYG14k821 （压敏电压值820V、 流通容量14kA）型的压敏电阻器件；当压敏电阻进行星接时，可选用MYG14K471 （压敏电压值470V、流通容量14kA）型的压敏电阻器件。表 1 常用部分压敏电阻器件的型号和参数：型号最大连续工作电压压敏电压最大限制电压通流容量（

7、8/20US）最大能量（J）额定功率电容量AC(V)DC(V)VO.lmAVp(V)lp(A)1次2次10/1000US2ms(W)1KH Z(pF)MYG-32D391K250320390(351-429)65020025000200003303200MYG-32D471K300385470(423-517)77520025000200003802800MYG-32D511K320415510(459-561)84520025000200004302700MYG-32D621K385505620(558-682)102520025000200004702400MYG-32D681K42056

8、0680(612-748)112020025000200004952200MYG-32D751K460615750(657-825)124020025000200005202000MYG-32D781K485640780(702-858)129020025000200005501900MYG-32D821K510670820(738-902)135520025000200005801800MYG-32D911K550745910(819-1001)150020025000200006201300MYG-32D951K575765950(855-1045)15702002500020000650

9、1200MYG-32D102K6258251000(900-1100)165020025000200006851100MYG-32D112K6808951100(990-1210)181520025000200007501000MYG-40D210K130170200(185-225)39525040000250003108400MYG-40D241K150200240(216-264)45525040000250003608000MYG-40D271K175225270(243-297)55025040000250003907600MYG-40D331K210275330(297-363)5

10、9525040000250004606700MYG-40D361K230300360(324-396)65025040000250004756200MYG-40D391K250320390(351-429)71025040000250004905100MYG-40D431K275350430(387-473)77525040000250005504900MYG-40D471K300385470(423-517)84525040000250006004300MYG-40D511K320415510(459-561)102525040000250006404200MYG-40D621K385505

11、620(558-682)112025040000250007203800MYG-40D681K420560680(612-748)124025040000250007503500MYG-40D751K460615750(675-825)129025040000250007803200MYG-40D781K485640780(702-858)135525040000250008203000MYG-40D821K510670820(738-902)1500250400002500090029002、控制电路中的电流、电压信号检测和停机保护电路一台完善的晶闸管调压设备，不仅能完成交、直流调压控制的任

12、务，其故障检测与保护功能往往也是比较完善的。成熟的交、直流调压装置，是集调压控制与保护功能于一体的。L1L2L3TAITA2TA3晶闸管主电路输出端电流、 电压检测电路负载电路电流检测与过流故障信号缺相故障信号形成电路_缺相故障信号、输入电源的 过电压、欠电压故障信号电路?停机信号电路电路 电流显示、电压显示图 3 晶闸管调压装置的电子保护电路用 3 只电流互感器取得电流信号和过载保护信号，是最基本的和较为常见的一个方法。由TA1TA3等3只电流互感器，取出三相工作电流信号，即可形成过载、短路和缺相等故障保护信号，而且采集电流信号作为缺相故障的判断，比采集电压信号更为准确和合理，不仅能反映电源

13、的缺 相，还能反映出负载电动机的绕组有否缺相故障。检测到的电流信号和由电流信号形成的故障信号，送 往后级电路，除用作运行（起动）电流显示，故障显示外，还向移相触发电路，输送故障时的停机保护 信号，使主电路晶闸管在故障发生后处于可靠的关断状态。有些设备还增设了输入电源检测电路，由隔离变压器、光耦合器或由电阻衰减直接引入三相电源 电压信号，并由检测信号产生电源缺相故障信号，和输入电源电压的过电压、欠电压信号，送入后级电 压显示、故障显示和停机信号电路，故障时关断晶闸管。部分设备的电路，还从主电路输出端，取出电流/电压反馈信号，除用于形成电流环/电压环的闭环 控制外，电流/电压反馈信号，还用于输出电

14、流/电压值的显示和故障报警停机信号。控制电路中的电流、电压信号检测和停机保护电路，在本书后续几章，有针对电路实例的详尽讲解， 请参阅本书后文。二、 相序及功率因数角检测电路晶闸管交、直流调压装置中，有时还需要另两个检测电路，即相序检测电路和功率因数角检测电 路，前者往往和输入电压检测（缺相检测）电路合为一体，后者则需取用电源电压和电源电流两个检测 量。1、三相电源相序检测电路用数字技术生成三相移相触发脉冲时，触发脉冲是严格按一种相序形式正相序或反相序 输出的，接入电源相序必须与输出相序相对应；采用三相步同步变压器采集同步脉冲信号，也必须接正 相序接入三相电源，以形成正确的同步信号，为控制电路取

15、用。两类移相触发电路，都需要增设相序检 测电路，在接入电压相序不符合要求时，能输出相序错误信号（相序错误指示），提示操作者，改变接 入相序，使设备得以正常运行。相序检测电路一般由模拟或数字电路来完成，个别机型，将电源电压采 样信号，输入微控制器，由软件方法生成相序检测信号图 4 三相电源相序检测电路与三相电源波形图图 4 的输入信号为三相同步变压器二次绕组输出的同步信号电压，经电阻 R1R3 降压，稳压管DW1DW3 削波成梯形波电压，输入到由 1N1 组成的与非门电路和 1N2、 1N3 组成的反相器电路的输 入端，输出信号驱动由二极管D1D3组成的或门电路。当三相电源为正相序输入时，每相电

16、压相位均 滞后 120， D1D3 的负端电位不会出现同时为高电平的时刻， 3 只二极管总有12 只处于导通状态， 使 D4 正端电压为地电平，“反相器”电路 1N4 输出主电平， LED1 指示灯点亮，指示相序正确；当三 相电源为反相序输出时，一个周期内出现D1D3负端时为高电平的时段（3只二极管有同时处于反向 截止状态的时刻），形成由+15V经R5、D4向C2的充电回路，使1N4 “反相器”输入端变为高电平， 输出端变为低电平， LED1 指示灯熄灭，报出相序错误故障。2、功率因数角的检测电路 由晶闸管主电路构成的三相交流调压器，在用于节电运行时，需检测电网侧的功率因数角，控制 负载电动机

17、的端电压，达到节能目的。这类设备通常设有功率因数角检测电路，又称为鉴相电路，用于 回路中电压和电流的相位差。因感性负载电路中的电压和电流存在着相位差，功率因数越低时，二者的 相位差也越大。简单的功率因数角检测电路，是将某一相（如A相）的电流和电压检测信号取出，比 较两者的相位差，输出结果即表征着功率因数角的大小。电路实例另文介绍。三、晶闸管开环与闭环控制系统晶闸管交、直流调压装置，移相触发电路是基本电路，各种检测和故障保护电路是辅助电路之一， 决定着控制功能的 PI 电路等为辅助电路之二，装置的功能完善与否和质量档次的高低，更多地取决于 辅助电路的完善程度。简易一些的交、直流调压设备，一般为开

18、环控制系统，输出电压（负载速度）按给定信号变化， 输入、输出端不存在反馈环节，输出量对控制不产生影响，因而输出电压（速度）随负载或电源电压变 化产生波动，运行不够稳定。将输出信号以一定方式返回到作为控制的输入端，并对输入端施加控制影响的一种控制关 系；按一定比例取出输出信号回馈到输入端并参与对输出端的再控制，这种目的是通过反馈来 实现的。即输出量回馈到输入端后，与输入量进行加减的统一性整合后，作为新的控制输出，去进一步控制输出量。这种控制方式，称为闭环控制方式。闭环控制，分为比例（P）控制、积分（I）控制和微分（D）控制，据控制的完善程度不同，可以 采用单一比例控制或PID组合控制，较常用的控

19、制方式为PI控制。1、比例控制电路图 5 比例控制电路的基本形式上图电路，电位器 RP1 为电压给定电位器，其调节后的电压输出为“目标电压值”，希望晶闸管交、 直流调压装置，能按 RP1 的设置，输出相应电压值；从电压输出端，经取样变压器或电阻网络或由测 速发电机取出反馈电压信号，电位器 RP2 为反馈量调节电位器，即调节反馈信号的比例值，使输出电 压在最低值和全压值的整个范围内，都能受反馈信号的控制。调整RP2，可使反馈（比例）量有一个适 宜的范围。事实上，电压给定信号与反馈电压信号，二者的合成信号，才形成了输出电压的控制信号，输入 至后级移相触发电路，用以控制晶闸管的导通角，使之按预设值输

20、出。一般而言，上图电路完成对输出电压的调压和稳压控制，反馈电压信号与给定信号，二者呈相减 关系，若 RP1 给定电压为正值，则反馈电压输入信号即应为负值，两个信号的电压极性是相反的。反 馈信号总是对给定信号起到削弱和衰减作用，是负反馈信号，起到使输出电压“稳定不变”的作用。反 馈值肯定要小于给定值，即以一定的比例影响控制信号的大小。控制过程如下：当因电源电压上升，或负载变轻引起输出电压上升时，反馈电压信号也上升，与 给定信号相抵消，使控制信号电压下降，输出电压变低。反之控制过程使输出电压上升。完成了稳压控 制。但有些场合，也用到正反馈信号，实现比例控制，如有时为使输出电压稳定，采用正反馈输出电

21、 流信号，具体电路请参阅第四章中的电路实例。图 5 的基本比例控制电路，有时又经后级比例放大器电路，进一步进行放大（调整控制信号的输 出范围）后，或再与其它反馈信号混合、进行积分处理后，再送入移相触发电路，作为主电路晶闸管的 移相角度控制信号。2、积分电路和微分电路 比例控制是一个“硬性”控制，容易存在稳态误差，引入积分的“柔性”控制，以一定的时间逐 渐消除控制误差，能弥补比例控制的不足。此外，温度控制系统中，发热元件与感温元件都为较大的惰 性滞后效应，当给定温度下降信号时，实际上由于热惰性的存在，还须经历一个温升过程，温度才 开始下降。解决的办法是使控制作用超前，提前实现超调，以应对热元件的

22、惰性，这就要用到微分控制。 实际控制电路中，常采用运算放大器，来完成信号积分和微分任务。积分电路：输出电压与输入电压的时间积分成正比的电路；微分电路：输出电压与输入电压的变 化率成正比。ttt0 t1uotta、积分电路及工作波形b微分电路及工作波形图 6 积分、微分电路及工作波形图上图a电路为基本积分电路，R1、C的时间常数输入信号的时间周期，积发电容产生一个 较为缓慢的充（放）电过程。当输入阶跃信号时，因 R1、 C 积分作用，使输出量产生一个渐变 过程，积分电路对信号瞬变（上升沿）不作反应，对信号的“面积（宽度变化） ”作出反应，改 变 R1、 C 的值可改变输出信号的斜率。积分电路用于

23、对输入信号的“柔化处理” ，作用时间长。将电路中R1和C的位置倒换一下，即变成图b微分电路，R1、C时间常数V输入信号的时 间周期，微分电容的充（放）异常短促。当输入阶跃信号时，微分电路仅对信号的急剧变化部 分（信号的上升沿和下降沿）作出反应，输出相对信号上、下沿的两个微分脉冲。微分电路用 于对输入信号的突变部分作出“快速过冲反应” ，作用时间短。实际控制电路中，积分和微分控制，并非单独应用，而是与比例控制合为一体，都是对比 例控制的补充。3、 PI 控制电路+5V4RPU电压给定R1* 10kR2 10kC18u20k-15VV1/V2:4007FT反馈电压R410kR3 10kC20.47

24、u+5V1RP3+15V10k T 4-R8输出限幅V34148Vout0-5V33kL C3R6L 12.2u5.6k rR7L500R LR5RP24.7k图 7 PI 控制电路上图为PI控制电路的一个示例，运算放大器1N，即构成比例（P ）放大器,又同时构成积调节后给出，加到 1N 放大器分放大器，身兼双职。 05V 的电压（极性为正）给定信号，由 RP1的同相端，反馈电压信号（电压极性也为正）经R3、 C2、 R4 滤除干扰后输入 1N 的反相端， 1N对两路信号差分比较和放大的结果，使反馈电压按一定比例抵消给定电压的信号幅度，完成比例控制任务。当输出电压升高一反馈电压升高一 制。电压

25、给定信号和反馈电压信号也同时输入由Vout 输出信号幅度降低，为电压负反馈闭环控R5、 C3、 RP2 等元件与 1N 放大器构成的积分放大电路，调节RP2，可调整积分时间常数。当输入信号出现阶跃动作时，因电路的积分作用，Vout 输出信号按一定时间斜率变化，最后稳定在给定信号与反馈电压的差分放大值上。为与后级信号电路相匹配，在控制信号输出端增设了输出电压限幅电路。如后级要求输入 信号范围为 05V 时，可调节 RP3 使活动臂电压为 4.5V 左右，则 Vout 输出信号电压高于 5V 时 二极管 V3 正向导通，将 Vout 输出信号电压嵌位于 5V 左右。本文只给出 PI 控制电路的基本原理介绍，以提供原理性的铺垫，对于微控制器构成的控制系统来说，PID 控制也可能是用软件程序方法来实现的。旷野之雪2011 年 3 月 31 日