晶閘管在電力穩(wěn)壓器中的應(yīng)用

The Use of Thyristor in Power Voltage Regulator

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摘要：在所研制的新型無(wú)觸點(diǎn)電力穩(wěn)壓器中，采用晶閘管作為開關(guān)器件。文中介紹該系統(tǒng)基本工作原理，詳細(xì)分析晶閘管在使用過(guò)程中存在的一些問(wèn)題及解決方法。

Abstract： Use the thyristor as switch devices in researched and produced new type contactless power stabilized voltage supply.The paper introduced this systematic fundament of the work,analyed in detail some problems in operation and their solutions.

關(guān)鍵詞：穩(wěn)壓器晶閘管使用問(wèn)題Keywords:Stabilized voltage supply， Thyristor， Problems in operation

1引言

　　目前流行的電力穩(wěn)壓器大多采用伺服電機(jī)帶動(dòng)炭刷移動(dòng)調(diào)整電壓。它具有整機(jī)效率高、輸出波形好、電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但由于有炭刷和機(jī)械傳動(dòng)造成其工作壽命短、響應(yīng)速度慢待等問(wèn)題。用“無(wú)觸點(diǎn)”取代“炭刷”是目前大功率電力穩(wěn)壓器的發(fā)展方向。所說(shuō)的“無(wú)觸點(diǎn)”是指主電路中的交流開關(guān)采用如晶閘管之類的器件，利用微電腦邏輯控制進(jìn)行調(diào)壓。用無(wú)觸點(diǎn)控制取代伺服電機(jī)及炭刷進(jìn)行調(diào)壓，從而延長(zhǎng)使用壽命、加快響應(yīng)速度、提高可靠性。

2系統(tǒng)基本原理

　　穩(wěn)壓器由主電路、8031單片機(jī)、檢測(cè)電路、控制電路、驅(qū)動(dòng)及報(bào)警接口電路等單元構(gòu)成。如圖1所示。

圖中各電壓相量有如下關(guān)系：

圖1穩(wěn)壓原理圖

i=△＋o

　　由圖1可見，通過(guò)電腦控制的電壓采樣電路檢測(cè)出需要補(bǔ)償?shù)碾妷骸鱑，由控制系統(tǒng)改變雙向晶閘管S1～S6的導(dǎo)通組合來(lái)補(bǔ)償輸入電壓（Ui）或者負(fù)載變化，使穩(wěn)壓器的輸出電壓（Uo）保持穩(wěn)定，從而達(dá)到穩(wěn)壓的目的。為使操作、維護(hù)簡(jiǎn)單易行，充分利用微電腦功能強(qiáng)大的特點(diǎn)，設(shè)置了完善的自檢功能。

3晶閘管應(yīng)用中幾點(diǎn)值得注意的問(wèn)題

3.1觸發(fā)驅(qū)動(dòng)問(wèn)題

　　晶閘管作為開關(guān)器件，當(dāng)觸發(fā)脈沖的持續(xù)時(shí)間較短時(shí)，脈沖幅度必須相應(yīng)增加，同時(shí)脈沖寬度也取決于陽(yáng)極電流達(dá)到擎住電流的時(shí)間。在本系統(tǒng)中，由于感性負(fù)載的存在，陽(yáng)極電流上升率低，若不施加寬脈沖觸發(fā)，則晶閘管往往不能維持導(dǎo)通狀態(tài)?？紤]負(fù)載是強(qiáng)感性的情況，本系統(tǒng)采用高電平觸發(fā)，其缺點(diǎn)是晶閘管損耗過(guò)大。

3.2晶閘管阻斷問(wèn)題

　　晶閘管是一種開關(guān)器件，應(yīng)用過(guò)程中，影響關(guān)斷時(shí)間的因素有結(jié)溫、通態(tài)電流及其下降率、反向恢復(fù)電流下降率、反向電壓及正向dv/dt值等。其中以結(jié)溫及反向電壓影響最大，結(jié)溫愈高，關(guān)斷時(shí)間愈長(zhǎng)；反壓越高，關(guān)斷時(shí)間愈短。

在系統(tǒng)中，由于感性負(fù)載的存在，在換流時(shí)，電感兩端會(huì)產(chǎn)生很大的反電勢(shì)。這個(gè)異常電壓加在晶閘管兩端，容易引起晶閘管損壞。為了防止這種情況，通常采用浪涌電壓吸收電路。

3.3dv/dtdi/dt效應(yīng)問(wèn)題

　　晶閘管的斷態(tài)電壓臨界上升率dv/dt較大的時(shí)候，有可能在比它的正向轉(zhuǎn)折電壓低得很多的電壓下導(dǎo)通。如果電路上的dv/dt超過(guò)器件允許的dv/dt值時(shí)，晶閘管就會(huì)誤導(dǎo)通而失去阻斷能力。在應(yīng)用電路中，將晶閘管的門極通過(guò)電阻與陰極相連，從外部將位移電流旁路掉，以防止dv/dt引起的誤導(dǎo)通。

di/dt過(guò)大容易造成晶閘管擊穿，在電路中采用前沿陡的高電平觸發(fā)以增大初始導(dǎo)通面積，從而改善di/dt容量。

由于dv/dt過(guò)大引起的誤導(dǎo)通和di/dt過(guò)大引起的晶閘管擊穿現(xiàn)象，其后果是十分嚴(yán)重的。通過(guò)原理電路可以看出，這種情況的出現(xiàn)會(huì)使變壓器短路而產(chǎn)生“環(huán)流”，造成晶閘管甚至變壓器的損壞。在電路設(shè)計(jì)中，采用可靠的晶閘管通斷檢測(cè)措施，避免這種現(xiàn)象的發(fā)生。

3.4過(guò)電壓、過(guò)電流保護(hù)措施

　　過(guò)電壓的產(chǎn)生，主要有以下原因：

（1）變壓器投入時(shí)的浪涌電壓；

（2）變壓器抽頭轉(zhuǎn)換時(shí)產(chǎn)生的浪涌電壓；

（3）雷擊侵入時(shí)的浪涌電壓；

（4）直流回路斷開時(shí)產(chǎn)生的浪涌電壓。

　　在電路中，加入浪涌吸收器可以吸收變壓器一次系統(tǒng)電磁轉(zhuǎn)移而侵入的浪涌電壓，同時(shí)還能吸收變壓器通斷時(shí)產(chǎn)生的磁能。為避免雷擊侵入產(chǎn)生的浪涌電壓，可采用半導(dǎo)體避雷器。

　　消除環(huán)流是該穩(wěn)壓器的一大關(guān)鍵問(wèn)題，為了解決這一難題，我們采取了如下技術(shù)措施：

　?。?）確保晶閘管的觸發(fā)信號(hào)可靠。利用軟件濾波程序使輸出觸發(fā)控制信號(hào)每組只有一個(gè)有效，其次利用74LS273和研制的防環(huán)流邏輯電路（PAL16V8），以確保即使單片機(jī)失控的情況下也不會(huì)出現(xiàn)誤觸發(fā)。另外，觸發(fā)信號(hào)引線采用屏蔽線等措施，防止干擾。

　?。?）確保轉(zhuǎn)換可靠。在正常工作時(shí)，經(jīng)常要改變補(bǔ)償電壓的大小，即要調(diào)整晶閘管的導(dǎo)通組合，如：使S1導(dǎo)通換為S2導(dǎo)通，則必須在關(guān)斷S1的同時(shí)給S2觸發(fā)控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)晶閘管的轉(zhuǎn)換。如果轉(zhuǎn)換的時(shí)機(jī)或者組合不當(dāng)就會(huì)形成環(huán)流，損壞晶閘管。在設(shè)計(jì)中采用了零點(diǎn)切換技術(shù)，即在電流過(guò)零時(shí)讓S1自然關(guān)斷，同時(shí)觸發(fā)S2使其導(dǎo)通。由此可見，在轉(zhuǎn)換過(guò)程中最關(guān)鍵的是準(zhǔn)確檢測(cè)電流過(guò)零信號(hào)。為此，采取軟、硬件結(jié)合及互鎖技術(shù)，確保過(guò)零信號(hào)的準(zhǔn)確無(wú)誤。實(shí)際運(yùn)行表明：上述技術(shù)成功地解決了環(huán)流問(wèn)題。

3.5感性負(fù)載的影響

　　由于感性負(fù)載的存在，應(yīng)考慮加大觸發(fā)脈沖寬度，否則晶閘管在陽(yáng)極電流達(dá)到擎住電流之前，觸發(fā)信號(hào)減弱，可能會(huì)造成晶閘管不能正常導(dǎo)通。在關(guān)斷時(shí)，感性負(fù)載也會(huì)給晶閘管造成一些問(wèn)題。

　　在實(shí)際系統(tǒng)中，采用高電平觸發(fā)，以確保晶閘管可靠導(dǎo)通。為保證晶閘管轉(zhuǎn)換過(guò)程中不產(chǎn)生關(guān)斷失敗現(xiàn)象，采用可靠的互鎖技術(shù)，以確保晶閘管不損壞。

3.6過(guò)零開關(guān)技術(shù)

　　在調(diào)壓過(guò)程中，通過(guò)過(guò)零檢測(cè)技術(shù)來(lái)控制晶閘管門極觸發(fā)信號(hào)，保證其過(guò)零時(shí)通斷，避免調(diào)壓過(guò)程中由于晶閘管開關(guān)對(duì)電網(wǎng)造成的污染。

4結(jié)語(yǔ)

　　由于采取一系列技術(shù)措施解決了晶閘管應(yīng)用過(guò)程中存在的問(wèn)題，使這種電源在技術(shù)上十分成熟。我們研制的這種電源已于1995年通過(guò)了有關(guān)部門組織的技術(shù)鑒定，現(xiàn)已投入批量生產(chǎn)。

參考文獻(xiàn)

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2沈耀忠，任志純．半導(dǎo)體開關(guān)元件原理及應(yīng)用．電子工業(yè)出版社，1996.6