半导体变流技术与可控硅整流装置原理.doc

半导体变流技术与可控硅整流装置
一. 概述
半导体变流技术是近代工业发展到半导体时代最典型的技术之一，他不仅在发电机励磁系统方面得到广泛的应用，在冶金、化工、机械制造、交通运输等各方面都得到广泛的应用。可以说，现代生活、生产无处不存在变流技术。
半导体变流技术是现代励磁系统最基本的技术之一。在发电机励磁系统上他不仅取代了传统的直流励磁机，而且在励磁调节方面取代了传统的磁放大器、相复励变压器和整流器，甚至在灭磁方面也部分取代了磁场断路器和灭磁电阻的作用。现代发电机励磁系统中，从电源的变换到发电机励磁能量的提供，无处不存在变流技术的应用。
本课程主要就半导体变流技术的几种典型应用和具体电路进行分析，同时介绍能达公司生产的STR系列整流装置的基本性能和技术指标。另外还利用一定的篇幅根据整流装置在现场的应用介绍一些装置的故障判断和处理方法。希望通过本课程能够对本公司生产人员在变流技术方面提供一定的帮助。

二. 变流技术的种类
根据变流技术的应用和具体电路，我们将变流技术分成如下几类：
单相半波整流
单相全波整流 不可控整流
单相桥式整流
单相整流
单相半波可控整流
单相桥式半控整流 可控整流
单相桥式全控整流 半导体变流

三相零式整流 不可控整流
三相桥式整流 三相整流
三相半控桥 可控整流
三相全控桥
上面的分类只是按照应用最多的情况进行的分类，实际应用中远较上面的要多。比如六相整流、十二相整流等等。由于这些电路在励磁系统中应用的较少，我们在分类时就没有将他们列入。实际上，在早期的模拟式自动励磁调节器的电压测量回路中，为了保证测量电压的纹波系数，六相和十二相整流电路应用的还是很普遍的，只是现代微机励磁调节器采用交流电压采样方式以后，对测量电压的纹波要求相对降低了而不怎么采用了。

三. 单相整流电路
3.1单相半波整流电路
单相半波整流电路接线图及波形图见图一
单相半波整流是半导体变流技术中最基本的电路。他是利用半导体二极管的单向导电性，将交流电转换为直流电最基本的方法。由于二极管的单向导电性，变压器二次电压只有正方向电流才能够通过二极管而施加到负载上，而负方向由于二极管的阻断作用而不能施加到负载上，因此，负载上获得的平均电压仅为变压器二次电压的一半。由于存在二极管导通压降和变压器二次绕组的压降，故电路中：

由于在电路的输出侧装有滤波电容器，负载上的最高电压将可以达到变压器二次电压的峰值电压，即；同时，由于电容器的放电作用，在变压器二次电压下降时，负载上的电压并不随二次电压下降而下降，而是由电容器的放电曲线所决定。单相半波整流电路的波形图见图一（b）。图中：兰色曲线为变压器二次电压，红色曲线为无滤波电容器时的整流输出电压，棕色曲线为有滤波电容器时负载上的电压。
当整流二极管换为可控硅，电路变化为可控单相整流电路时，负载上的平均整流电压由： 决定。
式中：U2——变压器二次绕组电压的有效值；
α——移相角。
由式可以看出，当α改变时，负载上获得的平均整流电压会有不同的值。

3.2 单相全波整流
单相全波整流电路接线图及波形图见图2。
在变压器副边电压的正半周，二极管D1处于正向偏置而D2处于反向偏置状态，D1在正向电压的作用下导通，D2在反向电压的作用下截止，负载上获得e21电压；在变压器副边电压的负半周，二极管D1处于反向偏置状态，而D2处于正向偏置状态，D2在正向电压的作用下导通，D1在反向电压的作用下截止，负载上获得e22电压。负载上的电压波形如图2b中棕色曲线。
与单相半波整流电路相比，全波整流的输出要多一个波，因此，输出电压也较半波要高一倍，故： Ud=0.9U2
与单相半波一样，在有滤波电容器时，负载上的最高电压为变压器二次电压的峰值，使用中应当特别注意。

3.3单相桥式整流
单相桥式整流是实际应用最多的单相整流电路。电路接线见图3。在电路中，四只整流管组成桥式整流。在变压器二次电压的正半周，电流通过D1→Rfz→D2→W2形成通路，而在负半周，电流通过D3→Rfz→D4→W2形成通路，负载上电压波形见图3（b）棕色曲线。与全波整流一样，桥式整流电路的平均输出电压：
Ud=0.9U2
当有滤波电容器时，负载上的最高电压为变压器二次电压的峰值。

当整流管换为可控硅时，桥式整流可以很方便地变换为可控整流。单相桥式可控整流电路的输出电压由： 决定。
当可控整流桥接入感性负载时，由于电感电流不能突变，在可控硅关断期内，必须在负载两端接入续流二极管以保持电感电流的通路，以防止可控硅关断时在电感负载两端产生危险的过电压和可控硅能够换相导通。

四. 三相整流电路
三相整流电路是励磁系统最基本的变流技术之一。现代发电机自励励磁系统几乎全部采用三相整流电路来解决励磁系统的功率部分。根据应用场合的不同，三相整流电路分为三相零式、三相半控桥、三相全控桥、多相整流等多种电路形式。三相整流不仅输出波形的纹波小，而且输出电压等级高、电流大，特别适合于大功率整流的场合。

4.1三相零式（半波）整流
三相零式整流是多相整流电路的基础电路，可以说，其他多相整流电路是三相零式整流电路的叠加，掌握这一部分是解决其他多相整流电路的基础应当引起足够的重视。三相零式整流电路的接线图和波形图见图4。
由图4可以看出，在ωt1~ωt2时段，u2a为正，u2b、u2c均低于u2a ，D1受正向电压而导通，D2、D3元件关断；在ωt2~ωt3时段，u2b电压上升u2a下降，而u2c则处于最低电压，故D2导通，D1、D3关断；在ωt2~ωt3时段，u2c上升为最高值，其他两相电压则下降到较低的值，故此时轮换到D3导通而D1、D2关断。负载上获得的电压如图4b中兰线所示波形。整流电压Ud与变压器二次电压的关系有：Ud=1.17U2
当整流元件换为可控硅时，整流电压Ud与变压器二次电压的关系有：Ud=1.17U2cosα
负载上的电流与变压器二次绕组间电流关系有：I2=0.59Id
负载功率与变压器容量的关系有：
这里需要说明，当可控整流电路的负载为电感元件时，要注意在电感两端并联续流二极管，以保持电流的连续通路和可控硅的可靠换相。

上面的半波整流电路称为共阴极三相零式电路，他的输出为正电压。在实际应用中，为了获得负电压，可以将整流元件的阳极作为公共极而输出，称为共阳极三相零式电路。电路的分析方法与共阴极三相零式电路一样，只是要注意电压的极性应相反。
从前面的分析可知，三相零式整流只是利用了变压器二次电压的相电压，相对利用变压器二次线电压的三相全波整流来说输出电压也较低。此种方式在冶金系统用的更多一些，而在电力系统应用较少。
共阴极电路和共阳极电路组合以后，可以形成具有正、负极性输出的整流电源，也可以提高整流输出电压。

4.2 三相桥式整流
三相桥式整流是电力系统特别是发电机励磁系统应用最多的方式。在三相桥式整流方式下，他充分利用了变压器的二次线电压，不仅提高了整流装置的输出电压水平，还大大降低了整流变压器的二次电流和损耗。
三相桥式整流的电路图和波形图见图5。
与三相零式整流电路不同的是，三相桥式整流是以线电压为基础进行分析的。如图所示，在ωt1~ωt2区间，D1、D6承受的电压最高，电流通过a→D1→Rfz→D6→b→变压器a、b相副绕组形成闭环通路；在ωt2~ωt3区间，D1、D2承受的电压最高，电流通过a→D1→Rfz→D2→c→变压器a、c相绕组形成闭环通路，整流元件D6、D2在ωt2点换相；在ωt3点，a相电压下降而b相电压上升且高于a相电压，电流由D1换到D3，在ωt3~ωt4区段形成D3→Rfz→D2→变压器b、c相绕组的闭环通路；在ωt4点，再次由D2换流到D4，在ωt4~ωt5区段形成D3→Rfz→D4→变压器b、a相绕组的闭环通路；以下类推。负载上的电压波形见图5b兰色曲线。三相整流元件的导通换流顺序如下：
D1D6→D1D2→D3D2→D3D4→D5D4→D5D6→

三相桥式整流电路的整流电压与变压器二次电压的关系为：
式中：U2L——整流变压器二次线电压
三相桥式整流电路的整流输出电流与变压器二次绕组电流的关系为：
变压器与整流功率的关系为：
4.3 三相半控桥式整流
三相半控桥式整流是在三相桥式整流电路的基础上，改变其中一组整流元件为可控硅的整流电路。电路的工作原理与三相桥式整流电路完全一样，所不同的是使用可控硅以后，整流元件的换流不是在自然换流点，而是在触发点换流。电路接线图及换流情况见图6。
三相半控桥式整流电路在控制角为00时的输出波形与三相半波整流时完全一致；控制角在00≤α≤600范围内，每个周波有6个波头，而在600≤α≤1800范围内，每个周期只有三个波头，且波形之间有间距；α=600时波形刚好连续。α＜600时每个周期的六个波头中三个相互间隔的波头为可控波，三个间隔的波头为二极管整流波。结合前面对三相整流桥的分析可以看出：
1）α=00时，三相半控桥的输出和波形与三相整流桥的波形完全一致。
2）α≤600时，三相半控桥波形为六个连续波；α＞600时只有三个波且不连续，其整流电压与变压器副绕组之间的关系为：

由于三相半控桥在α为不同角度时输出波形有较大的区别，因此，整流电压与变压器二次电压不能维持一个固定的比例关系。α=00时，；α=900时，。
3）通过整流元件和变压器二次绕组的电流由于α角的不同而有较大的差别，他需要按α角的区段进行分析。
⑴在00≤α≤600区段内波形连续的情况下，通过整流元件的电流为：

因
故
⑵在00≤α≤600区段内波形连续的情况下，通过变压器副绕组的电流：

将代入式中，得：

⑶在600≤α≤1800区段内波形不连续的情况下，通过整流元件的电流为：

则：
⑷在600≤α≤1800区段内波形不连续的情况下，通过变压器副绕组的电流为：

将IM代入式中得：

4.4三相全控桥整流电路
三相全控桥整流电路是发电机自并励励磁系统应用最多的电路。尤其是三相全控桥能够在α＞900的情况下实现无源逆变，使此种整流方式得到非常广泛的应用。三相全控桥整流电路的电路图和波形图见图7。

4.4.1 三相全控整流桥的工作状态
通过前面对三相半控整流桥的分析知道：三相半控整流桥在α=00时与三相整流电路的工作状态完全一样，而在其他控制角下工作时具有不同的工作状态。三相全控桥也具有相同的性质，与半控桥不同的是，当全控桥带感性负载工作时，在00≤α≤900区段内表现为整流状态，而在900≤α≤1800区段内表现为逆变状态。
在00≤α≤900区段内，由于整流输出正电压高于负电压，输出电压的平均值表现为正电压，习惯上称整流输出或整流状态；900≤α≤1800区段内，由于整流输出正电压低于负电压，输出电压的平均值表现为负电压，习惯上称逆变输出或逆变状态。而控制角为900时由于整流电压等于逆变电压，故输出电压为零。下面以控制角900为例介绍感性负载下三相全控桥的工作状态和波形。
整流元件的工作和换流过程与其他三相整流电路一样，这里不详细介绍。由图可以看出，当控制角为900时，共阳极组的输出电压波形与功阴极组的输出电压波形一致而电压方向相反，他们叠加以后呈现的总输出电压：ud=ud++ud-。
实际上，无论在任何控制角下，感性负载都会存在反电压，只是在控制角＜900时正输出表现的高一些，使得总输出电压呈现为正电压状态，而在控制角＞＜900时正输出表现的低一些，使得总输出电压呈现为负电压状态。三相全控桥的输出电压与变压器二次绕组电压的关系有：
或
整流输出电流与变压器二次绕组电流的关系有：

变压器容量与朝露功率的关系为：

4.4.2 三相半控桥与三相全控桥的区别
由于三相半控桥采用了三只不可控整流元件，因此，三相半控桥与三相全控桥存在一定的区别。
1）对触发脉冲的要求。对于三相全控桥要求有不小于600的宽脉冲或总宽度不小于600的双脉冲；而三相半控桥只需要窄脉冲即可满足。
2）整流电压的波形不同。在α=00时，两种整流电路的输出波形完全一致；当α＞00以后，两者波形就不同。在α≥600时，每个周波半控桥只有三个波头，全控桥每个周波有六个波头。
3）移相角对平均电压和线电流的影响不同。阻性负载时，全控桥在α=1200时输出电压即可为零，而半控桥只有在α=1800时输出电压才可为零；感性负载时，全控桥在α=900时输出电压为零，α＞900以后输出为负值，而半控桥没有这样的功能。同时，为了保证整流元件可靠换流，半控桥需要在感性负载两端并联续流二极管，而全控桥不需要这样做。当α改变时，半控桥的平均电压和线电流的变化较全控桥慢。
4）当触发脉冲移到自然换流点以前时，半控桥易发生跳相现象，因此，在整流电路设计时应尽可能避开。
5）大电感负载时，半控桥易发生失控现象。大电感负载时，如果发生脉冲丢失，则半控桥极易发生失控现象，设计时必须采取措施保证触发回路的可靠工作。

五.可控硅整流装置
5.1整流装置的组成
•整流元件
根据整流系统的需要，整流元件可采用二极管或晶闸管，当采用半控桥时，二极管和晶闸管混用。对于自并励励磁系统，整流装置的接线为全控整流桥式接线，以便能够实现逆变灭磁；他励励磁系统或自复励系统可以采用全控桥或者半控桥；只有采用变压器调压的系统才单纯使用二极管。
•盘柜
能达公司生产的整流装置采用自支撑钢梁、金属薄板型盘柜。盘柜具有不低于IP20的防护等级，承重不低于500Kg。所有盘柜都带有通体玻璃柜门，后门开有通风孔并设有防尘滤网。
•输入、输出开关
一般情况下，整流装置的输入、输出开关采用手动操作的隔离刀闸，只在用户有特殊要求时才采用电动操作的空气开关。
•冷却装置
装置一般采用强迫风冷方式，整流元件一般使用铝型材散热器，目前正在发展热管散热器。从冷却效果看，热管散热器较铝型材散热器的效率要高许多，目前已经有许多装置已经采用自冷型热管散热器，因此，装置不仅提高了散热性能，而且能够降低费用。

 5.2整流元件的保护
• 整流元件的过载、短路保护
整流元件的过载、短路保护一般采用电力电子专用快速熔断器而不能使用普通熔断器代替。专用快速熔断器的电流/温度特性与普通熔断器相比具有更好的性能，熔断时间更短。同时，快速熔断器在熔断时的过电压水平较普通熔断器要低，能够有效防止过电压对整流元件的冲击和破坏。快速熔断器的型号一般有：RS型、NT型、NGT型等。其中RS型为国产普通型快速熔断器型号，NT型、NGT型是进口技术改进的高速熔断器国产型号。这几类快速熔断器虽然在性能上差别不大，但外型上的差别却较大，互换的可能性不大，使用中应当注意。整流元件的过载、短路保护在电路中的接法见图9、图10。
无论是交流侧串联熔断器接线方式还是整流元件串联熔断器接线方式，快速熔断器均应根据整流元件的通态平均电流来选择。一般情况下，熔断器的额定电流应略大于整流元件的通态平均电流，其原因是因为整流元件的通态平均电流与最大平均电流之间有一定的裕度，过载能力还是比较强的。一般选：IRD=1.1IAV。
式中：IRD——快速熔断器的额定电流；
IAV ——整流元件通态平均电流。
• 整流元件的暂态过电压保护
整流元件的暂态过电压保护目前主要使用电阻、电容器组合吸收器。由于可控硅在工作过程中其结间电容总是会存储一定的电荷，在可控硅关断和换弧的过程中，由于存储电荷的作用会使可控硅两端产生暂态过电压，如果不加以抑制将会对可控硅产生不良的影响，甚至会造成可控硅的损坏。抑制此种过电压的方法是在可控硅元件两端并联阻容吸收器,其接线方式见图11。

• 整流元件换相尖峰电压的吸收和抑制
前面介绍过，可控硅在换弧的过程中会产生换弧过电压。这种过电压比较会影响可控硅元件本身，也会对系统中其他元件甚至系统本身产生不良影响，必须加以吸收和抑制。方法是在整流桥的输出端并联阻容吸收器或尖峰电压吸收器，接线见图12。

• 交流电源过电压保护

5.3整流元件的串、并联
• 整流元件的串联
• 整流元件的并联和整流桥的并联运行

6. STR系列整流装置
6.1 整流装置的技术规范
• 额定输入电压
• STR系列整流装置目前从AC300V~AC1000V的全系列均可生产，可以满足500KW~300MW机组容量的需要。
• 额定输出电流
目前可以生产单柜300A~1800A的全系列，并且计划在年内达到单柜2500A的生产能力。
• 冷却方式及风量要求
目前主要采用强迫风冷配合铝型材散热器，除少数特殊配置以外，大部分装置均要求≮5米/秒的风速。风量根据不同规格的装置变化，但最小风量≮4000M3/H，风压≮120Pa。
为了提高公司整流装置的规格，目前正在研制自冷热管散热器的大功率整流装置，项目完成以后，可以在800A~2500A的范围内采用自冷型热管散热器，不仅产品规格可以上一个档次，产品的售价、外观也可以上一个档次，也有望降低产品的成本，提高产品的经济效益。
6.2 整流装置的设备配置
• 整流元件
整流元件的规格要根据装置的技术规范并且经过配置核算进行选择，为了使产品能够有一定的适应范围，公司将产品的规范确定为500V500A以下、500V/500A、600V/800A、600V/1000A、800V/1200A、800V/1600A、800V/1800A等几个规格。除特殊要求的装置以外，一般都是全控桥接线，因此绝大部分为平板型晶闸管。
• 输入、输出开关
一般情况下，输入、输出开关均采用纯手动操作的隔离刀闸，当用户有特殊要求时也可以使用具有电动操作功能的电动式隔离刀闸或空气开关。输入、输出开关的规格应根据装置的额定输入、输出电流、电压等级进行选择。
6.3 整流装置结构的变化
根据用户的需要，装置的结构主要在两个方面进行变化。
其一是进、出线方式。一般情况下，装置的进、出线为下进下出，可采用或不采用汇流母线；用户有需要时，可采用上进上出或上进下出方式。
其二是风机安装方式。一般情况下采用盘顶安装，负压抽风方式；用户有要求时可采用盘底安装，正压强迫出风方式。
对于输出电流小于800A的整流装置，一般采用小功率风机组；大于1000A的整流装置采用大功率单风机。

7. 整流电路的故障诊断
对于单相整流电路，其故障状态反应比较直观，如果整流元件有故障时，主要反映在输出电压较正常输出有非常明显的变化。如果滤波元件有故障，反映在输出电压时是较正常电压低一定的数值。但是，三相整流电路情况较单相整流电路要复杂的多，不仅输出电压要发生变化，且变化的数值与元件故障的情况也有非常复杂的关系，不可能用特定的数值来描述。下面将根据不同类型的故障分析故障原因。
7.1 三相整流电路单只元件故障
三相整流电路发生单只元件故障时，反映在输出电压上是较正常电压低1/3，输出波形少2个波头。假设+C相元件发生开路故障，则输出电压将从U0下降为U1，输出电压波形的ca、cb将丢失，纯阻性负载三相整流电路发生单只元件故障时的波形见图7-1。

如果发生故障的元件不是+C而是其他相时，可以依照上面的方法找到对应的波头，可以很方便地查到是哪一相的元件故障，以便有针对性地进行处理。这里需要指出的是，使用示波器进行检测时，应保证示波器的同步方式与信号系统的同步状态，以便准确地对每一相电压波形进行定相。当示波器无法与信号系统同步时，也应保持示波器在同步状态下工作，否则很难检查出准确的相位关系。

7.2 三相整流电路两只元件故障
三相整流电路两只元件故障有两种情况。
其一，同组不同相的两只元件故障。
其二，同相不同组的两只元件故障。
同组不同相的两只元件故障时（假设+A、+B开路故障），整流输出仅有两个波头，且两个波头连在一起（见图7-2）；同相不同组的两只元件故障时（假设+A、-A开路故障），整流输出也只有两个波头，但两个波头不连在一起（见7-3）。因此，他们的输出电压仅为正常输出电压的1/3。

7.3 其他故障
7.3.1 脉冲干扰
当发生触发脉冲质量问题而使晶闸管不能正常导通时，整流输出的波形变化比较复杂。一般情况下，三相整流电路的晶闸管正常情况下应导通1200，如果主脉冲不能使晶闸管导通而补脉冲仍然能够使晶闸管导通时，则整流输出的波形可能只有600左右。如果主脉冲能够触发晶闸管而补脉冲不能触发晶闸管，则需要视控制角来判断晶闸管的实际导通角度。若控制角为300，则晶闸管应导通到下一只元件被触发换流，导通的角度也可能达到900左右；若控制角为600，则晶闸管也应导通到下一只元件被触发换流，导通的角度可能达到600左右。晶闸管是否正常导通，可以通过检测触发脉冲是否有导通平台来判断。如果触发脉冲无导通平台，说明晶闸管没有导通，有平台的则说明晶闸管已经正常导通。同时，可以通过导通平台的宽度来判断晶闸管导通的实际角度。
7.3.2 脉冲丢失
脉冲丢失的表现主要是装置输出电流明显减小。电流减小的数值与脉冲丢失的当时和组别有关系，反映在电压和波形上与整流元件故障完全一样。一般情况下，在发生输出电流明显减小时只要检查晶闸管控制极的脉冲即可发现故障区域，进一步检查可查到具体故障点。
7.3.3误导通
在正常控制状态下，整流装置发生较正常输出电流超出很多时称为误导通
如果发生部分晶闸管击穿短路现象或其他故障（如阻容元件故障），则装置会出现误导通（励磁装置习惯称误强励）现象，其输出电流将远大于正常电流。误导通现象发生的原因比较复杂，误导通的表现也各不相同，但综合起来大约有以下几种原因和表现：
1.控制脉冲失控。控制脉冲失控表现为全部晶闸管均为全导通状态（类似于不可控二极管整流），输出电流能够达到最大值。
2.晶闸管短路。晶闸管发生短路故障时，主要表现为交流侧电流明显增加，而直流侧减小。其原因是短路的晶闸管不能与其他元件相互换流，形成与其他导通的元件之间的短路状态，电流不能输出到直流侧负载上。
3.脉冲系统受干扰。脉冲系统接受到干扰信号以后如果不能有效地进行抑制，则干扰信号有可能误触发不应导通的晶闸管，使该元件提前导通而造成误导通。此种误导通表现的不是很强烈，而且也不是很稳定，输出电流多数表现为时大时小。如果有两个以上的元件因干扰而误触发时，其输出电流将会强烈增加，使整流系统工作于无序状态。脉冲因受干扰而误触发晶闸管的现象主要发生在抗干扰能力较差或缺乏抑制干扰措施的装置上，当然，抑制干扰的电路发生故障时发生类似情况也是可能的。干扰信号的来源有外部的，也有来自系统内部的，检查时需要分析情况，有针对性地采取措施。
4.阻容元件故障。当阻容元件发生故障时，其抑制晶闸管换弧过电压的能力下降或失去，某些阻断能力较差的晶闸管可能无法正常关断或在尖峰电压下误导通，其表现类似于晶闸短路状态，但检查晶闸管性能时未必能够发现问题。当发生误强励而又查不出其他原因时应考虑阻容元件损坏的可能性。
5.外部过电压引起的误导通。一般说来，整流装置都会采取一定的保护措施来防止外部过电压对系统的影响，但如果保护装置发生故障时，外部过电压也将影响装置的正常工作，出现一些短时误导通。由于此种情况发生的较少，在其他原因均查不到时应检查抑制外部过电压的保护装置是否已损坏。

附录：IP防护等级：第一位数字与第二位数字的组合（陈小明）
IP防护等级
00
11
22
33
44
55
第一位数字表示防护固体
无防护
防护超过50mm以上物体
防护超过12mm以上物体
防护超过2.5mm以上物体
防尘、允许有限侵入
完全防尘
第二位数字表示防护液体
无防护
防护垂直方向下落的水滴
防护垂直方向呈15度下落的水滴
防护垂直方向呈60度下落的水滴
防护各个方向的喷射水，允许有限侵入
防护各个方向的低压喷水，允许有限侵入

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