第三章变流器主电路参数计算和保护环节设计Word文件下载.docx
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单相全波
0.9
0.707
三相半波
1.17
0.866
单相桥式
二相桥式
2.34
0.5
表3-2整流变压器计算参数
线路型式
负载性质
Udo
Id
17
S1
Udld
S2
S
单相半波
电阻性负载
0.45
0.637
2.68
3.48
3.08
电感性负载
1.141
1.11
1.57
1.34
1.27
1.25
1.75
1.5
1.41
单相半控
桥
1.23
1
单相全控
晶闸管在
负载侧的
1.73
1.24
1.51
1.38
1.21
1.48
三相半控
1.22
1.95
1.05
三相全控
双反星形
带平衡电
抗器
3.40
1.28
3.46
1.26
、二次测相电压|2和一次测相电压I1
对不同型式的整流线路，变压器二次、一次电流有效值|2.|1与负载电流Id的关系见表3-2。
如三相全控桥式电路有|2=0.816Id,打=0.8161d/K;
三相零式电路，12=0.577ld，I=0.471Id/K。
K为变压器匝数比（K=N1/N2）。
三、变压器容量计算
变压器二次容量、一次容量、平均计算容量（视在容量）分别为
S2—m2U212
S1—mrU111
S（S1S2）
2
式中，m1和m2为整流变压器一次侧、二次侧的相数。
例3-1某晶闸管直流调速系统，其电动机的额定值为UN二220V，
In=287A，Pn=55kW，采用三相全控桥式整流电路供电，电网电压波动系数
；
=0.9，变压器短路电压比Uk=0.05，管压降厶Uvt=1V，n=2,I2/I2N=1，
变压器和平波电抗器的电阻不计。
电网相电压U1=220V，试确定整流变压器各额
定参数。
解：
查表3-1得，A=2.34,C=0.5，:
min=30,cos：
min二cos30=0.866，
忽略R时有：
Udmax*RId，n=UVT
I2
A（COS：
min-CUk-—）
I2N
22021V-125V
2.340.9（0.866-0.50.051）
所以变压器电压比为：
—/U2=220/125=1.76
二次侧相电流：
丨2=ld/1.22=In/1.22=287A/1.22：
235A
一次侧相电流：
I11ld133.5A
1.761.22
二次容量：
=m2U2l2=3125235VA:
88kVA
一次容量：
$
=m1U1I1=3220133.5VA：
平均计算容量：
S（S1-S2）=88kVA
由表3-2可直接求出变压器的额定参数。
第二节主电路器件的计算与选择
正确合理地选择晶闸管元件是保证主电路可靠运行的重要条件之一。
所谓正确合理地选择元件，系指晶闸管元件额定电流（通态平均电流）和额定电压一定要考虑合适的电流储备和电压储备系数，通常称安全系数。
从设计和使用的经验来看，其安全系数应适当选大些，以保证系统工作可靠，特别是对某些生产上的关键设备更应如此。
一、整流元件的额定电压Utn
UtN=（2~3）UTm
式中，Utn为晶闸管元件的额定电压（V）；
UTm为晶闸管元件在电路中实际承
受的最大电压（V）。
对于不同型式整流电路的示于表3-3内，表中U2为整流变压器二次侧相电压有效值。
二、整流元件额定电流Itn
Itn=（1.5~2）KJd
式中，Itn为晶闸管的额定电流（A）；
K巾为计算系数，示于表3-3内；
为最大负载电流。
表3-3整流元件的最大峰值电压UTm和额定电流的计算系数K
整流主电路
单相
半波
双半波
桥式
三相
带平衡电抗器的双反星形
UTm
J2u2
2丘U2
逅U2
<
6U2
V6u2
V6U2
Kfb
电阻
负载
0.374
0.368
0.185
（G=0）
电感
0.184
例3-2根据上例所给数据，确定晶闸管的电压额定和电流额定。
由例3-1知，变压器二次侧相电压U2=125V，负载最大电流
IdV=1.5287A=430.5A，又查表3-3知，因此UTm=-6U2=306/Kfb=0.368,因此
Utn=（2~3）UTm=（2~3）306V=712~918V
Itn-（1.5~2）0.308430.5A=237~316A
取Utn=800V,Itn=300A，选择KP300-8晶闸管6只。
使用中还须注意的是，当周围环境温度超过40C或元件的冷却条件低于标准
要求时，均应降低元件的额定值来使用。
（三）GTR的选择
对于PWM变换器主电路大功率晶体管（GTR）的选择，则需要根据电动机的额定电压和额定电流来选择。
晶体管的最大集电极电流应大于最大工作电流；
晶体管的耐压应根据反向击穿电压来估算。
工程实践中，可按下式选择晶体管的电流和耐压
ICM-（1.5~2）■IN
U（BR）CEO-（2~3）UN
式中，九为电动机允许过载倍数；
In、Un分别为电动机额定电流（A）、额定电压（V）。
（四）晶闸管和晶体管的串并联运行
1）在高电压和大电流的场合，往往因为单个晶闸管的电压和电流定额远不能满足要求，必须把晶闸管串联或并联起来使用，或者把晶闸管装置成串联或并联起来使用。
晶闸管串联、并联应用时，均压、均流是必须解决的两个问题，其具体实施方案和参数选择，可查阅有关资料，这里不再赘述。
随着晶闸管制造工艺的改进，元件的电压等级和电流容量不断提高，因此对中小功率的晶闸管整流装置，采用元件串并联的情况会逐步减少。
在大功率设备中广泛采用整流变压器二次侧绕组分组，分别对独立的整流装置供电，然后成组串联或成组并联，如图3-1a、b所示。
整流组串联可提高输出电压，且两套装置之间不存在均压问题。
整流组并联可提高输出电流，但一般需设置平衡电抗器以实现均流。
如变压器漏抗合适可省去平衡电抗器。
变压器两套二次侧绕组通常分别以Y、D形式联结，串联后整流电压波形每周
期脉动12次，即为等效的12相整流电路。
由于脉动频率较高，故使整流电源质量大为提高，又可减小平波电抗器的体积。
2）由于GTR对过压和敏感，故一般不宜进行串联运行。
GTR并联运行时，应
采取一定的均流措施。
电流较小时，用接入发射极电阻的方法来均流较好；
电流较
3-1晶闸管装置和晶体管的串联与并联
a）晶闸管装置成组串联b）晶闸管装置成组并联c）GTR的并联
大的场合，可采用均流电抗。
具体电路如图3-1c所示。
另外，并联应用时，应仔细
匹配好并联GTR的参数，并使并联支路布线尽量对称，每个GTR集电极和基极支
路中的电阻和电感应尽可能小而且一致。
第三节主电路保护环节的设计与计算
由于晶闸管承受过电压和过电流的能力较差，所以短时间的过压或过流就会造成元件损坏。
因此在系统主电路设计中，对晶闸管装置的各种保护措施及主要保护环节的设计与计算，应予以足够的重视。
为使系统能长期可靠地运行，除了合理地选择晶闸管外，必须针对过电压、过电流和电压、电流上升率的发生原因采取恰当的保护措施。
一、过电压保护
电路中电感元件积累的能量骤然释放或外界侵入电路的大量电荷累积产生过电压，对系统的安全运行构成危害。
所以，过电压保护的基本做法，是在电路中设置
交矗贺整帆主电昂no
图3-2晶闸管装置可能采用的几种过电压保护情况
A—避雷针B—接地电容C—阻容保护D—整流式阻容保护E—硒堆保护
F—压敏电阻G—用晶闸管作过压保护H—器件侧阻容保护
吸收能量的保护元件，使能量得以释放，以保证晶闸管装置的可靠工作。
根据晶闸管装置产生过电压部位的不同，过电压保护分为交流侧保护、直流侧
保护和元件换相保护，见图3-2。
实用时，可根据具体情况，选择其中几种。
1.交流侧过电压保护
b）
图3-3阻容保护的接法
a）单相b）三相变压器二次测Y联结，阻容Y联结
（1）阻容保护阻容保护是在整流变压器二次侧并联电阻和电容，其接线方
式见图3-3，计算单相变压器交流侧过电压保护电容C和电阻R的公式为
C一6if%
式中，S为单相变压器的平均计算容量（VA）;
u2为变压器二次相电压有效值（V）；
if%为变压器励磁电流百分比，10~1000kVA的变压器，对应的if%-10~4；
Uk%为变压器的短路电压百分比，10~1000kVA的变压器，对应的
Uk%=5~10；
C为电容（"
F）；
R为电阻（门）。
电容C的耐压大于或等于1.5UC。
电阻功率：
Pr织3〜4）lCR
lc_2二fCUC10-6
式中，uc、IC为RC正常工作时电压、电流有效值；
f为电源频率。
以上计算公式是根据条件推导出来的。
对于三相电路，如变压器二次侧与阻容吸收电路接法一致，则上述公式完全适用。
如两者接法不同时，则可先按接法一致计算，然后把阻容电路进行Y-D变换，变换公式为
Rd=3Ry,Cd=Cy
采用阻容保护后，若电容量增大，有利于吸收过电压和限制du/dt上升率，但
电容量过大，不仅电容器体积很大，且增加了电阻的损耗，使电阻体积加大，而且电容量增大也使得晶闸管导通时di/dt增大，对元件不利。
电阻值增大，有利于抑
制振荡，但若电阻值选得过大，则影响抑制过电压效果，一般电阻值应选得偏小些，而Pr值选得偏大些以减少发热。
阻容D联结时，电容值小，但耐压要求高；
Y联结时，电容值大，但耐压要求
低，实际应用时可根据阻容元件的情况决定采用D或Y联结。
对于大容量的晶闸管装置，通常采用图3-3d所示的整流接法的阻容装置。
这种
保护接法，虽然多了一个整流桥，但只用一个电容，且电容C只承受直流电压，可
采用体积小、电容量大电解电容器，可以显著减小保护装置的体积，其R、C参数可
参阅有关资料。
（2）非线性电阻保护
1）硒堆保护的具体接法见图3-4。
硒堆由硒整流片串联而成，单相时用两组对
接后再与电源并联，三相时用三相对接成Y形，或用六组接成D形。
a）单相
每组串联的硒片数为
图3-4硒堆保护的接线
b）三相Y联结c）三相D联结
n=（1.3~1.5）丛
Ubr
式中，U2|为正常工作时线电压有效值（V）；
Ubr为每片硒片的击穿电压，与硒
片的型号有关，一般为30〜50V。
选择硒片面积A的经验公式为：
A_3.9if%l2l（mm2）
式中，if%为变压器励磁电流百分比；
12i为变压器二次线电流有效值（A））
硒片的面积有40x40mm60x60mm100X100mm等规格。
2）压敏电阻保护。
压敏电阻是一种新型的保护元件，它常用于交、直流侧的过
图3-5压敏电阻保护的接法
a）单相b）三相Y联结c）三相D联结
压敏电阻选用主要考虑额定电压和通流容量，压敏电阻额定电压的选取通常可
按下式计算
当的压敏电阻。
VYJ型浪涌吸收器（压敏电阻）
式中，；
为电网电压升高系数，一般取；
=1.05~1.10;
（0.8~0.9）为考虑参数U1mA
下降10%而通过压敏电阻的漏电流仍保持在1mA以下，以及考虑整流装置允许过电压的系数。
压敏电阻通流容量可根据整流变压器的空载励磁能量，来选择吸收冲击能量相
的额定电压有：
100，220,440,760,
1000V等。
通流容量有：
0.5，1，1.5，2，3，4，5KA等。
3•直流侧过电压保护
直流侧过电压保护接线方式见图3-6。
直流侧与交流侧过电压保护方法相同,
元件选择原则也相同。
实际中采用压敏电阻保护较为合理。
4.元件换相保护
为防止在换相过程中，被关断的晶闸管出现反向过压，而导致反向击穿。
通常在晶闸管元件两端并联RC阻容吸收电路，见图3-7。
阻容电路参数可按表3-4选取,电容的耐压一般选取晶闸管实际承受最大电压的1.1〜1.5倍。
电阻功率选择：
Pr=1.75fCU；
m10“（W）
表3-4晶闸管阻容电路经验数据
晶闸管额
定电流（A）
1000
500
200
100
50
20
10
电容（吁）
0.25
0.2
0.15
0.1
电阻（0）
5
40
80
式中，f为50Hz;
UTm为晶闸管工作峰值电压（V）;
C为与电阻串联的电容量
（呻）。
二、过电流保护
对于晶闸管整流装置，过电流保护设计是很重要的。
如果短路或过电流数值过大，而切断的时间稍慢，就会造成晶闸管的损坏。
所以过电流保护措施在系统中是必不可少的。
过电流保护措施有如图2-18所示数种。
下面就几种主要保护措施的适
用范围和元件的选择加以说明。
1）流进线中串联电抗器（图3-8中的A）或采用漏抗较大的变压器以限制短路电流，但此种方法在有负载时有较大的压降。
2）利用交流侧电流检测环节（图3-8中B）所得过电流信号送入电流调节器，控制触发脉冲快速后移，从而使晶闸管迅速阻断，达到抑制过电流的目的。
3-8
3）交流侧经电流互感器接入过电流继电器或直流侧接入过电流继电器（图
中是B和F）,过电流时继电器动作，跳开交流接触器或输入端的自动开关。
这种方法只有在短路电流不大时才能起到保护作用。
图3-8晶闸管装置可能采用的几种过电流保护措施
A-进线电抗器限流B-电流检测和过流继电器C-交流侧快速熔断器D-元件串联快速熔断器
E-直流侧快速熔断器F-过流继电器G-直流快速开关
4）对大、中容量设备，以及经常逆变的场合，采用直流快速开关作直流侧过载
和适中保护。
快速开关的开关机构动作时间只有2ms,完全分断电弧的时间也不过
25〜30ms,它是目前较好的过流保护装置。
在晶闸管直流调速中，可按电动机额定电流选用。
5）快速熔断器是最简单有效的短路保护元件，是防止晶闸管损坏的最后一道防线。
快速熔断器的接法有安装在交流侧、与元件串联、安装在直流侧三种，见图
3-9。
a）b）c）
图3-9快速熔断器的接法
a）交流侧快速熔断器b）与器件串联快速熔断器c）直流侧快速熔断器
交流侧快速熔断器能够对元件短路和直流侧短路起保护作用，但它对晶闸管元
件的保护作用较差。
直流侧快速熔断器仅能对直流侧短路与过载起保护作用。
与元件串联快速熔断器，由于两者电流相同，故元件保护作用最好，应用极为广泛。
对中、小容量系统。
一般只采用此种接法。
还应注意，各种过流保护的动作顺序应该是：
电流调节器限流（触发脉冲后移）T过流继电器动作跳开关T直流快速开关动作T快速熔断器熔断。
选配与元件串联的快速熔断器，其熔体的额定电流In一般按下式选择
1.57Itn-In-Im，式中，Itn为晶闸管的额定电流；
In为熔体的额定电流；
扁
为实际流过晶闸管的最大电流有效值。
中、小容量系统中，常选用In=Itn。
目前生产的快速熔断器产品主要有RSO、RS3（汇流排式）与小容量的RLS（螺旋式）。
RLS额定电流为3〜100A，额定电压为500V。
RSO、RS3额定电流为10〜450A，额定电压为250,500,750,1000V。
（三）电压和电流上升率的限制
系统设计要求把作用于晶闸管的正向电压上升率
du/dt限制到晶闸管断态电压临界上升率以下，把正向电流林片上升率di.dt限制到通态电流临界上升率以下。
对dudt和di.dt的限制措施是串桥臂电抗器L,L可以是空心电抗器、铁心电抗器。
采用空心电抗器时L的电感
应大于或等于20〜30丄H,采用铁心电抗器时，电感值可再
大一些。
其接线方法如图3-10所示。
阻容吸收装置采用整流式接法，如3-3d所示，对限制dLdt也有好处。
还须特别指出的是，对于应用晶闸管装置所引起的功率因数恶化、高次谐波电
流使得电网波形畸变等电力公害，除从电网方面采取补偿措施外，还应注意从晶闸管装置本身采取措施，以将其抑制在容许范围内。
限于篇幅，关于改善功率因数、防止谐波危害的具体措施，读者可查阅有知文献资料。
第四节电抗器参数计算与选择
在晶闸管变流装置供电的直流调速系统中，常在直流侧串有带空气隙的铁心电
抗器，使输出电流连续、限制电流脉动，并抑制环流，以提高装置对负载供电的性
能和提高运行的安全可靠性。
下面分别讨论三种电抗器的电感量计算。
一、使输出电流连续的临界电感量Lcr
对晶闸管直流调速系统，当负载电流较小，会出现电流断续的现象，使电动机
的机械特性变软，影响系统的静、动态性能。
电动机电枢电感一般较小，不能满足
电流连续的要求，故必须在晶闸管输出电路中串入电抗器，其临界电感量Lcr计算公
式为：
U2
Lcr二Kcr--（mH）
1dmin
式中，U2为晶闸管装置交流侧电源相电压有效值（V）；
Idnm为要求连续的最小负
载电流平均值（A）；
Ker为与整流电路形式有关的系数，见表3-5序号2。
例如，三相全控桥式整流电路
Ler=0.693-
Idmin
二、限制输出电流脉动电感量Lm
为了使系统能正常工作，提高运行的可靠性，必须在主电路中与负载串联电抗
器，其电感量Lm为
式中，Udm.U2为脉动输出电压中最低频率的电压幅值Udm与交流侧星形联结时相
电压有效值U2之比，见表3-5序号1;
fd为整流电路输出电流的最低谐波频率（Hz）,
见表3-5序号1；
Id为额定负载电流平均值；
Si为电流脉动系数，由运行要求提出。
单相整流电路Sj〈0.2;
三相整流电路Si<
0.05。
表3-5计算电感量时的有关数值
序
号
电感量的有关数值
全控
三相半
数
带平衡电抗
器的双反星
形
fd（Hz）
150
300
Lm
最大动脉a值
900
Udm/U2
1.2
0.88
0.8
Lcr
Kcr
2.85
1.46
0.693
0.348
3
Li
K|
3.18
6.75
3.9
7.8
以上计算的使电流连续的临界电感量Lcr和限制电流脉动的电感量Lm都是指电流路径中所有的电感量，其中包括变压器折算到二次侧每相的漏电感量Ll和电动
机电枢的电感量La。
所以，为了准确设计电抗器，计算所得Lcr和Lm应该扣除
（L|+La）。
折算到变压器二次侧的每相漏电感量Ll为
Ll=KlUk2（mH）
式中，U2为变压器二次相电压有效值（V）；
Id为直流侧额定负载电流（A）；
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