晶閘管串聯均壓電路設計與仿真研究

郭鵬 ，王宏華 ，馮進通 ，尹祥順，李軍民

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

晶閘管串聯均壓電路設計與仿真研究

郭鵬1，王宏華1，馮進通1，尹祥順2，李軍民2

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

晶閘管串聯式高壓異步電動機軟啟動器應用前景廣闊，晶閘管串聯均壓是其關鍵技術之一。對晶閘管串聯均壓電路進行了研究與設計，仿真分析了均壓電路參數選取對均壓效果的影響。仿真表明：采用動、靜態均壓電路可有效抑制開通和關斷過程中晶閘管串聯分壓不均，對均壓電路參數優化設計具有重要作用。

晶閘管串聯均壓；均壓電路參數；動態均壓電路；靜態均壓電路

0 引言

晶閘管低壓異步電動機軟啟動器得到了廣泛應用，但隨著異步電動機電壓等級和容量的提升，在低壓下應用的軟啟動技術已經無法滿足高壓電動機的啟動要求，因此需要研究高壓電動機軟啟動技術。隨著電力電子技術的發展，能夠實現電動機平滑啟動的晶閘管串聯式軟啟動器越來越被市場所認可。

由于單個晶閘管的耐壓等級有限，為了滿足高壓場合的應用需求，需要采用多個晶閘管串聯的方式提高軟啟動器的耐壓能力。晶閘管串聯時，由于各晶閘管自身特性(靜態特性、動態特性等)和觸發電路等難免存在差異，因此晶閘管串聯均壓電路設計非常重要[1]。以電壓等級6kV的異步電動機為例，由晶閘管為單元構成的交流調壓電路接在三相交流電和三相異步電動機之間，雖然單個晶閘管可承受的電壓能達到6 500V左右，但是考慮到晶閘管的耐壓裕量和運行可靠穩定性因素，一般使用3個反并聯晶閘管閥組串聯分壓的方式實現電壓等級提升[2]。

為了抑制晶閘管因自身特性和觸發電路等造成的不均壓，文中對晶閘管串聯均壓電路設計進行研究與仿真。

1 晶閘管串聯均壓電路設計[3]

1.1 晶閘管靜態均壓電路設計

當晶閘管未導通時，在兩端施加正向電壓，則串聯的多個晶閘管將共同承擔電壓，并進行電壓的分配。漏電阻越大，承受的電壓越大。為解決晶閘管靜態時的均壓問題，需在其兩端并聯遠小于漏電阻的靜態均壓電阻Rj，即：

(1)

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

1.2 晶閘管動態均壓電路設計

串聯的晶閘管在關斷過程中，因各自反向恢復電荷可能不同，故反向恢復電流值有異，電流值小的先恢復了阻斷狀態，而電流值大的恢復相對緩慢，恢復的時間不同步使得電壓分配不均勻，一般通過在晶閘管兩端并聯由電阻R和電容串聯構成的均壓電路實現動態均壓。

通過反向恢復電荷法計算所要選取的電容值。晶閘管在關斷過程中不是立刻變為阻斷狀態，而是通過反向恢復電荷產生反向恢復電流，在電流的變化下逐漸恢復阻斷能力，設其值為ITR，反向恢復電荷為：

(2)

式中：Tr2為反向阻斷恢復時間；ITR為反向恢復電流。

反向恢復電荷值決定了串聯晶閘管閥組中每個晶閘管所承受的阻斷電壓值，當晶閘管反向流過反向漏電流ITR時，即恢復了反向阻斷特性，此時關斷過程結束。動態均壓電容計算公式為：

(3)

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

根據式(3)可計算出較合適的動態均壓電容值。動態均壓電阻一般取10～30Ω。

1.3 晶閘管串聯的均壓電路整體設計

帶有均壓電路的6kV高壓軟啟動器單相晶閘管串聯電路如圖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為靜態均壓電阻，其在選型時要參考晶閘管阻斷狀態下的等效阻值，所消耗的功率要留有一定的余量。R4、R5、R6和C1、C2、C3構成動態均壓電路，電容取值根據式(3)計算。

2 晶閘管串聯均壓電路仿真分析

現以兩個晶閘管串聯為例，采用Saber軟件建立了不帶均壓電路的晶閘管串聯電路仿真模型[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。兩個控制開關sw1_14交替開通和關斷，控制其開關的脈沖頻率為25 Hz，驅動晶閘管的脈沖頻率為50 Hz，占空比均為50%。當電路開始運行后，右側的控制開關閉合，串聯晶閘管處于反向阻斷。經0.02 s延時后，左側控制開關閉合，右側控制開關斷開，串聯晶閘管由阻斷轉為導通，驅動電路觸發晶閘管導通，再經0.02 s延時后，串聯晶閘管又由導通轉為阻斷，如此循環。通過這種方式，可分析出串聯晶閘管開關過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仿真模型

1) 當兩個晶閘管的內部參量完全相同時，設定V1(圖2中下面的晶閘管)的觸發脈沖較V2(圖2中上面的晶閘管)的延遲1μs，此時串聯晶閘管的開通電壓波形如圖3所示。

圖3 不帶有均壓電路的串聯晶閘管開通電壓波形

圖3中實線為V1的電壓變化曲線，虛線為V2的電壓變化曲線。可見，由于V1、V2觸發不同步，當V2開通時，V1兩端瞬間承受全部正向電壓，易造成V1過壓損壞。

2) 當兩個晶閘管觸發同步時，假定晶閘管的內部參數不一致，具體以射結短路電阻阻值不同為例(其中V1>V2)，此時兩個晶閘管關斷電壓波形如圖4所示。

圖4 不帶有均壓電路的串聯晶閘管關斷電壓波形

圖4中虛線為V2的電壓變化曲線，實線為V1的電壓變化曲線，可見，由于V2的射結短路電阻值小于V1，V1承受的最大反向電壓大于V2，容易造成V1過壓損壞。

根據式(1)計算靜態均壓電阻Rj為100kΩ，根據式(3)計算動態均壓電阻C為100μF,動態均壓電阻為10Ω,在此基礎上，建立采用動、靜態均壓電路的兩個晶閘管串聯仿真模型如圖5所示。

1) 在均壓電路作用下，當兩個晶閘管參數一致時，仍設V1驅動信號較V2延遲1μs，串聯晶閘管開通過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通過程中電壓波形圖

圖6中，虛線為V2的電壓曲線，實線為V1的電壓曲線，盡管觸發不同步，但在開通過程中，V1并沒有因為V2的提前導通而產生過電壓，繼續保持應承受的均分電壓直至導通。

2) 在均壓電路作用下，當兩個晶閘管觸發同步時，仍設晶閘管射結短路電阻阻值不同(其中V1>V2)，此時兩個晶閘管關斷過程中電壓波形如圖7所示。

圖7 帶有均壓電路的晶閘管關斷過程中電壓波形

圖7中實線為V1的電壓曲線，虛線為V2的電壓曲線，盡管兩個晶閘管內部參量不同，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，可有效緩解串聯晶閘管在外因(如觸發信號不同步)和內因(晶閘管內部參數不同)作用下的分壓不均，抑制過電壓的產生，實現電壓均勻分配。

3 均壓電路參數對串聯晶閘管均壓的影響研究

3.1 動態均壓電路中電容的影響

設兩個晶閘管觸發同步，但射結短路電阻阻值不同(其中V1>V2)，當動態均壓電阻取10Ω，動態均壓電容分別取值為20μF、50μF、100μF時，串聯晶閘管關斷過程中電壓仿真波形、導通過程中電流仿真波形分別如圖8～圖13所示，圖中實線為V1的波形，虛線為V2的波形。

圖8 電容取20 μF時晶閘管關斷過程中電壓波形

圖9 電容取20 μF時晶閘管開通過程中電流波形

圖10 電容取50 μF時晶閘管關斷過程中電壓波形

圖11 電容取50 μF時晶閘管開通過程中電流波形

圖12 電容取100 μF時晶閘管關斷過程中電壓波形

圖13 電容取100 μF時晶閘管開通過程中電流波形

對比以上仿真結果可知，在動態均壓電容取值為100μF時，串聯晶閘管在阻斷狀態下幾乎均分電壓。而電容取其他值時，串聯晶閘管在阻斷狀態下的電壓差值較大，串聯晶閘管中的電流值存在的差異性較小。而電容取值為100μF時，串聯晶閘管的導通電流恢復最為緩慢，導通電流的恢復速度隨著電容值的減小而變快。由此可見，動態均壓電容在允許范圍內的合理取值有益于串聯的晶閘管兩端電壓接近，流過的電流趨于一致，均壓效果顯著。

3.2 動態均壓電路中電阻的影響

仍設兩個晶閘管觸發同步，但射結短路電阻阻值不同(其中V1>V2)，當動態均壓電容取100μF，動態均壓電阻分別取值為10Ω、30Ω、100Ω時，串聯晶閘管關斷過程中的電壓仿真曲線、串聯晶閘管導通過程中的電流仿真曲線分別如圖14-圖19所示，圖中實線是V1的波形，虛線為V2的波形。

圖14 電阻取10 Ω時晶閘管關斷過程中電壓波形

圖15 電阻取10 Ω時晶閘管開通過程中電流波形

圖16 電阻取30 Ω時晶閘管關斷過程中電壓波形

圖17 電阻取30 Ω時晶閘管開通過程中電流波形

圖18 電阻取100 Ω時晶閘管關斷過程中電壓波形

圖19 電阻取100 Ω時晶閘管開通過程中電流波形

對比以上仿真結果可知，在動態均壓電阻取值為 10Ω時，晶閘管兩端電壓變化曲線在關斷過程中基本保持一致，在恢復阻斷狀態后的電壓值基本相等，而電阻取其他值時，晶閘管兩端電壓變化曲線同步性較差，在恢復阻斷狀態后的電壓差值相對較大。但電阻取值為10Ω時，流過串聯晶閘管的導通電流恢復最為緩慢，且串聯晶閘管流過的電流值存在的差異性隨著動態均壓電阻的增大而減小。由此可見，動態均壓電阻的合理取值有益于串聯晶閘管均壓，串聯晶閘管流過的電流趨于一致，使得動態均壓達到良好的效果。

4 結語

在對晶閘管靜態均壓電路和動態均壓電路分別進行設計的基礎上，基于Saber軟件仿真驗證了帶有均壓電路的晶閘管串聯均壓的優越性，并仿真研究了均壓電路參數對均壓效果的影響，仿真表明：動態均壓電路的電容和電阻取值對晶閘管串聯均壓有顯著影響。均壓電路中的電容取值越大，電阻取值越小，則晶閘管在串聯時關斷過程中承受的電壓差越小。因此動態均壓電路參數選擇的原則為：在按照式(3)計算得到的合理值域內，可適當選取數值較大的電容和數值較小的電阻。這樣不僅能夠抑制串聯晶閘管開通過程中過電壓的產生，而且能優化串聯晶閘管的均壓效果。

[1] 劉利,王棟. 電動機軟起動器實用技術[M]. 北京:中國電力出版社,2009.

[2] 王宏華. 高壓大功率異步電動機軟起動技術綜述[J]. 機械制造與自動化, 2014, 43(5): 1-5.

[3] 王昌榮, 付林, 宋洋洋, 等. 10 kV 固態切換開關中串聯晶閘管閥均壓分析[J]. 黑龍江科技信息, 2013 ，(30): 46-46.

[4] 許敏, 穆秀云. 晶閘管串聯技術的研究及仿真驗證[J]. 中國科技論文在線，2011，(1)：1-6.

[5] 王兆安,黃俊. 電力電子技術[M]. 北京:機械工業出版社,2000.

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，研究方向為電機、電氣自動化控制系統。

TN34; TP391.9

B

1671-5276(2015)05-0159-05

2014-02-07