晶闸管的保护电路原理
晶闸管保护电路原理分析
晶闸管的保护电路，大致可以分为两种情况：一种是在适当的地方安装保护器件，例如，r-c阻容吸收回路、限流电感、快速熔断器、压敏电阻或硒堆等。再一种则是采用电子保护电路，检测设备的输出电压或输入电流，当输出电压或输入电流超过允许值时，借助整流触发控制系统使整流桥短时内工作于有源逆变工作状态，从而抑制过电压或过电流的数值。
一.晶闸管的过流保护
晶闸管设备产生过电流的原因可以分为两类:一类是由于整流电路内部原因, 如整流晶闸管损坏, 触发电路或控制系统有故障等; 其中整流桥晶闸管损坏类较为严重, 一般是由于晶闸管因过电压而击穿,造成无正、反向阻断能力，它相当于整流桥臂发生永久性短路，使在另外两桥臂晶闸管导通时，无法正常换流，因而产生线间短路引起过电流.另一类则是整流桥负载外电路发生短路而引起的过电流，这类情况时有发生，因为整流桥的负载实质是逆变桥, 逆变电路换流失败，就相当于整流桥负载短路。另外，如整流变压器中心点接地，当逆变负载回路接触大地时，也会发生整流桥相对地短路。
1.对于第一类过流，即整流桥内部原因引起的过流，以及逆变器负载回路接地时，可以采用第一种保护措施，最常见的就是接入快速熔短器的方式。见图1。快速熔短器的接入方式共有三种，其特点和快速熔短器的额定电流见表1。
方式 特点 额定电流irn 备注
a型 熔短器与每一个元件串联，能可靠地保护每一个元件 irn<1.57it it：晶闸管通态 平均电流
b型 能在交流、直流和元件短路时起保护作用，可靠性稍有降低 irn系数kc见表2
kc：交流侧线电流与id之比
id：整流输出电流
c型 直流负载侧有故障时动作，元件内部短路时不能起保护作用 irn表1：快速熔短器的接入方式、特点和额定电流
型式 单相
全波 单相
桥式 三相
零式 三相
桥式 六相零式
六相曲折 双y 带平
衡电抗器
系数kc 电感负载 0.707 1 0.577 0.816 0.108 0.289
电阻负载 0.785 1.11 0.578 0.818 0.409 0.290
表2：整流电路型式与系数kc的关系表
2.对于第二类过流，即整流桥负载外电路发生短路而引起的过电流，则应当采用电子电路进行保护。常见的电子保护原理图如下
图2：过流保护原理图
二.晶闸管的过压保护
晶闸管设备在运行过程中，会受到由交流供电电网进入的操作过电压和雷击过电压的侵袭。同时，设备自身运行中以及非正常运行中也有过电压出现。
1.过电压保护的第一种方法是并接r-c阻容吸收回路，以及用压敏电阻或硒堆等非线性元件加以抑制。见图3和图4。
2.过电压保护的第二种方法是采用电子电路进行保护。常见的电子保护原理图如下：
三.电流上升率、电压上升率的抑制保护
1.电流上升率di/dt的抑制
晶闸管初开通时电流集中在靠近门极的阴极表面较小的区域，局部电流密度很大，然后以0.1mm/μs的扩展速度将电流扩展到整个阴极面，若晶闸管开通时电流上升率di/dt过大，会导致pn结击穿，必须限制晶闸管的电流上升率使其在合适的范围内。其有效办法是在晶闸管的阳极回路串联入电感。如下图:
2.电压上升率dv/dt的抑制
加在晶闸管上的正向电压上升率dv/dt也应有所限制,如果dv/dt过大，由于晶闸管结电容的存在而产生较大的位移电流，该电流可以实际上起到触发电流的作用，使晶闸管正向阻断能力下降，严重时引起晶闸管误导通。
为抑制dv/dt的作用，可以在晶闸管两端并联r-c阻容吸收回路。如下图：
四、为什么要在晶闸管两端并联阻容网络
在实际晶闸管电路中，常在其两端并联rc串联网络，该网络常称为rc阻容吸收电路。
我们知道，晶闸管有一个重要特性参数－断态电压临界上升率dlv/dlt。它表明晶闸管在额定结温和门极断路条件下，使晶闸管从断态转入通态的最低电压上升率。若电压上升率过大，超过了晶闸管的电压上升率的值，则会在无门极信号的情况下开通。即使此时加于晶闸管的正向电压低于其阳极峰值电压，也可能发生这种情况。因为晶闸管可以看作是由三个pn结组成。
在晶闸管处于阻断状态下，因各层相距很近，其j2结结面相当于一个电容c0。当晶闸管阳极电压变化时，便会有充电电流流过电容c0，并通过j3结，这个电流起了门极触发电流作用。如果晶闸管在关断时，阳极电压上升速度太快，则c0的充电电流越大，就有可能造成门极在没有触发信号的情况下，晶闸管误导通现象，即常说的硬开通，这是不允许的。因此，对加到晶闸管上的阳极电压上升率应有一定的限制。
为了限制电路电压上升率过大，确保晶闸管安全运行，常在晶闸管两端并联rc阻容吸收网络，利用电容两端电压不能突变的特性来限制电压上升率。因为电路总是存在电感的(变压器漏感或负载电感)，所以与电容c串联电阻r可起阻尼作用，它可以防止r、l、c电路在过渡过程中，因振荡在电容器两端出现的过电压损坏晶闸管。同时，避免电容器通过晶闸管放电电流过大，造成过电流而损坏晶闸管。
由于晶闸管过流过压能力很差，如果不采取可靠的保护措施是不能正常工作的。rc阻容吸收网络就是常用的保护方法之一。
五、整流晶闸管阻容吸收元件的选择
电容的选择:
c=(2.5-5)×10的负8次方×if
if=0.367id
id-直流电流值
如果整流侧采用500a的晶闸管
可以计算c=(2.5-5)×10的负8次方×500=1.25-2.5μf
选用2.5μf，1kv 的电容器
电阻的选择：
r=((2-4) ×535)/if=2.14-8.56
选择10欧
pr=(1.5×(pfv×2πfc)的平方×10的负12次方×r)/2
pfv=2u(1.5-2.0)
u=三相电压的有效值
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一.晶闸管的过流保护
晶闸管设备产生过电流的原因可以分为两类:一类是由于整流电路内部原因, 如整流晶闸管损坏, 触发电路或控制系统有故障等; 其中整流桥晶闸管损坏类较为严重, 一般是由于晶闸管因过电压而击穿,造成无正、反向阻断能力，它相当于整流桥臂发生永久性短路，使在另外两桥臂晶闸管导通时，无法正常换流，因而产生线间短路引起过电流.另一类则是整流桥负载外电路发生短路而引起的过电流，这类情况时有发生，因为整流桥的负载实质是逆变桥, 逆变电路换流失败，就相当于整流桥负载短路。另外，如整流变压器中心点接地，当逆变负载回路接触大地时，也会发生整流桥相对地短路。
1.对于第一类过流，即整流桥内部原因引起的过流，以及逆变器负载回路接地时，可以采用第一种保护措施，最常见的就是接入快速熔短器的方式。见图1。快速熔短器的接入方式共有三种，其特点和快速熔短器的额定电流见表1。
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a型 熔短器与每一个元件串联，能可靠地保护每一个元件 irn<1.57it it：晶闸管通态 平均电流
b型 能在交流、直流和元件短路时起保护作用，可靠性稍有降低 irn
id：整流输出电流
c型 直流负载侧有故障时动作，元件内部短路时不能起保护作用 irn
型式 单相
全波 单相
桥式 三相
零式 三相
桥式 六相零式
六相曲折 双y 带平
衡电抗器
系数kc 电感负载 0.707 1 0.577 0.816 0.108 0.289
电阻负载 0.785 1.11 0.578 0.818 0.409 0.290
表2：整流电路型式与系数kc的关系表
2.对于第二类过流，即整流桥负载外电路发生短路而引起的过电流，则应当采用电子电路进行保护。常见的电子保护原理图如下
图2：过流保护原理图
二.晶闸管的过压保护
晶闸管设备在运行过程中，会受到由交流供电电网进入的操作过电压和雷击过电压的侵袭。同时，设备自身运行中以及非正常运行中也有过电压出现。
1.过电压保护的第一种方法是并接r-c阻容吸收回路，以及用压敏电阻或硒堆等非线性元件加以抑制。见图3和图4。
2.过电压保护的第二种方法是采用电子电路进行保护。常见的电子保护原理图如下：
三.电流上升率、电压上升率的抑制保护
1.电流上升率di/dt的抑制
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2.电压上升率dv/dt的抑制
加在晶闸管上的正向电压上升率dv/dt也应有所限制,如果dv/dt过大，由于晶闸管结电容的存在而产生较大的位移电流，该电流可以实际上起到触发电流的作用，使晶闸管正向阻断能力下降，严重时引起晶闸管误导通。
为抑制dv/dt的作用，可以在晶闸管两端并联r-c阻容吸收回路。如下图：
四、为什么要在晶闸管两端并联阻容网络
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由于晶闸管过流过压能力很差，如果不采取可靠的保护措施是不能正常工作的。rc阻容吸收网络就是常用的保护方法之一。
五、整流晶闸管阻容吸收元件的选择
电容的选择:
c=(2.5-5)×10的负8次方×if
if=0.367id
id-直流电流值
如果整流侧采用500a的晶闸管
可以计算c=(2.5-5)×10的负8次方×500=1.25-2.5μf
选用2.5μf，1kv 的电容器
电阻的选择：
r=((2-4) ×535)/if=2.14-8.56
选择10欧
pr=(1.5×(pfv×2πfc)的平方×10的负12次方×r)/2
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