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晶闸管电路的保护与其他控制电路_1

发表于:2019-06-23 14:09 作者:新闻小编 来源:新闻小编

一、晶闸管保护电路

  1、主电路中的晶闸管保护电路

  晶闸管阳极、阴极两端或晶闸管电源输入端、输出端经常加设相关保护电路,以对晶闸管提供过电压、过电流等相关保护。

  1)过电流保护

  产生过载的主要原因:负荷过载、线路短路、电源缺相、晶闸管本身击穿损坏或误触发等,因晶闸管元件体积小,过载时会造成结温过高而烧毁,所以必须严格限制过载电流,除控制(电子)电路实施的保护外,在主电路中经常采用在电源串入快速熔断器,对晶闸管的过载进行保护,在发生6倍晶闸管额定电流时,一个周波可以熔断。此外,还可采用过电流继电器、直流快速断路器等用于过载和短路保护,但保护速度和效果不如快速熔断器。

  快速熔断器的额定电流值为晶闸管电流平均值的1.25~1.5倍。

  下图以直流调压电路为例,说明快速熔断器在主电路中的接法。

  2)过电压保护

  产生过电压的原因一般因感性负载电路的开闭、电源电压波动、快速熔断器熔断、电源侧侵入的浪涌电压等,针对形成过电压的不同原因,可采取不同的抑制方法,如抑制过电压能量的上升速率、增加其能量的耗散等,目前最常用的是中主电路回路中接入吸收能量的元件,使能量得以耗散,称之为吸收回路或缓冲电路。

  通常过电压具有较高的频率,因此常采用电容作为吸收元件,但为防止振荡,增加阻尼电阻,构成R、C吸收回路。阻容吸收回路可以接在电源输入侧(交流侧)、输出侧(直流侧)和晶闸管的阳极和阴极之间。但R、C阻容吸收回路的时间常数是固定的,对时间短、峰值高、能量大的过电压吸收能力有限,因而在输入侧,通常还并有硒堆、压敏电阻等非线性元件,用以对晶闸管的过电压进行吸收。硒堆由多片硒片叠合而成,硒堆涌流容量大,对过电压抵制效果好,有自恢复特性等优点,但因体积大,价格高,在中、小容量的晶闸管装置中,已经很少应用。

  压敏电阻的电压与电流呈非线性关系,当其两端所加电压低于压敏电压值时,压敏电阻的电阻值接近无穷大,为高阻状态,对连接电路没有影响;当压敏电阻两端电压高于压敏电压值时,迅速击穿导通(变为低阻状态),形成较大的泄放电流。当其端电压因泄放又低于压敏电压值时,又恢复为高阻态。当其两端电压超过最大限制电压时,压敏电阻出现不可逆性击穿损坏。压敏电阻在电路中起到过电压保护、抑制浪涌电流、吸收尖峰电压、电压限幅、稳压等作用。

  图2中的a电路,是并联在晶闸管阳极和阴极之间的RC吸收回路,对晶闸管两端的电压跃变产生抑制作用,降低闸管元件在换向时承受的过电压冲击。其瞬升电压尖刺为电容C所吸收,电阻R为防止振荡出现的阻尼电阻。

  电容C的耐电压值,取回路电压的1.5倍左右,C的容量值在晶闸管通态平均电流值20A~200A时,取值0.1F~0.5F,R取值100~10,功率1W~3W。

  图2中b电路,是在晶闸管两端并联压敏电阻,以吸收突变电压能量,使用压敏电阻需注意两个参数:

  1)压敏电压:即击穿电压或阀值电压,其范围从10~9000V不等。用于单相220V时,其正弦波电压最大值约300V,需采用压敏电压值为470V的压敏电阻器件,用于吸收470V左右的尖峰电压;用于三相380V回路,因电源电压的最大值为500V左右,需采用压敏电压值为800V左右的压敏电阻,吸收回路中可能产生的异常尖峰电压。

  压敏电压值的选用标准,应为回路电压的1.2倍以上,用于交流回路时,应取交流峰值(最大值)电压的1.2倍以上。

  2)流通容量:流通容量的范围为2~20kA,指压敏电阻两端的电压变化不超过10%,在8~20s内施加的峰值电流值。从保护效果出发,选用流通容量大一些的器件交流较好,多只并联使用,其流通容量增大,使击穿时的泄放电流值上升。

  图2的c电路,当压敏电阻并接于L1、L2、L3电源线上时,应选用MYG14k821(压敏电压值820V、流通容量14kA)型的压敏电阻器件;当压敏电阻进行星接时,可选用MYG14K471(压敏电压值470V、流通容量14kA)型的压敏电阻器件。

型号

二、 相序及功率因数角检测电路

  晶闸管交、直流调压装置中,有时还需要另两个检测电路,即相序检测电路和功率因数角检测电路,前者往往和输入电压检测(缺相检测)电路合为一体,后者则需取用电源电压和电源电流两个检测量。

  1、三相电源相序检测电路

  用数字技术生成三相移相触发脉冲时,触发脉冲是严格按一种相序形式正相序或反相序输出的,接入电源相序必须与输出相序相对应;采用三相步同步变压器采集同步脉冲信号,也必须接正相序接入三相电源,以形成正确的同步信号,为控制电路取用。两类移相触发电路,都需要增设相序检测电路,在接入电压相序不符合要求时,能输出相序错误信号(相序错误指示),提示操作者,改变接入相序,使设备得以正常运行。相序检测电路一般由模拟或数字电路来完成,个别机型,将电源电压采样信号,输入微控制器,由软件方法生成相序检测信号

  图4的输入信号为三相同步变压器二次绕组输出的同步信号电压,经电阻R1~R3降压,稳压管DW1~DW3削波成梯形波电压,输入到由1N1组成的与非门电路和1N2、1N3组成的反相器电路的输入端,输出信号驱动由二极管D1~D3组成的或门电路。当三相电源为正相序输入时,每相电压相位均滞后120,D1~D3的负端电位不会出现同时为高电平的时刻,3只二极管总有1~2只处于导通状态,使D4正端电压为地电平,反相器电路1N4输出主电平,LED1指示灯点亮,指示相序正确;当三相电源为反相序输出时,一个周期内出现D1~D3负端时为高电平的时段(3只二极管有同时处于反向截止状态的时刻),形成由+15V经R5、D4向C2的充电回路,使1N4反相器输入端变为高电平,输出端变为低电平,LED1指示灯熄灭,报出相序错误故障。

  2、功率因数角的检测电路

  由晶闸管主电路构成的三相交流调压器,在用于节电运行时,需检测电网侧的功率因数角,控制负载电动机的端电压,达到节能目的。这类设备通常设有功率因数角检测电路,又称为鉴相电路,用于回路中电压和电流的相位差。因感性负载电路中的电压和电流存在着相位差,功率因数越低时,二者的相位差也越大。简单的功率因数角检测电路,是将某一相(如A相)的电流和电压检测信号取出,比较两者的相位差,输出结果即表征着功率因数角的大小。

三、晶闸管开环与闭环控制系统

  晶闸管交、直流调压装置,移相触发电路是基本电路,各种检测和故障保护电路是辅助电路之一,决定着控制功能的PI电路等为辅助电路之二,装置的功能完善与否和质量档次的高低,更多地取决于辅助电路的完善程度。

  简易一些的交、直流调压设备,一般为开环控制系统,输出电压(负载速度)按给定信号变化,输入、输出端不存在反馈环节,输出量对控制不产生影响,因而输出电压(速度)随负载或电源电压变化产生波动,运行不够稳定。

  将输出信号以一定方式返回到作为控制的输入端,并对输入端施加控制影响的一种控制关系;按一定比例取出输出信号回馈到输入端并参与对输出端的再控制,这种目的是通过反馈来实现的。即输出量回馈到输入端后,与输入量进行加减的统一性整合后,作为新的控制输出,去进一步控制输出量。这种控制方式,称为闭环控制方式。

  闭环控制,分为比例(P)控制、积分(I)控制和微分(D)控制,据控制的完善程度不同,可以采用单一比例控制或PID组合控制,较常用的控制方式为PI控制。

  1、比例控制电路

  上图电路,电位器RP1为电压给定电位器,其调节后的电压输出为目标电压值,希望晶闸管交、直流调压装置,能按RP1的设置,输出相应电压值;从电压输出端,经取样变压器或电阻网络或由测速发电机取出反馈电压信号,电位器RP2为反馈量调节电位器,即调节反馈信号的比例值,使输出电压在最低值和全压值的整个范围内,都能受反馈信号的控制。调整RP2,可使反馈(比例)量有一个适宜的范围。

  事实上,电压给定信号与反馈电压信号,二者的合成信号,才形成了输出电压的控制信号,输入至后级移相触发电路,用以控制晶闸管的导通角,使之按预设值输出。

  一般而言,上图电路完成对输出电压的调压和稳压控制,反馈电压信号与给定信号,二者呈相减关系,若RP1给定电压为正值,则反馈电压输入信号即应为负值,两个信号的电压极性是相反的。反馈信号总是对给定信号起到削弱和衰减作用,是负反馈信号,起到使输出电压稳定不变的作用。反馈值肯定要小于给定值,即以一定的比例影响控制信号的大小。

  控制过程如下:当因电源电压上升,或负载变轻引起输出电压上升时,反馈电压信号也上升,与给定信号相抵消,使控制信号电压下降,输出电压变低。反之控制过程使输出电压上升。完成了稳压控制。

  但有些场合,也用到正反馈信号,实现比例控制,如有时为使输出电压稳定,采用正反馈输出电流信号,具体电路请参阅第四章中的电路实例。

  图5的基本比例控制电路,有时又经后级比例放大器电路,进一步进行放大(调整控制信号的输出范围)后,或再与其它反馈信号混合、进行积分处理后,再送入移相触发电路,作为主电路晶闸管的移相角度控制信号。

  2、积分电路和微分电路

  比例控制是一个硬性控制,容易存在稳态误差,引入积分的柔性控制,以一定的时间逐渐消除控制误差,能弥补比例控制的不足。此外,温度控制系统中,发热元件与感温元件都为较大的惰性滞后效应,当给定温度下降信号时,实际上由于热惰性的存在,还须经历一个温升过程,温度才开始下降。解决的办法是使控制作用超前,提前实现超调,以应对热元件的惰性,这就要用到微分控制。实际控制电路中,常采用运算放大器,来完成信号积分和微分任务。

  积分电路:输出电压与输入电压的时间积分成正比的电路;微分电路:输出电压与输入电压的变化率成正比。

  上图a电路为基本积分电路,R1、C的时间常数>输入信号的时间周期,积发电容产生一个较为缓慢的充(放)电过程。当输入阶跃信号时,因R1、C积分作用,使输出量产生一个渐变过程,积分电路对信号瞬变(上升沿)不作反应,对信号的面积(宽度变化)作出反应,改变R1、C的值可改变输出信号的斜率。积分电路用于对输入信号的柔化处理,作用时间长。

  将电路中R1和C的位置倒换一下,即变成图b微分电路,R1、C时间常数<输入信号的时间周期,微分电容的充(放)异常短促。当输入阶跃信号时,微分电路仅对信号的急剧变化部分(信号的上升沿和下降沿)作出反应,输出相对信号上、下沿的两个微分脉冲。微分电路用于对输入信号的突变部分作出快速过冲反应,作用时间短。

  实际控制电路中,积分和微分控制,并非单独应用,而是与比例控制合为一体,都是对比例控制的补充。

  3、PI控制电路

  上图为PI控制电路的一个示例,运算放大器1N,即构成比例(P)放大器,又同时构成积分放大器,身兼双职。0~5V的电压(极性为正)给定信号,由RP1调节后给出,加到1N放大器的同相端,反馈电压信号(电压极性也为正)经R3、C2、R4滤除干扰后输入1N的反相端,1N对两路信号差分比较和放大的结果,使反馈电压按一定比例抵消给定电压的信号幅度,完成比例控制任务。当输出电压升高反馈电压升高Vout输出信号幅度降低,为电压负反馈闭环控制。

  电压给定信号和反馈电压信号也同时输入由R5、C3、RP2等元件与1N放大器构成的积分放大电路,调节RP2,可调整积分时间常数。当输入信号出现阶跃动作时,因电路的积分作用,Vout输出信号按一定时间斜率变化,最后稳定在给定信号与反馈电压的差分放大值上。

  为与后级信号电路相匹配,在控制信号输出端增设了输出电压限幅电路。如后级要求输入信号范围为0~5V时,可调节RP3使活动臂电压为4.5V左右,则Vout输出信号电压高于5V时,二极管V3正向导通,将Vout输出信号电压嵌位于5V左右。

  本文只给出PI控制电路的基本原理介绍,以提供原理性的铺垫,对于微控制器构成的控制系统来说,PID控制也可能是用软件程序方法来实现的。

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