Ross Hill可控硅系統晶閘管擊穿現象分析

張志豪

摘? 要：根據ROSS HILL在電動鉆機應用的實際情況，分析了電路特點，并提出了一些改善SCR工作狀況的設想。

關鍵詞：晶閘管;基本結構;伏安特性;過電壓情況;電感性負載;保護措施;壓敏電阻 RC電路

晶體閘流管（簡稱晶閘管，又稱可控硅即SCR），發明于1957年。它可以將交流電源變成直流電源，且電壓可調。電動鉆機中的可控硅系統就是利用這一原理，將柴油發電機組發出的交流電源整流成可控的直流電源，用以驅動絞車、轉盤及泥漿泵等鉆機主驅動設備，使得這些設備獲得了一個連續可調的速度范圍。這一特點大大地改善了鉆井工況。晶閘管具有體積小、重量輕、效率高、動作迅速、維護簡單、操作方便、壽命長等，但是，可控硅有兩個致命弱點，就是耐過電壓能力差，耐過電流能力差。在實際使用中可控硅的損壞基本都是緣于這兩點。下面根據常使用過的陸上鉆機用ROSS HILL可控硅系統來作一下分析。

一、在ROSS HILL系統中造成晶閘管擊穿的情況分析

（一）過電壓原因。（1）電感性負載突然加載或卸荷產生過電壓。我們知道電機的起動電流很大，在起動的瞬間，電路中的電流會產生突變。現取一相分析，設在這一相中電流為i ，等效電感為L，則在起動瞬間，在這一相中會產生一個瞬時的峰值電壓為u=L·di/dt。由此等式可知電感性負載越大，則L越大;帶載越大，起動電流越大則電流變化率越大即di/dt越大，所以u越大。（2）諧振過電壓。晶閘管在整流過程中會產生匝散電流，而這些電流通常是多次諧波或高次諧波，當某次諧波恰好和電路的當時的自振頻率相同而產生諧振，就可能出現最高電壓，如果兩者的頻率不相等，也可能產生過電壓，但通常較小，不會夠成危害。

（二）過電流原因。如系統在長期的過載情況下運行，電流一直很大，導致晶閘管發出大量的熱，長時間積累，會最終燒毀晶閘管。另外，晶閘管在整流過程中，也有可能某個管子在工作中出現誤觸發，根據上圖可知這是一個三相全波全控硅整流系統，在工作中任何一個整流回路均有兩個閘管在同時工作，正常情況下，這一對管子開啟和關斷是同時的，兩者導通角的變化也是一致的。如果出現一個管子誤觸發，將會有可能使兩相直接短路，產生很大的電流燒毀晶閘管。

二、ROSS HILL系統保護晶閘管的措施

（一）采用壓敏電阻吸收過電壓。在ROSS HILL系統中為了防止交流母線中的峰值電壓擊穿晶閘管，它采用在母線之間加上壓敏電阻的方法。因為壓敏電阻（MOV）在臨界電壓之內表現出很高電阻，在正常情況下，它相當于斷路，所以對系統沒有影響，但是如果加在壓敏電阻上的電壓超過了臨界電壓，它將表現出很低的電阻，這樣當在交流母線上出現過高的峰值電壓時，壓敏電阻突然電阻變小，從而將此峰值電壓產生的能量消耗掉，保護晶閘管。

（二）采用RC回路吸收高頻過電壓。采用RC吸收回路，是該系統保護晶閘管元件的另一措施。如圖形所示，在每個晶閘管上都并聯一個RC電路，該電容就是用來吸收回路中的高頻過電壓。壓敏電阻吸收回路作為主保護，RC吸收回路作為輔助保護。

（三）與晶閘管串聯快速熔斷器進行過電流保護。在ROSS HILL系統中每個晶閘管串聯了快速熔斷器，所以它能有效地防止由于過電流而燒毀。

三、ROSS HILL系統的不足

盡管系統有壓敏電阻來保護晶閘管，但是有時這種電壓過高因而產生的瞬時電流極大，這樣，如果交流母線上短時間內反復出現這個峰值電壓且較高，它將會使三個與壓敏電阻相連的熔斷器（圖中的FU7、FU8、FU9）中的幾個或全部熔斷。這樣，在下一個峰值電壓到來之時，該電路就不再起作用，因此整流電路中的晶閘管將得不到保護。而RC吸收回路只能對于那些周期短、信號小的吸收作用才明顯，而對于那些周期長、信號強的峰值電壓基本不起作用，但是在實際工作中往往也會出現這種情況。某井隊在TK622井施工期間，ROSS HILL系統就曾出現過這樣的一個故障。當時，由于電網中的負載不穩定，在交流母線B相和C相之間中出現了較高的峰值電壓，導致了FU8、FU9這個熔斷器熔斷，緊接著當在T2和T4（或T6）導通時，這個峰值電壓將會直接加在T3上，導致了T3的反向擊穿，擊穿瞬間就相當于B相和C相短路，此時電流很大，致使FU2和FU3熔斷，斷路器跳閘。

四、現場使用如何避免產生過高的峰值電壓

對于大型的電機，采取降壓起動或星形接法起動，使起動電流減小一點;在降載時，應盡量采取逐漸卸載法，避免產生沖擊電壓。對于可控硅系統的直流負載，本身不會突然加載和卸載，但是應避免長時間的過載大電流工作，以及加強電控房內的通風及保持適當的室溫以便改善晶閘管散熱條件，同時也能提高晶閘管的正向轉折電壓和反向轉折電壓。