淺論同步電機(jī)可控硅整流裝置的選型

楊 衛(wèi) 斌, 熊 杰, 荀 國(guó)

(1.昆明電機(jī)廠有限責(zé)任公司，云南 昆明 650100；2.武漢市陸水自動(dòng)控制技術(shù)有限公司，湖北 赤壁 437302)

1 三相全控橋式整流電路特點(diǎn)分析

典型的三相全控橋整流電路如圖1所示，由六只可控硅KG1～KG6組成，正側(cè)KG1、KG3、KG5，負(fù)側(cè)KG4、KG6、KG2，負(fù)載為包括有大電感和電阻的同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組。

1.1 控制角α<90°情況

圖1 三相全控整流電路圖

當(dāng)可控硅的控制角α<90°時(shí)，三相全控橋式整流電路工作于整流狀態(tài)時(shí)，將三相交流電源通過整流裝置轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷鹘o勵(lì)磁供電。當(dāng)α<60°時(shí)，整流輸出電壓是單相脈動(dòng)和連續(xù)的波形，平均值為正；當(dāng)60°<α<90°時(shí)，由于勵(lì)磁繞組電感放電的作用，整流輸出電壓是正負(fù)相間、不對(duì)稱的波形，但正的部分大于負(fù)的部分，平均值仍然是正的，仍然向勵(lì)磁供電。

1.2 控制角α>90°情況

當(dāng)可控硅的控制角α>90°時(shí)，三相全控橋式整流電路工作于逆變狀態(tài)，將同步電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組中的儲(chǔ)能轉(zhuǎn)化變?yōu)榻涣鞣答伒较到y(tǒng)中。

1.2.1 逆變的條件

同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組具有足夠大的電感量，在逆變時(shí)，它由原來的負(fù)載狀態(tài)變?yōu)殡娫礌顟B(tài)，成為逆變能源，儲(chǔ)存在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子中的磁場(chǎng)能依據(jù)愣次定律轉(zhuǎn)換為電勢(shì)能。同步發(fā)電機(jī)逆變滅磁需滿足如下兩個(gè)條件：

a. 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器中的逆變限幅電路給脈沖發(fā)生器一個(gè)信號(hào)，使產(chǎn)生對(duì)應(yīng)逆變角90°>β≥30°的控制脈沖，三相全控橋的輸出電勢(shì)變?yōu)槟孀儬顟B(tài)的電勢(shì)，其方向與原整流電勢(shì)的方向相反。

b. 三相全控橋交流側(cè)要維持有一定電壓，以保證整流橋可控硅元件可以輪換導(dǎo)通。

1.2.2 逆變滅磁

在逆變時(shí)，同步發(fā)電機(jī)即進(jìn)入逆變滅磁狀態(tài)，勵(lì)磁繞組中的電感放電電勢(shì)克服三相全控橋的逆變電勢(shì)，經(jīng)可控硅元件反饋到交流側(cè)實(shí)現(xiàn)電流衰減的逆變。勵(lì)磁繞組中的電流方向維持不變而逐漸衰減。由于勵(lì)磁繞組中的電感放電電勢(shì)與原來的負(fù)載電勢(shì)方向相反，而電流方向不變，故逆變時(shí)的功率對(duì)整流狀態(tài)來說是負(fù)功率。因此消耗了發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組中儲(chǔ)存的能量，能夠達(dá)到滅磁的目的。

1.2.3 最小逆變角βmin

可控硅逆變角β=π-α，控制角加大，則逆變角減小，但逆變角不能太小，否則會(huì)造成逆變顛復(fù)(短路)。為了防止顛復(fù)，必須考慮可控硅元件從導(dǎo)通狀態(tài)變成關(guān)斷狀態(tài)所需要的時(shí)間角δ和換相時(shí)換相電抗的影響重疊角γ，即能在β>γ+δ時(shí)可靠地輸出觸發(fā)脈沖，根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和理論分析βmin一般取30°為宜。

1.3 整流橋尖峰過電壓的影響

整流橋陽極電壓，即勵(lì)磁變壓器的二次額定電壓取值越高，在額定狀態(tài)下整流器將處于控制角α值較大的深控狀態(tài)，由諧波理論可知，當(dāng)整流器的負(fù)載值和可控硅陽極變壓器的漏感一定時(shí)，可控硅換相時(shí)的重疊角γ將隨控制角α的增加而減少，而γ角的減小會(huì)使諧波電流含量明顯增大，由此引起危及整流元件安全運(yùn)行的尖峰過電壓也越高。

2 整流器的參數(shù)選擇

對(duì)于新機(jī)組，主要是根據(jù)同步電機(jī)的額定勵(lì)磁電壓(VLN)、額定勵(lì)磁電流(IfN)來選擇計(jì)算整流器元器件的參數(shù)。

2.1 可控硅陽極線電壓(U2)

根據(jù)計(jì)算公式，整流電壓平均值Ud：

當(dāng)α=0，γ=0時(shí)，

負(fù)載可控狀態(tài)下，α>0，時(shí)，γ>0時(shí)

實(shí)際計(jì)算時(shí)，考慮2倍的強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)和損耗，可按下面的經(jīng)驗(yàn)公式選取：

2.2 可控硅的反向重復(fù)峰值電壓URRM

可控硅的反向重復(fù)峰值電壓URRM既要為滿足整流元件需承受的反向電壓最大峰值，又要保證功率整流器的最大允許電壓高于勵(lì)磁回路直流側(cè)過電壓保護(hù)裝置動(dòng)作電壓整定值：

式中K″為電壓裕度系數(shù)，取值4.0。

2.3 可控硅通態(tài)平均電流IT(AV)(A)

通態(tài)平均電流應(yīng)滿足強(qiáng)勵(lì)磁工況下的勵(lì)磁電流。單個(gè)橋臂流過的電流平均值:

IT(AV)=KUIfN

式中KU為強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)，取值1.6；IfN為額定勵(lì)磁電流，單位為安培(A)。

2.4 可控硅的觸發(fā)脈沖

可控硅三相全控整流橋的觸發(fā)脈沖可采用雙脈沖或?qū)捗}沖兩種方式，但要求脈沖的前沿要陡。寬脈沖功耗大，電路簡(jiǎn)單；雙脈沖可大大地降低功耗。為了產(chǎn)生既陡又窄的尖脈沖，通常采用脈沖列觸發(fā)的方式，可以將寬脈沖調(diào)制成脈沖列，也可將雙脈沖調(diào)制成脈沖列。將雙脈沖調(diào)制成脈沖列的方式可靠性高，功耗小，見圖2。

3 整流器的保護(hù)

勵(lì)磁整流裝置除了給發(fā)電機(jī)提供磁場(chǎng)外，還有一項(xiàng)重要的任務(wù)就是必須保證發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和自身的安全。

3.1 功率整流回路的保護(hù)

主回路所設(shè)置的保護(hù)應(yīng)考慮兩點(diǎn)：(1)對(duì)勵(lì)磁裝置自身的安全工作進(jìn)行保護(hù)；(2)對(duì)同步電機(jī)的勵(lì)磁繞組進(jìn)行保護(hù)。

3.1.1 防御直流側(cè)和交流側(cè)操作的過電壓

當(dāng)接通整流變壓器初級(jí)繞組時(shí)，由于變壓器初級(jí)繞組的漏電抗和次級(jí)繞組分布電容或抑制電容，組成了一個(gè)諧振電路，所產(chǎn)生的諧波分量與可控硅的工作點(diǎn)有關(guān)。即：可控硅在開、閉合的瞬間會(huì)疊加成階躍電壓，閉合時(shí)的階躍電壓，有可能達(dá)到正常反峰電壓的2倍，斷開時(shí)階躍電壓其峰值有可能達(dá)到正常反峰電壓的8～10倍，而當(dāng)直流側(cè)斷開時(shí)，貯存于交流電路和變壓器漏抗中的磁場(chǎng)能量會(huì)在開關(guān)和整流器兩端產(chǎn)生過電壓，這些過電壓有可能使整流元件損壞，必須采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施。通常采用阻容吸收或非線性電阻吸收方式。

圖2 可控硅觸發(fā)脈沖波形圖

(1)阻容吸收電路，由于電容兩端的電壓不能突變，利用這一特性可對(duì)階躍電壓進(jìn)行有效吸收，見接線圖3。

圖3 阻容吸收接線圖

(2)交流側(cè)操作過電壓保護(hù)：

①交流側(cè)吸收電路參數(shù)計(jì)算:

電容容量C(μF)：

電阻阻值R(Ω)：

電阻功率值Pr(W)：

Pr=(2～3)(KpIoi)2R

式中Ui為可控硅陽極空載相電壓，單位為伏特(V)；Ioi為可控硅陽極空載相電流，單位為安培(A)；F為電源頻率,單位為赫茲(Hz)；KC、Kr、KP為計(jì)算系數(shù)見表1。

表1 交流側(cè)過電壓 RC 抑制電路計(jì)算系數(shù)

注： 電容額定電壓選擇，應(yīng)高于交流側(cè)最高工作電壓峰值的 1.1～1.5 倍。

②直流側(cè)吸收電路參數(shù)計(jì)算:

電容容量Cd(μF)；

電阻阻值Rd(Ω)：

電阻功率Prd(W)：

式中Uoi為可控硅陽極空載相電壓，單位為伏特(V)；Ioi為可控硅陽極空載相電流，單位為安培(A)；f′為整流橋最低脈動(dòng)頻率，單位為赫茲(Hz)，取6f，f為電源頻率，單位為赫茲(Hz)；Vdo為控制角為零時(shí)，空載整流電壓平均值，單位為伏特(V)，可取1.35Ui，Ui為可控硅陽極線電壓，單位為伏特(V)；Kcd、Krd、Kc為計(jì)算系數(shù)見表2。

表2 直流側(cè)過電壓RC抑制電路計(jì)算系數(shù)

注： 電容額定電壓選擇，應(yīng)高于直流側(cè)最高工作電壓的 1.1～1.5 倍，當(dāng)選用直流電容時(shí)，電容電壓應(yīng)高于直流側(cè)最高工作電壓的3～5 倍; 在實(shí)際選型時(shí)，電阻功率Prd應(yīng)大于計(jì)算值 5～10 倍。

3.1.2 浪涌吸收器保護(hù)回路參數(shù)計(jì)算

氧化鋅非線性電阻閥值電壓U1mA(V)：

式中KB為電網(wǎng)電壓上升系數(shù)，取0.05～0.1;U為回路工作電壓有效值，單位為伏特(V)。

氧化鋅非線性電阻閥值電壓U1mA應(yīng)小于晶閘管URRM。

3.1.3 晶閘管換相過電壓并聯(lián)阻容保護(hù)回路參數(shù)計(jì)算

(1)主要包括電容和電阻的選型

①電容選型

電容容量Cc(μF):

Cc=(2.5～5)IT(AV)×10-3

電容額定電壓Uc(V):

Uc=(1.1～1.5)URRM

式中IT(AV)為晶閘管通態(tài)平均電流，單位為安培(A)；URRM為晶閘管反向重復(fù)峰值電壓，單位為伏特(V)；

電容容量根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，可按表3選取。

表3 電容容量選取表

②電阻選型

電阻阻值Rc(Ω)：

電阻功率Prc(W)：

Prc≥5×(URRM×2πfCc)2×10-12×Rc

式中RC通常在10～40歐之間選取；Lk為勵(lì)磁變壓器漏電感，單位為毫亨(μH);URRM為晶閘管反向重復(fù)峰值電壓，單位為伏特(V)。

該式表明，可控硅在換相過程中所產(chǎn)生的能量須由與整流元件并聯(lián)的R-C阻容緩沖器旁路并予以吸收，而這個(gè)能量與URRM有關(guān)，而URRM是根據(jù)額定勵(lì)磁電壓和勵(lì)磁的強(qiáng)力倍數(shù)來選的，即，阻容吸收的換相磁場(chǎng)能量與外加電壓的平方成正比，并且存儲(chǔ)與吸收能量之間應(yīng)達(dá)到平衡并有一定的吸收容量?jī)?chǔ)備，否則將導(dǎo)致吸收換相能量的阻容元件被燒毀，進(jìn)而引起整流橋相間短路。

3.1.4 可控硅跨接器+非線性電阻吸收

對(duì)于能量較大的過電壓，可采用在轉(zhuǎn)子兩端并聯(lián)可控硅跨接器加非線性電阻的方式來吸收，見圖4。

圖4 可控硅跨接器非線性保護(hù)+滅磁原理圖

該接線既能實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能，又能實(shí)現(xiàn)滅磁功能，而且是雙向的。發(fā)電機(jī)在運(yùn)行狀態(tài)下，Q1-2是閉合的，如果出現(xiàn)過電壓則RM動(dòng)作，起到保護(hù)轉(zhuǎn)子的作用。當(dāng)需要滅磁或Q1-2斷開，Q1-1閉合，則正向過電壓時(shí)，KP導(dǎo)通，通過RM實(shí)現(xiàn)保護(hù)，反向過電壓時(shí)，RM與ZP導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能。

3.2 冷卻設(shè)備

在目前中小型機(jī)組的的整流勵(lì)磁設(shè)備中，硅元件的冷卻方式有自然冷卻、風(fēng)冷和熱管冷卻等方式，以風(fēng)冷和自然冷卻為主。由于目前國(guó)產(chǎn)三相風(fēng)機(jī)的噪音較大，可改用單相風(fēng)機(jī)，單相風(fēng)機(jī)的性能好、壽命長(zhǎng)、噪音小(一般都低于60分貝)、價(jià)格低。我國(guó)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求整流器柜風(fēng)機(jī)的噪音，在距柜1米處不大于70分貝；熱管冷卻方式由于體積小、噪音低、熱傳導(dǎo)效率高，已開始實(shí)際運(yùn)用，但目前的制作加工水平不很穩(wěn)定，如果出現(xiàn)慢性漏氟，也無法檢測(cè)，時(shí)間長(zhǎng)了很有可能損壞整流元件，同時(shí)也不利于環(huán)保。

4 結(jié) 論

同步電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)中，可控硅整流裝置的參數(shù)選擇不僅要合理的選擇可控硅元件的參數(shù)，也要合理地配置和選擇保護(hù)電路及保護(hù)元件的參數(shù)。了解三相全控整流電路的原理和特點(diǎn)是合理選擇元件參數(shù)的基礎(chǔ)。

按本文推薦的計(jì)算公式可知，整流裝置的強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)與整流元件的參數(shù)選擇和保護(hù)電路的參數(shù)選擇有很大關(guān)系。勵(lì)磁的強(qiáng)力倍數(shù)越高，額定運(yùn)行情況下可控硅的控制角α就越大，可控硅整流時(shí)產(chǎn)生諧波能量和換相過電壓也越高，對(duì)保護(hù)的要求也越高，整體安全性降低。

從運(yùn)行角度出發(fā)，期望對(duì)陽極電壓的選擇在滿足電力系統(tǒng)穩(wěn)定要求的同時(shí)，應(yīng)兼顧到不至于影響和危及到整流裝置安全運(yùn)行的各種因素。合理的選擇強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)是整流裝置安全、經(jīng)濟(jì)、合理運(yùn)行的重要因素。