1、半導體變流技術與可控硅整流裝置一. 概述 半導體變流技術是近代工業發展到半導體時代最典型的技術之一，他不僅在發電機勵磁系統方面得到廣泛的應用，在冶金、化工、機械制造、交通運輸等各方面都得到廣泛的應用。可以說，現代生活、生產無處不存在變流技術。半導體變流技術是現代勵磁系統最基本的技術之一。在發電機勵磁系統上他不僅取代了傳統的直流勵磁機，而且在勵磁調節方面取代了傳統的磁放大器、相復勵變壓器和整流器，甚至在滅磁方面也部分取代了磁場斷路器和滅磁電阻的作用。現代發電機勵磁系統中，從電源的變換到發電機勵磁能量的提供，無處不存在變流技術的應用。本課程主要就半導體變流技術的幾種典型應用和具體電路進行分析，同時

2、介紹能達公司生產的STR系列整流裝置的基本性能和技術指標。另外還利用一定的篇幅根據整流裝置在現場的應用介紹一些裝置的故障判斷和處理方法。希望通過本課程能夠對本公司生產人員在變流技術方面提供一定的幫助。二. 變流技術的種類根據變流技術的應用和具體電路，我們將變流技術分成如下幾類：單相半波整流單相全波整流 不可控整流單相橋式整流單相整流單相半波可控整流單相橋式半控整流 可控整流單相橋式全控整流 半導體變流 三相零式整流 不可控整流三相橋式整流 三相整流三相半控橋 可控整流三相全控橋上面的分類只是按照應用最多的情況進行的分類，實際應用中遠較上面的要多。比如六相整流、十二相整流等等。由于這些電路在勵磁

3、系統中應用的較少，我們在分類時就沒有將他們列入。實際上，在早期的模擬式自動勵磁調節器的電壓測量回路中，為了保證測量電壓的紋波系數，六相和十二相整流電路應用的還是很普遍的，只是現代微機勵磁調節器采用交流電壓采樣方式以后，對測量電壓的紋波要求相對降低了而不怎么采用了。三. 單相整流電路3.1單相半波整流電路單相半波整流電路接線圖及波形圖見圖一單相半波整流是半導體變流技術中最基本的電路。他是利用半導體二極管的單向導電性，將交流電轉換為直流電最基本的方法。由于二極管的單向導電性，變壓器二次電壓只有正方向電流才能夠通過二極管而施加到負載上，而負方向由于二極管的阻斷作用而不能施加到負載上，因此，負載上獲得

4、的平均電壓僅為變壓器二次電壓的一半。由于存在二極管導通壓降和變壓器二次繞組的壓降，故電路中：由于在電路的輸出側裝有濾波電容器，負載上的最高電壓將可以達到變壓器二次電壓的峰值電壓，即；同時，由于電容器的放電作用，在變壓器二次電壓下降時，負載上的電壓并不隨二次電壓下降而下降，而是由電容器的放電曲線所決定。單相半波整流電路的波形圖見圖一（b）。圖中：蘭色曲線為變壓器二次電壓，紅色曲線為無濾波電容器時的整流輸出電壓，棕色曲線為有濾波電容器時負載上的電壓。當整流二極管換為可控硅，電路變化為可控單相整流電路時，負載上的平均整流電壓由： 決定。式中：U2變壓器二次繞組電壓的有效值； 移相角。由式可以看出，當

5、改變時，負載上獲得的平均整流電壓會有不同的值。3.2 單相全波整流單相全波整流電路接線圖及波形圖見圖2。在變壓器副邊電壓的正半周，二極管D1處于正向偏置而D2處于反向偏置狀態，D1在正向電壓的作用下導通，D2在反向電壓的作用下截止，負載上獲得e21電壓；在變壓器副邊電壓的負半周，二極管D1處于反向偏置狀態，而D2處于正向偏置狀態，D2在正向電壓的作用下導通，D1在反向電壓的作用下截止，負載上獲得e22電壓。負載上的電壓波形如圖2b中棕色曲線。與單相半波整流電路相比，全波整流的輸出要多一個波，因此，輸出電壓也較半波要高一倍，故： Ud=0.9U2與單相半波一樣，在有濾波電容器時，負載上的最高電壓

6、為變壓器二次電壓的峰值，使用中應當特別注意。3.3單相橋式整流單相橋式整流是實際應用最多的單相整流電路。電路接線見圖3。在電路中，四只整流管組成橋式整流。在變壓器二次電壓的正半周，電流通過D1RfzD2W2形成通路，而在負半周，電流通過D3RfzD4W2形成通路，負載上電壓波形見圖3（b）棕色曲線。與全波整流一樣，橋式整流電路的平均輸出電壓：Ud=0.9U2 當有濾波電容器時，負載上的最高電壓為變壓器二次電壓的峰值。當整流管換為可控硅時，橋式整流可以很方便地變換為可控整流。單相橋式可控整流電路的輸出電壓由： 決定。當可控整流橋接入感性負載時，由于電感電流不能突變，在可控硅關斷期內，必須在負載兩

7、端接入續流二極管以保持電感電流的通路，以防止可控硅關斷時在電感負載兩端產生危險的過電壓和可控硅能夠換相導通。四. 三相整流電路三相整流電路是勵磁系統最基本的變流技術之一。現代發電機自勵勵磁系統幾乎全部采用三相整流電路來解決勵磁系統的功率部分。根據應用場合的不同，三相整流電路分為三相零式、三相半控橋、三相全控橋、多相整流等多種電路形式。三相整流不僅輸出波形的紋波小，而且輸出電壓等級高、電流大，特別適合于大功率整流的場合。4.1三相零式（半波）整流 三相零式整流是多相整流電路的基礎電路，可以說，其他多相整流電路是三相零式整流電路的疊加，掌握這一部分是解決其他多相整流電路的基礎，應當引起足夠的重視。

8、三相零式整流電路的接線圖和波形圖見圖4。由圖4可以看出，在t1t2時段，u2a為正，u2b、u2c均低于u2a ，D1受正向電壓而導通，D2、D3元件關斷；在t2t3時段，u2b電壓上升u2a下降，而u2c則處于最低電壓，故D2導通，D1、D3關斷；在t2t3時段，u2c上升為最高值，其他兩相電壓則下降到較低的值，故此時輪換到D3導通而D1、D2關斷。負載上獲得的電壓如圖4b中蘭線所示波形。整流電壓Ud與變壓器二次電壓的關系有：Ud=1.17U2當整流元件換為可控硅時，整流電壓Ud與變壓器二次電壓的關系有：Ud=1.17U2cos負載上的電流與變壓器二次繞組間電流關系有：I2=0.59Id負載

9、功率與變壓器容量的關系有：這里需要說明，當可控整流電路的負載為電感元件時，要注意在電感兩端并聯續流二極管，以保持電流的連續通路和可控硅的可靠換相。上面的半波整流電路稱為共陰極三相零式電路，他的輸出為正電壓。在實際應用中，為了獲得負電壓，可以將整流元件的陽極作為公共極而輸出，稱為共陽極三相零式電路。電路的分析方法與共陰極三相零式電路一樣，只是要注意電壓的極性應相反。從前面的分析可知，三相零式整流只是利用了變壓器二次電壓的相電壓，相對利用變壓器二次線電壓的三相全波整流來說輸出電壓也較低。此種方式在冶金系統用的更多一些，而在電力系統應用較少。共陰極電路和共陽極電路組合以后，可以形成具有正、負極性輸出

10、的整流電源，也可以提高整流輸出電壓。4.2 三相橋式整流三相橋式整流是電力系統特別是發電機勵磁系統應用最多的方式。在三相橋式整流方式下，他充分利用了變壓器的二次線電壓，不僅提高了整流裝置的輸出電壓水平，還大大降低了整流變壓器的二次電流和損耗。三相橋式整流的電路圖和波形圖見圖5。與三相零式整流電路不同的是，三相橋式整流是以線電壓為基礎進行分析的。如圖所示，在t1t2區間，D1、D6承受的電壓最高，電流通過aD1RfzD6b變壓器a、b相副繞組形成閉環通路；在t2t3區間，D1、D2承受的電壓最高，電流通過aD1RfzD2c變壓器a、c相繞組形成閉環通路，整流元件D6、D2在t2點換相；在t3點，

11、a相電壓下降而b相電壓上升且高于a相電壓，電流由D1換到D3，在t3t4區段形成D3RfzD2變壓器b、c相繞組的閉環通路；在t4點，再次由D2換流到D4，在t4t5區段形成D3RfzD4變壓器b、a相繞組的閉環通路；以下類推。負載上的電壓波形見圖5b蘭色曲線。三相整流元件的導通換流順序如下：D1D6D1D2D3D2D3D4D5D4D5D6三相橋式整流電路的整流電壓與變壓器二次電壓的關系為：式中：U2L整流變壓器二次線電壓三相橋式整流電路的整流輸出電流與變壓器二次繞組電流的關系為：變壓器與整流功率的關系為：4.3 三相半控橋式整流 三相半控橋式整流是在三相橋式整流電路的基礎上，改變其中一組整流

12、元件為可控硅的整流電路。電路的工作原理與三相橋式整流電路完全一樣，所不同的是使用可控硅以后，整流元件的換流不是在自然換流點，而是在觸發點換流。電路接線圖及換流情況見圖6。三相半控橋式整流電路在控制角為00時的輸出波形與三相半波整流時完全一致；控制角在00600范圍內，每個周波有6個波頭，而在6001800范圍內，每個周期只有三個波頭，且波形之間有間距；=600時波形剛好連續。600時每個周期的六個波頭中三個相互間隔的波頭為可控波，三個間隔的波頭為二極管整流波。結合前面對三相整流橋的分析可以看出：1）=00時，三相半控橋的輸出和波形與三相整流橋的波形完全一致。2）600時，三相半控橋波形為六個連

13、續波；600時只有三個波且不連續，其整流電壓與變壓器副繞組之間的關系為：由于三相半控橋在為不同角度時輸出波形有較大的區別，因此，整流電壓與變壓器二次電壓不能維持一個固定的比例關系。=00時，；=900時，。3）通過整流元件和變壓器二次繞組的電流由于角的不同而有較大的差別，他需要按角的區段進行分析。在00600區段內波形連續的情況下，通過整流元件的電流為：因 故 在00600區段內波形連續的情況下，通過變壓器副繞組的電流：將代入式中，得：在6001800區段內波形不連續的情況下，通過整流元件的電流為：則： 在6001800區段內波形不連續的情況下，通過變壓器副繞組的電流為：將IM代入式中得：4.

14、4三相全控橋整流電路三相全控橋整流電路是發電機自并勵勵磁系統應用最多的電路。尤其是三相全控橋能夠在900的情況下實現無源逆變，使此種整流方式得到非常廣泛的應用。三相全控橋整流電路的電路圖和波形圖見圖7。4.4.1 三相全控整流橋的工作狀態 通過前面對三相半控整流橋的分析知道：三相半控整流橋在=00時與三相整流電路的工作狀態完全一樣，而在其他控制角下工作時具有不同的工作狀態。三相全控橋也具有相同的性質，與半控橋不同的是，當全控橋帶感性負載工作時，在00900區段內表現為整流狀態，而在9001800區段內表現為逆變狀態。在00900區段內，由于整流輸出正電壓高于負電壓，輸出電壓的平均值表現為正電壓

15、，習慣上稱整流輸出或整流狀態；9001800區段內，由于整流輸出正電壓低于負電壓，輸出電壓的平均值表現為負電壓，習慣上稱逆變輸出或逆變狀態。而控制角為900時由于整流電壓等于逆變電壓，故輸出電壓為零。下面以控制角900為例介紹感性負載下三相全控橋的工作狀態和波形。整流元件的工作和換流過程與其他三相整流電路一樣，這里不詳細介紹。由圖可以看出，當控制角為900時，共陽極組的輸出電壓波形與功陰極組的輸出電壓波形一致而電壓方向相反，他們疊加以后呈現的總輸出電壓：ud=ud+ud-。實際上，無論在任何控制角下，感性負載都會存在反電壓，只是在控制角900時正輸出表現的高一些，使得總輸出電壓呈現為正電壓狀態

16、，而在控制角900時正輸出表現的低一些，使得總輸出電壓呈現為負電壓狀態。三相全控橋的輸出電壓與變壓器二次繞組電壓的關系有： 或 整流輸出電流與變壓器二次繞組電流的關系有：變壓器容量與朝露功率的關系為：4.4.2 三相半控橋與三相全控橋的區別由于三相半控橋采用了三只不可控整流元件，因此，三相半控橋與三相全控橋存在一定的區別。1）對觸發脈沖的要求。對于三相全控橋要求有不小于600的寬脈沖或總寬度不小于600的雙脈沖；而三相半控橋只需要窄脈沖即可滿足。2）整流電壓的波形不同。在=00時，兩種整流電路的輸出波形完全一致；當00以后，兩者波形就不同。在600時，每個周波半控橋只有三個波頭，全控橋每個周波

17、有六個波頭。3）移相角對平均電壓和線電流的影響不同。阻性負載時，全控橋在=1200時輸出電壓即可為零，而半控橋只有在=1800時輸出電壓才可為零；感性負載時，全控橋在=900時輸出電壓為零，900以后輸出為負值，而半控橋沒有這樣的功能。同時，為了保證整流元件可靠換流，半控橋需要在感性負載兩端并聯續流二極管，而全控橋不需要這樣做。當改變時，半控橋的平均電壓和線電流的變化較全控橋慢。4）當觸發脈沖移到自然換流點以前時，半控橋易發生跳相現象，因此，在整流電路設計時應盡可能避開。5）大電感負載時，半控橋易發生失控現象。大電感負載時，如果發生脈沖丟失，則半控橋極易發生失控現象，設計時必須采取措施保證觸發

18、回路的可靠工作。五.可控硅整流裝置5.1整流裝置的組成 整流元件根據整流系統的需要，整流元件可采用二極管或晶閘管，當采用半控橋時，二極管和晶閘管混用。對于自并勵勵磁系統，整流裝置的接線為全控整流橋式接線，以便能夠實現逆變滅磁；他勵勵磁系統或自復勵系統可以采用全控橋或者半控橋；只有采用變壓器調壓的系統才單純使用二極管。 盤柜 能達公司生產的整流裝置采用自支撐鋼梁、金屬薄板型盤柜。盤柜具有不低于IP20的防護等級，承重不低于500Kg。所有盤柜都帶有通體玻璃柜門，后門開有通風孔并設有防塵濾網。輸入、輸出開關 一般情況下，整流裝置的輸入、輸出開關采用手動操作的隔離刀閘，只在用戶有特殊要求時才采用電動

19、操作的空氣開關。冷卻裝置裝置一般采用強迫風冷方式，整流元件一般使用鋁型材散熱器，目前正在發展熱管散熱器。從冷卻效果看，熱管散熱器較鋁型材散熱器的效率要高許多，目前已經有許多裝置已經采用自冷型熱管散熱器，因此，裝置不僅提高了散熱性能，而且能夠降低費用。  5.2整流元件的保護 整流元件的過載、短路保護整流元件的過載、短路保護一般采用電力電子專用快速熔斷器而不能使用普通熔斷器代替。專用快速熔斷器的電流/溫度特性與普通熔斷器相比具有更好的性能，熔斷時間更短。同時，快速熔斷器在熔斷時的過電壓水平較普通熔斷器要低，能夠有效防止過電壓對整流元件的沖擊和破壞。快速熔斷器的型號一般有：RS型、NT型

20、、NGT型等。其中RS型為國產普通型快速熔斷器型號，NT型、NGT型是進口技術改進的高速熔斷器國產型號。這幾類快速熔斷器雖然在性能上差別不大，但外型上的差別卻較大，互換的可能性不大，使用中應當注意。整流元件的過載、短路保護在電路中的接法見圖9、圖10。 無論是交流側串聯熔斷器接線方式還是整流元件串聯熔斷器接線方式，快速熔斷器均應根據整流元件的通態平均電流來選擇。一般情況下，熔斷器的額定電流應略大于整流元件的通態平均電流，其原因是因為整流元件的通態平均電流與最大平均電流之間有一定的裕度，過載能力還是比較強的。一般選：IRD=1.1IAV。式中：IRD快速熔斷器的額定電流； IAV 整流元件通態平

21、均電流。 整流元件的暫態過電壓保護整流元件的暫態過電壓保護目前主要使用電阻、電容器組合吸收器。由于可控硅在工作過程中其結間電容總是會存儲一定的電荷，在可控硅關斷和換弧的過程中，由于存儲電荷的作用會使可控硅兩端產生暫態過電壓，如果不加以抑制將會對可控硅產生不良的影響，甚至會造成可控硅的損壞。抑制此種過電壓的方法是在可控硅元件兩端并聯阻容吸收器,其接線方式見圖11。 整流元件換相尖峰電壓的吸收和抑制前面介紹過，可控硅在換弧的過程中會產生換弧過電壓。這種過電壓比較會影響可控硅元件本身，也會對系統中其他元件甚至系統本身產生不良影響，必須加以吸收和抑制。方法是在整流橋的輸出端并聯阻容吸收器或尖峰電壓吸收

22、器，接線見圖12。 交流電源過電壓保護5.3整流元件的串、并聯 整流元件的串聯 整流元件的并聯和整流橋的并聯運行6. STR系列整流裝置6.1 整流裝置的技術規范 額定輸入電壓 STR系列整流裝置目前從AC300VAC1000V的全系列均可生產，可以滿足500KW300MW機組容量的需要。 額定輸出電流 目前可以生產單柜300A1800A的全系列，并且計劃在年內達到單柜2500A的生產能力。 冷卻方式及風量要求目前主要采用強迫風冷配合鋁型材散熱器，除少數特殊配置以外，大部分裝置均要求5米/秒的風速。風量根據不同規格的裝置變化，但最小風量4000M3/H，風壓120Pa。為了提高公司整流裝置的規

23、格，目前正在研制自冷熱管散熱器的大功率整流裝置，項目完成以后，可以在800A2500A的范圍內采用自冷型熱管散熱器，不僅產品規格可以上一個檔次，產品的售價、外觀也可以上一個檔次，也有望降低產品的成本，提高產品的經濟效益。6.2 整流裝置的設備配置 整流元件整流元件的規格要根據裝置的技術規范并且經過配置核算進行選擇，為了使產品能夠有一定的適應范圍，公司將產品的規范確定為500V500A以下、500V/500A、600V/800A、600V/1000A、800V/1200A、800V/1600A、800V/1800A等幾個規格。除特殊要求的裝置以外，一般都是全控橋接線，因此絕大部分為平板型晶閘管。

24、 輸入、輸出開關一般情況下，輸入、輸出開關均采用純手動操作的隔離刀閘，當用戶有特殊要求時也可以使用具有電動操作功能的電動式隔離刀閘或空氣開關。輸入、輸出開關的規格應根據裝置的額定輸入、輸出電流、電壓等級進行選擇。6.3 整流裝置結構的變化根據用戶的需要，裝置的結構主要在兩個方面進行變化。其一是進、出線方式。一般情況下，裝置的進、出線為下進下出，可采用或不采用匯流母線；用戶有需要時，可采用上進上出或上進下出方式。其二是風機安裝方式。一般情況下采用盤頂安裝，負壓抽風方式；用戶有要求時可采用盤底安裝，正壓強迫出風方式。對于輸出電流小于800A的整流裝置，一般采用小功率風機組；大于1000A的整流裝置

25、采用大功率單風機。7. 整流電路的故障診斷對于單相整流電路，其故障狀態反應比較直觀，如果整流元件有故障時，主要反映在輸出電壓較正常輸出有非常明顯的變化。如果濾波元件有故障，反映在輸出電壓時是較正常電壓低一定的數值。但是，三相整流電路情況較單相整流電路要復雜的多，不僅輸出電壓要發生變化，且變化的數值與元件故障的情況也有非常復雜的關系，不可能用特定的數值來描述。下面將根據不同類型的故障分析故障原因。7.1 三相整流電路單只元件故障 三相整流電路發生單只元件故障時，反映在輸出電壓上是較正常電壓低1/3，輸出波形少2個波頭。假設+C相元件發生開路故障，則輸出電壓將從U0下降為U1，輸出電壓波形的ca、

26、cb將丟失，純阻性負載三相整流電路發生單只元件故障時的波形見圖7-1。如果發生故障的元件不是+C而是其他相時，可以依照上面的方法找到對應的波頭，可以很方便地查到是哪一相的元件故障，以便有針對性地進行處理。這里需要指出的是，使用示波器進行檢測時，應保證示波器的同步方式與信號系統的同步狀態，以便準確地對每一相電壓波形進行定相。當示波器無法與信號系統同步時，也應保持示波器在同步狀態下工作，否則很難檢查出準確的相位關系。7.2 三相整流電路兩只元件故障三相整流電路兩只元件故障有兩種情況。其一，同組不同相的兩只元件故障。其二，同相不同組的兩只元件故障。同組不同相的兩只元件故障時（假設+A、+B開路故障）

27、，整流輸出僅有兩個波頭，且兩個波頭連在一起（見圖7-2）；同相不同組的兩只元件故障時（假設+A、-A開路故障），整流輸出也只有兩個波頭，但兩個波頭不連在一起（見7-3）。因此，他們的輸出電壓僅為正常輸出電壓的1/3。7.3 其他故障7.3.1 脈沖干擾當發生觸發脈沖質量問題而使晶閘管不能正常導通時，整流輸出的波形變化比較復雜。一般情況下，三相整流電路的晶閘管正常情況下應導通1200，如果主脈沖不能使晶閘管導通而補脈沖仍然能夠使晶閘管導通時，則整流輸出的波形可能只有600左右。如果主脈沖能夠觸發晶閘管而補脈沖不能觸發晶閘管，則需要視控制角來判斷晶閘管的實際導通角度。若控制角為300，則晶閘管應導

28、通到下一只元件被觸發換流，導通的角度也可能達到900左右；若控制角為600，則晶閘管也應導通到下一只元件被觸發換流，導通的角度可能達到600左右。晶閘管是否正常導通，可以通過檢測觸發脈沖是否有導通平臺來判斷。如果觸發脈沖無導通平臺，說明晶閘管沒有導通，有平臺的則說明晶閘管已經正常導通。同時，可以通過導通平臺的寬度來判斷晶閘管導通的實際角度。7.3.2 脈沖丟失 脈沖丟失的表現主要是裝置輸出電流明顯減小。電流減小的數值與脈沖丟失的當時和組別有關系，反映在電壓和波形上與整流元件故障完全一樣。一般情況下，在發生輸出電流明顯減小時只要檢查晶閘管控制極的脈沖即可發現故障區域，進一步檢查可查到具體故障點。7.3.3誤導通在正常控制狀態下，整流裝置發生較正常輸出電流超出很多時稱為誤導通如果發生部分晶閘管擊穿短路現象或其他故障（如阻容元件故障），則裝置會出現誤導通（勵磁裝置習慣