晶闸管电路的保护与其他控制电路

晶闸管电路的保护与其他控制电路
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。

图1 快速熔断器在晶闸管主电路中的接法
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0.1μF~0.5μF，R取值100Ω~10Ω，功率1W~3W。

图2 晶闸管过电压保护电路
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8~20μs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。
表1 常用部分压敏电阻器件的型号和参数：
型号 最大连续工作电压 压敏电压 最大限制
电压 通流容量（8/20u s） 最大能量
（J） 额定功率 电容量
AC(V) DC(V) V0.1mA Vp(V) lp(A) 1次(A) 2次(A) 10/
1000us 2ms (W) 1KH Z (pF)
MYG-32D391K 250 320 390(351-429) 650 200 25000 20000 330 3200
MYG-32D431K 275 350 430(387-473) 710 200 25000 20000 360 3100
MYG-32D471K 300 385 470(423-517) 775 200 25000 20000 380 2800
MYG-32D511K 320 415 510(459-561) 845 200 25000 20000 430 2700
MYG-32D621K 385 505 620(558-682) 1025 200 25000 20000 470 2400
MYG-32D681K 420 560 680(612-748) 1120 200 25000 20000 495 2200
MYG-32D751K 460 615 750(657-825) 1240 200 25000 20000 520 2000
MYG-32D781K 485 640 780(702-858) 1290 200 25000 20000 550 1900
MYG-32D821K 510 670 820(738-902) 1355 200 25000 20000 580 1800
MYG-32D911K 550 745 910(819-1001) 1500 200 25000 20000 620 1300
MYG-32D951K 575 765 950(855-1045) 1570 200 25000 20000 650 1200
MYG-32D102K 625 825 1000(900-1100) 1650 200 25000 20000 685 1100
MYG-32D112K 680 895 1100(990-1210) 1815 200 25000 20000 750 1000
MYG-40D210K 130 170 200(185-225) 395 250 40000 25000 310 8400
MYG-40D241K 150 200 240(216-264) 455 250 40000 25000 360 8000
MYG-40D271K 175 225 270(243-297) 550 250 40000 25000 390 7600
MYG-40D331K 210 275 330(297-363) 595 250 40000 25000 460 6700
MYG-40D361K 230 300 360(324-396) 650 250 40000 25000 475 6200
MYG-40D391K 250 320 390(351-429) 710 250 40000 25000 490 5100
MYG-40D431K 275 350 430(387-473) 775 250 40000 25000 550 4900
MYG-40D471K 300 385 470(423-517) 845 250 40000 25000 600 4300
MYG-40D511K 320 415 510(459-561) 1025 250 40000 25000 640 4200
MYG-40D621K 385 505 620(558-682) 1120 250 40000 25000 720 3800
MYG-40D681K 420 560 680(612-748) 1240 250 40000 25000 750 3500
MYG-40D751K 460 615 750(675-825) 1290 250 40000 25000 780 3200
MYG-40D781K 485 640 780(702-858) 1355 250 40000 25000 820 3000
MYG-40D821K 510 670 820(738-902) 1500 250 40000 25000 900 2900
2、控制电路中的电流、电压信号检测和停机保护电路
一台完善的晶闸管调压设备，不仅能完成交、直流调压控制的任务，其故障检测与保护功能往往也是比较完善的。成熟的交、直流调压装置，是集调压控制与保护功能于一体的。

图3 晶闸管调压装置的电子保护电路
用3只电流互感器取得电流信号和过载保护信号，是最基本的和较为常见的一个方法。
由TA1~TA3等3只电流互感器，取出三相工作电流信号，即可形成过载、短路和缺相等故障保护信号，而且采集电流信号作为缺相故障的判断，比采集电压信号更为准确和合理，不仅能反映电源的缺相，还能反映出负载电动机的绕组有否缺相故障。检测到的电流信号和由电流信号形成的故障信号，送往后级电路，除用作运行（起动）电流显示，故障显示外，还向移相触发电路，输送故障时的停机保护信号，使主电路晶闸管在故障发生后处于可靠的关断状态。
有些设备还增设了输入电源检测电路，由隔离变压器、光耦合器或由电阻衰减直接引入三相电源电压信号，并由检测信号产生电源缺相故障信号，和输入电源电压的过电压、欠电压信号，送入后级电压显示、故障显示和停机信号电路，故障时关断晶闸管。
部分设备的电路，还从主电路输出端，取出电流/电压反馈信号，除用于形成电流环/电压环的闭环控制外，电流/电压反馈信号，还用于输出电流/电压值的显示和故障报警停机信号。
控制电路中的电流、电压信号检测和停机保护电路，在本书后续几章，有针对电路实例的详尽讲解，请参阅本书后文。
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 三相电源相序检测电路与三相电源波形图
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。
电路实例另文介绍。
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

图5比例控制电路的基本形式
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。

图6 积分、微分电路及工作波形图
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

图7 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。