电力电子技术在高压领域应用概况(三)

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四、高压电机软起动

　　1，中、高压(6～10 kV)电机常用的起动方法

　　交流电动机是在各种领域中应用最为广泛的电动机，为解决交流电动机在起动过程中对电网、机械的冲击，人们采取过很多办法，传统的有串电阻起动、串电抗器起动、星—角转换起动、自耦降压起动、变频起动等。

　　用晶闸管控制的电机软起动装置是利用晶闸管反并联、调节晶闸管的导通角达到交流调压的目的，为解决在空载和轻载时交流异步电动机功率因数过低的问题，此技术得到了应用。后来又引入电流反馈技术，使该项控制水平大幅度提高，得到广泛的采用。

　　2，电机软起动的好处

　　⑴ 可减小对电网的冲击，可降低变压器的容量

　　普通鼠笼式电动机在空载全压直接起动时，起动电流会达到额定电流的5～7倍。当电动机容量相对较大时，该起动电流将引起电网电压急剧下降。采用软起动后起动电流可降为额定电流的1.5～3倍，可大大降低电网电压的波动率。

　　⑵ 可减小对电机的伤害，延长电机寿命

　　电动机直接全压起动时的大电流在电机定子线圈和转子鼠笼条上产生很大的冲击力，引起电机故障。软起动时的电动力是其四分之一。可见效果是非常明显的。

　　电动机直接全压起动时的大电流会使定转子绕组产生大量的焦耳热。烧损绕组绝缘，降低电机寿命。软起动可以大大降低发热量。提高电机寿命。

　　电机直接全压起动时，会产生操作过电压，在最不利的情况下过电压会达到额定电压的5倍，这对电机绝缘将造成极大的伤害。

　　⑶ 可减小对机械的伤害，延长机械寿命

　　软起动时电机缓慢加速，力矩逐步加大，有利于润滑油脂的充分到位，还免除了干磨现象。这些都极大程度地减小了对电机的伤害，有利于提高机械设备的寿命。

　　3，晶闸管的耐压问题

　　在高压电机软启动中使用的晶闸管也因单只晶闸管耐压不够要串联运行，有如上述TCR中晶闸管阀组那样。当晶闸管的额定电压小于实际要求时，可以用两个以上同型号器件相串联。理想串联希望各器件承受电压相等，但实际上因器件特性之间的差异，一般都会存在电压分配不均匀的问题。串联的器件流过的漏电流总是相同的，但由于静态伏安特性的分散性，各器件所承受的电压是不等的。承受的电压高的器件将首先达到转折电压而导通，使另一个器件承担全部电压也导通，两个器件都失去控制作用。同理，反向时，因伏安特性不同而不均压，可能使其中一个器件先反向击穿，另一个随之击穿。这种由于器件静态特性不同而造成的均压问题称为静态不均压问题。

　　为达到静态均压，首先应选择参数和特性尽量一致的器件，此外可以采用电阻均压。

　　由于器件动态参数和特性的差异造成的不均压称为动态不均压。为达到动态均压，同样首先应选择动态参数和特性尽量一致的器件，另外，还可以用RC并联支路做动态均压。对于晶闸管来讲，采用门极强脉冲触发可以显著减少器件开通时间上的差异。

　　4，软起动装置性能的比较

　　目前国内外的中高压软起动产品主要有两种，一种为应用高压变频器软起动另一种应用可控硅做软起动，在此笔者简要的介绍一下两种装置的性能。

　　⑴ 高压变频器软起动

　　变频器装置主要是用在交流电机的调速上，具有明显的节能效果。如果把变频装置用来做软起动，在整个起动过程中电机不会有过流现象，对起动转矩大的负载，具有很好的起动性能。但对于起动转矩小的，这一优点则表现不出来。

　　⑵ 晶闸管软起动

　　此种方法有两种结构，一是将晶闸管直接串联应用(3a)、二是开关变压器技术(3b)，此两种方式主电路形式如下：

　　图3a中电路清晰结构简单，但存在元件参数一致性要求及输出谐波问题，虽有占地空间较小的优势但安全稳定性堪忧。

　　图3b中电路结构很清晰，与a相比虽有占地空间稍大问题，但不存在参数一致性要求也不存在输出谐波污染问题，安全稳定。

　　就目前电力电子器件的情况来说b更有技术优势，但随着电力电子技术不断的升级改进，在软起动领域中3b最终将被3a所取代。

　　五、晶闸管阀组

　　高压晶闸管阀组是TCR中十分重要的部件。根据SVC的电压要求，采用若干个晶闸管串联而成，使其耐压水平达到SVC要求。晶闸管阀组中还有散热器、均压/阻尼电容器和电阻器、高电位触发板和支撑架等。要求散热器和晶闸管一隔一的排列，以便每个晶闸管都能均匀地得到散热。晶闸管阀组散热采用水冷散热器或热管散热器。

　　串联后的晶闸管耐压要留有足够大的裕量。例如单相10kV晶闸管阀组单臂半波共串联10个6500V晶闸管元件。单相6kV晶闸管阀组单臂半波共串联6个6500V晶闸管元件。要求晶闸管，开通、触发特性一致性好，高温特性优良，适合多只串联使用。串联后的晶闸管要有均压措施、过压保护，和丢脉冲保护等功能。晶闸管阀层采用击穿二极管(BOD)进行快速保护。由于每个晶闸管处于不同的电位，为实现高低电位完全隔离，要求触发板自取能，可控硅触发电路采用光电转换装置，光信号触发。触发器的同步信号取自电网电压，经同步变压器降压，光耦后作为同步信号。触发器接到触发命令后,产生宽脉冲的触发命令，再通过光纤传递给脉冲功放产生脉冲列信号，经过磁隔离变压器隔离，触发晶闸管。磁隔离脉冲变压器提供同一组晶闸管阀串相同的触发脉冲信号,即触发脉冲信号同时开始、同时停止,以保证阀串同时导通。并且磁隔离变压器起到低压控制回路与中压主回路绝缘、隔离的作用。专门用于多个晶闸管串联系统的特种脉冲变压器,可满足3-12个晶闸管串联同时触发的需要。其结构和工艺上保证了多绕组输出脉冲的上升沿时间误差小于0.2μs，脉冲上升沿陡度可达2A/μs，适合触发电流容量在50～4000A范围内的晶闸管。良好的性能，保证了触发系统的安全性,可靠性和稳定性。

　　晶闸管阀组就是晶闸管的串联运行的组件。除了它在TCR中应用外，在高压领域应用十分广泛，例如：高压直流输电、高压电机软起动、各种高压直流电源等。

　　编后语

　　本文未就对“高压直流电源及高压变频”进行讨论。因高压直流电源范围很宽、原理各异，拟另文讨论。高压变频器就目前来看属低压变频器输出串联，为另一设计思路。

　　应该说明本文是汇集了若干相关报道文章精华，重新编写的摘要汇编，以便需要者能“一目了然”，了解概貌。在此顺向原报道者致谢!

　　编者简介：朱英文：(1939- )，高级工程师，现任北京京仪椿树整流器有限责任公司技术顾问，中国电力电子产业网特约顾问，主要研究电力半导体器件的设计、制造、应用中的热设计和电力半导体器件主回路结构设计。曾参与专业词典、书籍的编写、翻译等工作。主要成果有：“无刷励磁发电机用旋转整流管设计和制造”，“晶闸管芯片球面磨角工艺”“大功率半导体器件用散热器风冷热阻计算方法”等。