软启动器在运行中的过电压及其保护措施

摘 要：本文阐述了软启动器在运行过程中产生的过电压对晶闸管的影响，分析了产生过电压的原因，并提出了几种解决过电压的保护措施。
   关键词：晶闸管、 过电压、 保护
   0、引言
   　　某矿的一条上运皮带长500米，倾角16度，交流电机电压为交流660V，功率为160Kw，为解决电机起动时所形成的机械及电气冲击，选用了天地科技股份有限公司常州自动化分公司GMC型软启动柜，其核心器件软启动器选用德国西门子生产的3RW22型软启动器。在安装调试过程中，为确保设备的安全，先进行了空载试运行，电压、电流参数都设置的很小，起动过程一切正常。运行一段时间停车后，再次起动时，西门子软启动器发生故障报警，显示晶闸管故障，按其复位按钮无效，用指针式万用表测量晶闸管阻值，发现晶闸管中间相的阻值几乎为零，而完好的晶闸管阳极和阴极之间阻值>100K,因此怀疑晶闸管损坏。经分析，造成晶闸管阻值降低的原因是交流电机的反向电动势及晶闸管关断过电压引起,间隔一天，再次测量晶闸管阻值时，阻值恢复正常。
   1、分析产生故障现象的原因
   　　晶闸管阳极伏安特性如图1所示：
   
图1 晶闸管阳极伏安特性
   　　从晶闸管阳极伏安特性图可以看出：当电压超过晶闸管正向转折电压UBO时，晶闸管就会“硬导通”，多次的“硬导通”会损坏晶闸管，晶闸管通常是不允许这样工作的。通常在使用晶闸管时，先加上一定的阳极电压，然后在门极和阴极加上足够大的触发电压，使晶闸管的正向转折电压下降到很小而导通;当阳极电流小于维持电流时，元件又从正向导通状态返回正向阻断状态。晶闸管加反向阳极电压时，晶闸管截止。当反向电压升高到URO时，晶闸管反向击穿。
   　　当外部的电压超过晶闸管正向转折电压和反向击穿电压时晶闸管就有可能击穿或损坏。外部过电压产生原因主要有以下几种：
   　　1.1静电产生的过电压 由电源变压器直接供电的晶闸管装置，尤其在变压器容量比较大的情况下，由于变压器的初级和次级间存在分布电容，在合闸的瞬间初级绕组的高电压耦合到次级绕组，造成晶闸管的过电压。
   　　1.2、切断电感回路引起磁通突然变化产生的过电压 如电源变压器初级侧突然拉闸和跳闸，或突然切断交流电机电源而产生的过电压，这种过电压产生是由于使变压器和交流电机的励磁电流突然切断，在变压器的次级和交流电机的定子感应出很高的瞬时过电压。软启动器是由两个单相晶闸管反并联，所以每个晶闸管承受正反两个方向的半波电压，当晶闸管在一个方向导通结束后，管芯硅片中的载流子还没有完全恢复，因变压器和电机是感性负载，在突然断电后，变压器和电动机将产生一个阻碍其减小的反向电动势，而反向电动势的瞬时电压很高，时间很短，它大大超过了晶闸管的正反向重复峰值电压，阻容吸收装置对于能量较大的过电压不能完全抑制，所以尖峰电压超过晶闸管正反向重复峰值电压时，晶闸管就会误导通。而变压器和交流电机的放电是个缓慢的过程，直到变压器和交流电机的放电电流小于晶闸管的维持电流，晶闸管才恢复为原来的截止状态。
   　　1.3晶闸管关断过电压 软启动器是由两个单相晶闸管反并联，每个晶闸管承受正反两个方向的半波电压，当晶闸管在一个方向导通结束后，正向电流下降到零，管芯硅片中的载流子还没有完全恢复，当另一半晶闸管导通时，已关断的晶闸管在这些反向电压的作用下，使残存的载流子立即消失，这时反向电流消失的很快，因此即使线路电感很小，产生的感应电动势也很大，和电源电压加在反向已关断的元件上，可能导致晶闸管反向击穿，过电压的数值可达工作电压峰值的5～6倍。
   2、防止产生过电压所要采取措施
   　　2.1 对于静电产生过电压可以采用在变压器加屏蔽绕组，在变压器的星形中心点和地之间加附加电容或是在次级绕组并联适当电容的方法来抑制此类过电压。
   　　2.2 对切断电感回路引起磁通突然变化和晶闸管关断产生的过电压可采用压敏电阻或阻容吸收回路来保护.
   　　2.2.1压敏电阻保护是一种非线性电阻，具有正反向相同且很陡的伏安特性，抑制过电压能力强，反应速度快，但它的主要缺点是持续的平均功率小。
   　　2.2.2阻容吸收回路是在晶闸管两端并接电容，利用电容电压不能突变的特性，吸收尖峰过电压，串联的电阻主要起阻尼作用，用以抑制电路电感和电容所形成的振荡电路;同时限制晶闸管在开通时电流的上升率。阻容电路参数可按表1提供的经验数值，阻容吸收电路要尽量靠近晶闸管，引线要短。电容耐压一般要选晶闸管电压的1.1～1.5倍。
   　　表1

　　电阻的功率：PR=fCUm2×10-6
   　　式中 f-频率f=50HZ ;
   　　P-功率，W;
   　　U m-晶闸管工作峰值电压，V ;
   　　C-与电阻串联的电容，µF。
   3、结论
   　　由于西门子采取了阻容吸收保护电路，从而有效地保护了晶闸管，我们在设计和实际的操作中，必须保证晶闸管的工作条件不超出它的允许范围，除了在选用器件上留有充分合理的裕量外，还必须采取有效的保护措施，按表1的经验数值选择设计阻容吸收保护电路，在实际的使用过程中，如果软启动器具有软停车功能，在用户条件允许的情况下使用该功能，避免在切断交流电机电源时所产生的过电压，让交流电机因切断电源所产生的反向电动势慢慢的减小，不发生突变，保护晶闸管，减小对交流电机及电缆绝缘的破坏。
   参考文献：
   　　[1] 莫正康.半导体变流技术.机械工业出版社，1999，5
   　　[2] 吕家元.半导体变流技术.天津大学出版社，1991，5