1 引言
隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展,，晶閘管軟起動裝置應(yīng)運而生。三相異步電動機(jī)的起停技術(shù)發(fā)生了劃時代的變化,。晶閘管軟起動產(chǎn)品問世不過30年左右的時間,，而其主要性能卻大大優(yōu)于磁控軟起動、液阻軟起動等傳統(tǒng)軟起動方式,。它的體積小,，結(jié)構(gòu)緊湊,，幾乎免維護(hù)，功能齊全,，起動重復(fù)性好,，保護(hù)周全，目前已成為軟起動領(lǐng)域中的佼佼者,。
2 晶閘管簡介
晶閘管（thyristor）是晶體閘流管的簡稱,，又可稱做可控硅整流器，以前被簡稱為可控硅,；1957年美國通用電器公司開發(fā)出世界上第一個晶閘管產(chǎn)品,，并于1958年使其商業(yè)化；晶閘管是pnpn四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu),，它有三個極：陽極,，陰極和門極；晶閘管工作條件為：加正向電壓且門極有觸發(fā)電流,。其派生器件有：快速晶閘管,，雙向晶閘管，逆導(dǎo)晶閘管,，光控晶閘管等,。它是一種大功率開關(guān)型半導(dǎo)體器件，在電路中用文字符號為“v”,、“vt”表示（舊標(biāo)準(zhǔn)中用字母“scr”表示）。
晶閘管具有硅整流器件的特性,，能在高電壓,、大電流條件下工作，且其工作過程可以控制,、被廣泛應(yīng)用于可控整流,、交流調(diào)壓、無觸點電子開關(guān),、逆變及變頻等電子電路中,。
3 晶閘管參數(shù)說明
為了正確地選擇和使用晶閘管，對其主要參數(shù)應(yīng)有所了解才能正確地選型,。晶閘管的主要參數(shù)有：
?。?）斷態(tài)重復(fù)峰值電壓udrm
是指晶閘管在正向阻斷時，允許加在a,、k,，如圖1所示，a是晶閘管的陽極,，k是晶閘管的陰極,，g是晶閘管的門極,。極間最大的峰值電壓。此電壓約為不重復(fù)峰值電壓udsm的90%,。
?。?）反向重復(fù)峰值電壓urrm
在控制極斷路時，允許重復(fù)加在晶閘管上的反向峰值電壓,，稱為反向阻斷峰值電壓,。此電壓約為不重復(fù)峰值電壓ursm的90%。
udrm和urrm在數(shù)值上一般相近,，統(tǒng)稱為晶閘管的阻斷峰值電壓,。通常把其中較小的那個數(shù)值作為該型號器件上的額定電壓值。
由于瞬時過電壓也會使晶閘管損壞,，因此晶閘管的額定電壓應(yīng)選為正常工作峰值電壓的2～3倍,，以確保安全。
?。?）額定正向平均電流if
在規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)散熱條件和環(huán)境溫度（40℃）下,，晶閘管的陽極和陰極間允許連續(xù)通過的工頻正弦半波電流的平均值，稱為額定正向平均電流,。
由于晶閘管的過載能力小,，選用晶閘管的額定正向平均電流時，至少應(yīng)大于正常工作平均電流的1.5～2倍,，以留有一定的余地,。
（4）維持電流ih
在室溫下,，控制極開路時,，維持晶閘管繼續(xù)導(dǎo)通所必須的最小電流，稱為維持電流,。當(dāng)正向電流小于ih值時,，晶閘管就自行關(guān)斷。ih值一般為幾十至一百多毫安,。
?。?）控制極觸發(fā)電壓vg、觸發(fā)電流ig
在室溫下,，陽極加正向電壓為直流6v時,，使晶閘管由阻斷變?yōu)閷?dǎo)通所需要的最小控制極電壓和電流，稱為控制極觸發(fā)電壓和觸發(fā)電流,。vg一般為3.5～5v,，ig約為幾十至幾百毫安。實際應(yīng)用時,，加到控制極的觸發(fā)電壓和觸發(fā)電流應(yīng)比額定值稍微大點,，以保證可靠觸發(fā),。
（6）電壓上升率dv/dt
晶閘管阻斷時其陰陽極之間相當(dāng)于一個結(jié)電容當(dāng)突加陽極電壓時會產(chǎn)生充電電容電流,，此電流可能導(dǎo)致晶閘管誤導(dǎo)通,，因此對管子的最大正向電壓上升率必須加以限制，一般采用阻容吸收元件并聯(lián)在晶閘管兩端的辦法加以限制,。
?。?）電流上升率di/dt
晶閘管開通時電流是從靠近門極區(qū)的陰極開始導(dǎo)通然后逐漸擴(kuò)展到整個陰極區(qū)直至全部導(dǎo)通，這個過程需要一定的時間,，如陽極電流上升太快,，使電流來不及擴(kuò)展到整個管子的pn結(jié)面，造成門極附近的陰極因電流密度過大,，發(fā)熱過于集中pn結(jié),，結(jié)溫會很快超過額定結(jié)溫而燒毀晶閘管，故必須限定晶閘管的電流上升臨界值di/dt,，一般在橋臂中串入電感或鐵淦氧磁環(huán),。
4 晶閘管工作條件
由于晶閘管只有導(dǎo)通和關(guān)斷兩種工作狀態(tài)，所以它具有開關(guān)特性,，這種特性需要一定的條件才能轉(zhuǎn)化,，此條件如附表所示。
5 晶閘管在高壓軟起動中的應(yīng)用
隨著國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,，高壓電動機(jī)的數(shù)量不斷增加,。由于大電機(jī)直接起動時的電流為額定電流的5～7倍，而啟動轉(zhuǎn)矩只有額定轉(zhuǎn)矩的0.4～1.6倍,。它在電網(wǎng)條件（電機(jī)啟動時的電網(wǎng)壓降小于10%）和工藝條件（啟動轉(zhuǎn)矩滿足）允許的情況下,，可以直接啟動。但過大的啟動電流,、過小的啟動轉(zhuǎn)矩和過長的啟動時間給電機(jī)和電網(wǎng)造成了極大的危害。常導(dǎo)致電網(wǎng)電壓,、諧波電壓波動的增大,，以至前級跳閘，大大地增加了電網(wǎng)的負(fù)擔(dān)及電網(wǎng)污染,，嚴(yán)重影響電網(wǎng)的安全運行,。同時，也對自身造成了很大傷害,。因此,，必須在電源和電機(jī)之間串入軟起動器來解決這些問題。
晶閘管電機(jī)軟起動器的出現(xiàn),，很好的解決了以上問題,，它彌補(bǔ)了傳統(tǒng)軟起動器的各種不足,，很好地降低了電機(jī)的起動電流，降低了配電容量,，延長了電機(jī)及相關(guān)設(shè)備的使用壽命,。起動參數(shù)可視負(fù)載調(diào)整，易于維護(hù),。
5.1晶閘管電機(jī)軟起動器工作原理
晶閘管在高壓電機(jī)軟起動器中的應(yīng)用是一種利用晶閘管進(jìn)行交流調(diào)壓的應(yīng)用,。利用晶閘管可以相控改變晶閘管導(dǎo)通的相位角來調(diào)節(jié)電壓。
晶閘管移相式軟起動器是改變正弦交流電壓的波形,，使之變?yōu)榉钦颐}沖式交流電,，通過調(diào)節(jié)其占空比，如圖2所示,。
注釋：
?。?）α：控制角。指觸發(fā)脈沖的加入時間,。
?。?）q：導(dǎo)通角。每半個周期晶閘管導(dǎo)通角度,?？刂平窃酱螅瑢?dǎo)通角越小,，它們的和為定值α+q=p,。它改變交流電的平均電壓，其平均電壓是可控的,、平滑變化的,。
5.2 晶閘管的選型
晶閘管是電機(jī)軟起動器中最關(guān)鍵的功率器件，整機(jī)裝置是否工作可靠與正確選擇晶閘管額定電流,、額定電壓等參數(shù)有很大的關(guān)系,。選型的原則應(yīng)該首先考慮工作可靠性，即電流,、電壓必須有足夠的余量倍數(shù),。其次應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)性即性價比，最后應(yīng)考慮安裝美觀,、體積盡量減小等,。
對于6kv、10kv的高壓電機(jī),，由于電壓高,，所以需要將晶閘管反并聯(lián)后再串聯(lián)起來。6kv每相需要6只晶閘管（2只反并聯(lián)后,，3組串聯(lián)）,，10kv每相需要10只晶閘管（2只反并聯(lián)后,，5組串聯(lián)）。這樣對于每只晶閘管來說所承受的電壓約為2000v,，所以所選擇的晶閘管的正反向不重復(fù)額定電壓vdsm,、vrsm應(yīng)為6500v以上。
對晶閘管額定電流的選擇,，必須考慮電機(jī)的額定工作電流,。一般來說，晶閘管的電流應(yīng)是電機(jī)額定電流的3~4倍,。
在晶閘管高壓電機(jī)軟起動裝置中,，采用2個獨立晶閘管器件反并聯(lián)組成的交流相控調(diào)壓，正負(fù)半周各對應(yīng)1個晶閘管工作,，因此對2個反并聯(lián)器件參數(shù)的一致性要求較高,。包括晶閘管觸發(fā)參數(shù)，維持電流參數(shù)等也都盡量要求挑選一致,。盡量讓正負(fù)半波對稱,，否則會有直流成分電流流過電機(jī)。由于電機(jī)為繞組負(fù)載為電感性的,，因此過高的直流份量會使得電機(jī)定子發(fā)熱嚴(yán)重,，甚至?xí)龤щ姍C(jī)繞組，從而使電機(jī)報廢,。
6 晶閘管保護(hù)
晶閘管承受過電壓,、過電流的能力很差，這是它的主要缺點,。晶閘管的熱容量很小,，一旦發(fā)生過電流時，溫度急劇上升,，可能將pn結(jié)燒壞,，造成元件內(nèi)部短路或開路。例如一只100a的晶閘管過電流為400a時,，僅允許持續(xù)0.02s,，否則將因過熱而損壞；晶閘管耐受過電壓的能力極差,，電壓超過其反向擊穿電壓時，即使時間極短,，也容易損壞,。若正向電壓超過轉(zhuǎn)折電壓時，則晶閘管誤導(dǎo)通,，導(dǎo)通后的電流較大,，使器件受損,。
6.1 晶閘管的過壓保護(hù)
在晶閘管兩端并聯(lián)r-c阻容吸收回路，如圖3所示,，利用電容吸收過壓,。其實質(zhì)就是將造成過電壓的能量變成電場能量儲存到電容中，然后釋放到電阻中消耗掉,。
晶閘管從導(dǎo)通到阻斷時,，和開關(guān)電路一樣，因線路電感（主要是變壓器漏感l(wèi)b）釋放能量會產(chǎn)生過電壓,。由于晶閘管在導(dǎo)通期間,，載流子充滿元件內(nèi)部，所以元件在關(guān)斷過程中,，正向電壓下降到零時,，內(nèi)部仍殘存著載流子。這些積蓄的載流子在反向電壓作用下瞬時出現(xiàn)較大的反向電流,，使積蓄載流子迅速消失,，這時反向電流消失的極快，即di/dt極大,。因此即使和元件串連的線路電感l(wèi)很小,，電感產(chǎn)生的感應(yīng)電勢l（di/dt）值仍很大，這個電勢與電源電壓串聯(lián),，反向加在已恢復(fù)阻斷的元件上,，可能導(dǎo)致晶閘管的反向擊穿。這種由于晶閘管關(guān)斷引起的過電壓,，稱為關(guān)斷過電壓,，其數(shù)值可達(dá)工作電壓峰值的5～6倍，所以必須采取抑制措施,。
阻容吸收電路中電容器把過電壓的電磁能量變成靜電能量存貯,，電阻防止電容與電感產(chǎn)生諧振、限制晶閘管開通損耗與電流上升率,。這種吸收回路能抑制晶閘管由導(dǎo)通到截止時產(chǎn)生的過電壓,，有效避免晶閘管被擊穿。
阻容吸收電路安裝位置要盡量靠近模塊主端子,，即引線要短,。最好采用無感電阻，以取得較好的保護(hù)效果,。
6.2 晶閘管的過流保護(hù)
由于半導(dǎo)體器件體積小,、熱容量小，特別像晶閘管這類高電壓大電流的功率器件，結(jié)溫必須受到嚴(yán)格的控制,，否則將遭至徹底損壞,。當(dāng)晶閘管中流過大于額定值的電流時，熱量來不及散發(fā),，使得結(jié)溫迅速升高,，最終將導(dǎo)致結(jié)層被燒壞。
產(chǎn)生過電流的原因是多種多樣的,，例如,，變流裝置本身晶閘管損壞，觸發(fā)電路發(fā)生故障,，控制系統(tǒng)發(fā)生故障等,，以及交流電源電壓過高、過低或缺相,，負(fù)載過載或短路,，相鄰設(shè)備故障影響等。
晶閘管過電流保護(hù)方法最常用的是快速熔斷器,。由于普通熔斷器的熔斷特性動作太慢,，在熔斷器尚未熔斷之前晶閘管已被燒壞；所以不能用來保護(hù)晶閘管,?？焖偃蹟嗥饔摄y制熔絲埋于石英沙內(nèi)，熔斷時間極短,，可以用來保護(hù)晶閘管,。
與普通熔斷器比較，快速熔斷器是專門用來保護(hù)半導(dǎo)體功率器件過電流的,。它具有快速熔斷的特性,，在流過6倍額定電流時其熔斷時間小于50hz交流電的一個周期（20ms）。一般說來快速熔斷器額定電流有效值應(yīng)小于被保護(hù)晶閘管的額定有效值,，同時要大于流過晶閘管的實際有效值,。
6.3 晶閘管的過熱保護(hù)
晶閘管在電流通過時，會產(chǎn)生一定的壓降,，而壓降的存在則會產(chǎn)生一定的功耗,，電流越大則功耗越大，產(chǎn)生的熱量也就越大,。如果不把這些熱量快速散掉,，會造成燒壞晶閘管芯片的問題。因此要求使用晶閘管模塊時,，一定要安裝散熱器,。
散熱條件的好壞,，是影響模塊能否安全工作的重要因素。良好的散熱條件不但能夠保證模塊可靠工作,、防止模塊過熱燒毀，而且能夠提高模塊的電流輸出能力,。
7 結(jié)束語
晶閘管在高壓軟起動中的應(yīng)用,，為軟起動帶來了革命性的變化，它將在軟起動的發(fā)展史上留下濃重的一筆,。