第三章 变流器主电路参数计算和保护环节设计
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解:由例 3-1 知,变压器二次侧相电压U2 = 125V ,负载最 大 电 流 Id = λI N = 1.5 × 287 A = 430.5A , 又 查 表 3-3 知 , 因 此 UTm = 6U 2 = 306V K fb = 0.368 ,因此
UTN = (2 ~ 3)UTm = (2 ~ 3) × 306V = 712 ~ 918V ITN = (1.5 ~ 2) × 0.308 × 430.5A = 237 ~ 316A
第二节 主电路器件的计算与选择
正确合理地选择晶闸管元件是保证主电路可靠运行的重要 条件之一。
所谓正确合理地选择元件,系指晶闸管元件额定电流(通 态平均电流)和额定电压一定要考虑合适的电流储备和电压储 备系数,通常称安全系数。从设计和使用的经验来看,其安全 系数应适当选大些,以保证系统工作可靠,特别是对某些生产
1.17 3.40 1.05
1.51
1.28
带平衡电
抗器
电感性负
1.17 3.46 1.05
1.48
1.26
载
18
二、二次侧相电流 I2 和一次侧相电流 I1 对不同型式的整流线路,变压器二次、一次电流有效值 I2 、 I1 与 负 载 电 流 Id 的 关 系 见 表 3-2 。 如 三 相 全 控 桥 式 电 路 有 I 2 = 0.816I d , I1 = 0.816I d / K ; 三 相 零 式 电 路 , I 2 = 0.577I d , I1 = 0.471I d / K 。 K 为变压器匝数比( K = N1 / N2 )。 三、变压器容量计算
GTR 并联运行时,应采取一定的均流措施。电流较小时,用接 入发射极电阻的方法来均流较好;电流较大的场合,可采用均 流电抗。具体电路如图 3-1c 所示。另外,并联应用时,应仔细 匹配好并联 GTR 的参数,并使并联支路布线尽量对称,每个 GTR 集电极和基极支路中的电阻和电感应尽可能小而且一致。
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管压降 ΔUVT = 1V , n = 2 , I2 / I2N = 1,变压器和平波电抗器的电
阻不计。电网相电压U1 = 220V ,试确定整流变压器各额定参数。 解:查表 3-1 得, A = 2.34 , C = 0.5 ,αmin = 30o,
cosα min = cos 30o = 0.866 ,忽略 R 时有:
ITN = (1.5 ~ 2)K fb I d
式中, ITN 为晶闸管的额定电流(A); K fb 为计算系数,示
于表 3-3 内; Id 为最大负载电流。
表 3-3 整流元件的最大峰值电压UTm 和额定电流的计算系数 K fb
整流主电路
单相 半波
单相 单相 双半波 桥式
三相 半波
三相 桥式
带平 衡电 抗器 的双
第三节 主电路保护环节的设计与计算
由于晶闸管承受过电压和过电流的能力较差,所以短时间 的过压或过流就会造成元件损坏。因此在系统主电路设计中, 对晶闸管装置的各种保护措施及主要保护环节的设计与计算, 应予以足够的重视。为使系统能长期可靠地运行,除了合理地 选择晶闸管外,必须针对过电压、过电流和电压、电流上升率 的发生原因采取恰当的保护措施。
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U2
=
U d max + RI d + nΔU VT
Aε (cosα min
− Cu k
I2 I 2N
)
=
220 + 2 ×1
V = 125V
2.34 × 0.9 × (0.866 − 0.5 × 0.05 ×1)
所以变压器电压比为:U1 /U 2 = 220 /125 = 1.76 二次侧相电流: I 2 = I d /1.22 = I N /1.22 = 287 A /1.22 ≈ 235A
取UTN = 800V , ITN = 300A ,选择 KP300-8 晶闸管 6 只。 使用中还须注意的是,当周围环境温度超过 40oC 或元件的ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
冷却条件低于标准要求时,均应降低元件的额定值来使用。 (三)GTR 的选择 对于 PWM 变换器主电路大功率晶体管(GTR)的选择,
则需要根据电动机的额定电压和额定电流来选择。晶体管的最 大集电极电流应大于最大工作电流;晶体管的耐压应根据反向 击穿电压来估算。工程实践中,可按下式选择晶体管的电流和 耐压
压器内阻和平波电抗器之和( Ω ); Id 为电动机额定电流( A );
nΔUVT 为主电路中电流经过几个串联晶闸管的正向压降(V );A
为α = 0 时Ud 与U2 之比,见表 3-1; ε 为电网波动系数,通常取
ε = 0.9 ;
α min 为最小控制角,一般可逆系统αmin = 30o ~ 35o ,不可逆系 统αmin = 10o ~ 15o ;C 为线路接线方式系数,见表 3-1;uk 为变压器 短路电压比,100KV ⋅ A 以下 uk = 0.05 ,100 ~ 1000KV ⋅ A 取 uk = 0.05 ~ 0.08 , 1000KV ⋅ A 以上 uk = 0.08 ~ 0.1 ;I2 / I2N 为变压器二次实际工作电流与
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二次额定电流之比。
电路型式 单相全波 单相桥式
表 3-1 几种整流线路变压器电压计算系统
A
C
电路型式
A
0.9
0.707 三相半波 1.17
0.9
0.707 三相桥式 2.34
表 3-2 整流变压器计算参数
线路型式 负载性质
电阻性负 载 单相半波 电感性负 载 电阻性负 载 单相全波 电感性负 载 电阻性负 单相半控 载 桥 电感性负 载 电阻性负 单相全控 载 桥 电感性负 载
变压器二次测相电压U2 的计算公式为
U2
=
U d max + RI d + nΔUVT
Aε (cosα min
− Cuk
I2 I2N
)
在要求不太精确的情况下,U2 可由简化式确定:
U 2 = (1.2 − 1.5)U d max / A
式中,U d max 为变流装置的最大整流输出电压(V ); R 为整流变
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上的关键设备更应如此。
(一)、整流元件的额定电压 U TN
U TN = (2 ~ 3)UTm
式中,UTN 为晶闸管元件的额定电压(V);UTm 为晶闸管元 件在电路中实际承受的最大电压(V)。对于不同型式整流电路
的示于表 3-3 内,表中U2 为整流变压器二次侧相电压有效值。 (二)、整流元件额定电流 ITN
第一节 整流变压器额定参数的计算
在一般情况下,晶闸管变流装置所要求的交流供电电压与 电网供电电压是不一致的,并考虑尽可能减少电网和晶闸管装 置间的相互干扰,要求晶闸管主电路与电网隔离,所以需配置 整流变压器。
计算整流变压器额定参数时,首先根据整流电路的型式和 负载所要求的整流电压U d 取值过高,则晶闸管运行时的控制角 α 过大,会造成直流电压谐波分量增大,功率因数变坏,无功 功率增加;若U2 选择过低,则有可能在控制角为α min 时整流桥 输出的直流电压U d 仍达不到负载要求的额定值。
一次侧相电流:
I1
=
1 1.76
×
Id 1.22
≈
133.5 A
二次容量: S2 = m2U 2 I 2 = 3×125× 235VA ≈ 88kVA
一次容量: S1 = m1U1I1 = 3× 220 ×133.5VA ≈ 88kVA
平均计算容量:
S
=
1 2
(S1
+
S2 )
=
88kVA
由表 3-2 可直接求出变压器的额定参数。
22
ICM ≥ (1.5 ~ 2)λI N U (BR)CEO ≥ (2 ~ 3)U N
式中, λ 为电动机允许过载倍数; I N 、U N 分别为电动机额定电 流(A)、额定电压(V)。
(四)晶闸管和晶体管的串并联运行 1)在高电压和大电流的场合,往往因为单个晶闸管的电压
和电流定额远不能满足要求,必须把晶闸管串联或并联起来使 用,或者把晶闸管装置成串联或并联起来使用。晶闸管串联、 并联应用时,均压、均流是必须解决的两个问题,其具体实施 方案和参数选择,可查阅有关资料,这里不再赘述。随着晶闸 管制造工艺的改进,元件的电压等级和电流容量不断提高,因 此对中小功率的晶闸管整流装置,采用元件串并联的情况会逐 步减少。
第三章 变流器主电路和保护环节设计
直流调速系统根据其基本组成部分,可分为主电路和控制 电路两大部分。在系统设计确定主电路的接线方式和系统的控 制方案后,就应着手分别对主电路进行参数计算和元件选择, 它是系统设计中极其重要的一环。
主电路参数计算和元件选择的具体内容是:整流变压器额 定参数计算、晶闸管整流元件(或功率晶体管)的选择与联结、 晶闸管的保护、电抗器参数的计算。
在大功率设备中广泛采用整流变压器二次侧绕组分组,分 别对独立的整流装置供电,然后成组串联或成组并联,如图 3 -1a、b 所示。整流组串联可提高输出电压,且两套装置之间 不存在均压问题。整流组并联可提高输出电流,但一般需设置 平衡电抗器以实现均流。如变压器漏抗合适可省去平衡电抗器。
变压器两套二次侧绕组通常分别以 Y、D 形式联结,串联
C 0.866 0.5
S Ud Id 3.08 1.34
1.5 1.34 1.23 1.11 1.23 1.11
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电阻性负
晶闸管在
0.9
0.9
1.23
1.23
1.23
载
负载侧的
电感性负
单相桥式
0.9
1
1.11
1.11
1.11
载
电阻性负
1.17 1.73 1.24
1.51
1.38
载
三相半波
电感性负
变压器二次容量、一次容量、平均计算容量(视在容量)
分别为
S2 = m2U 2 I 2
S1 = m1U1I1
S
=
1 2
(S1
+
S2 )
式中, m1 和 m2 为整流变压器一次侧、二次侧的相数。
例 3-1 某晶闸管直流调速系统,其电动机的额定值为
U N = 220V ,I N = 287 A ,PN = 55kW ,采用三相全控桥式整流电路 供电,电网电压波动系数 ε = 0.9,变压器短路电压比U k = 0.05 ,
根据晶闸管装置产生过电压部位的不同,过电压保护分为
25
交流侧保护、直流侧保护和元件换相保护,见图 3-2。实用时, 可根据具体情况,选择其中几种。
15
整流变压器参数的计算,首先根据整流电路的型式和负载
所要求的整流电压U d 和整流电流 I d ,计算二次电压U2 、二次电 流 I2 和一次电流 I1 ,进而计算其一次、二次容量 S1 、 S2 及平均 计算容量 S。最后根据上述数据选用现有电力变压器系列产品
或自行设计。
一、二次侧相电压 U 2
1.17 1.73 1.21
1.48
1.34
载
电阻性负
三相半控 载
2.34 1.22 1.95
1.05
1.05
桥 电感性负
2.34 1.22 1.05
1.05
1.05
载
电阻性负
三相全控 载
2.34 1.22 1.05
1.05
1.05
桥 电感性负
2.34 1.22 1.05
1.05
1.05
载
电阻性负
双反星形 载
Ud0
Id
S1
U2
I2
Ud Id
0.45 0.637 2.68
0.45 1.141 1.11
0.9 1.27 1.25
0.9 1.41 1.11
0.9
0.9
1.23
0.9
1
1.11
0.9
0.9
1.23
0.9
1
1.11
S2 Ud Id 3.48 1.57 1.75 1.57 1.23 1.11 1.23 1.11
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后整流电压波形每周期脉动 12 次,即为等效的 12 相整流电路。 由于脉动频率较高,故使整流电源质量大为提高,又可减小平 波电抗器的体积。
2)由于 GTR 对过压和敏感,故一般不宜进行串联运行。
3-1 晶闸管装置和晶体管的串联与并联 a) 晶闸管装置成组串联 b)晶闸管装置成组并联 c)GTR 的并联
一、过电压保护 电路中电感元件积累的能量骤然释放或外界侵入电路的大
图 3-2 晶闸管装置可能采用的几种过电压保护情况 A—避雷针 B—接地电容 C—阻容保护 D—整流式阻容保护 E—硒堆保护
F—压敏电阻 G—用晶闸管作过压保护 H—器件侧阻容保护
量电荷累积产生过电压,对系统的安全运行构成危害。所以, 过电压保护的基本做法,是在电路中设置吸收能量的保护元件, 使能量得以释放,以保证晶闸管装置的可靠工作。
反星 形
U Tm 电阻
K fb 负载
2U 2 2 2U 2
2U 2
6U 2
6U 2
6U 2
1
0.5 0.5 0.374 0.368 0.185
21
(α = 0o ) 电感 0.45
负载
0.45 0.45 0.368 0.368 0.184
例 3-2 根据上例所给数据,确定晶闸管的电压额定和电流 额定。
UTN = (2 ~ 3)UTm = (2 ~ 3) × 306V = 712 ~ 918V ITN = (1.5 ~ 2) × 0.308 × 430.5A = 237 ~ 316A
第二节 主电路器件的计算与选择
正确合理地选择晶闸管元件是保证主电路可靠运行的重要 条件之一。
所谓正确合理地选择元件,系指晶闸管元件额定电流(通 态平均电流)和额定电压一定要考虑合适的电流储备和电压储 备系数,通常称安全系数。从设计和使用的经验来看,其安全 系数应适当选大些,以保证系统工作可靠,特别是对某些生产
1.17 3.40 1.05
1.51
1.28
带平衡电
抗器
电感性负
1.17 3.46 1.05
1.48
1.26
载
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二、二次侧相电流 I2 和一次侧相电流 I1 对不同型式的整流线路,变压器二次、一次电流有效值 I2 、 I1 与 负 载 电 流 Id 的 关 系 见 表 3-2 。 如 三 相 全 控 桥 式 电 路 有 I 2 = 0.816I d , I1 = 0.816I d / K ; 三 相 零 式 电 路 , I 2 = 0.577I d , I1 = 0.471I d / K 。 K 为变压器匝数比( K = N1 / N2 )。 三、变压器容量计算
GTR 并联运行时,应采取一定的均流措施。电流较小时,用接 入发射极电阻的方法来均流较好;电流较大的场合,可采用均 流电抗。具体电路如图 3-1c 所示。另外,并联应用时,应仔细 匹配好并联 GTR 的参数,并使并联支路布线尽量对称,每个 GTR 集电极和基极支路中的电阻和电感应尽可能小而且一致。
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管压降 ΔUVT = 1V , n = 2 , I2 / I2N = 1,变压器和平波电抗器的电
阻不计。电网相电压U1 = 220V ,试确定整流变压器各额定参数。 解:查表 3-1 得, A = 2.34 , C = 0.5 ,αmin = 30o,
cosα min = cos 30o = 0.866 ,忽略 R 时有:
ITN = (1.5 ~ 2)K fb I d
式中, ITN 为晶闸管的额定电流(A); K fb 为计算系数,示
于表 3-3 内; Id 为最大负载电流。
表 3-3 整流元件的最大峰值电压UTm 和额定电流的计算系数 K fb
整流主电路
单相 半波
单相 单相 双半波 桥式
三相 半波
三相 桥式
带平 衡电 抗器 的双
第三节 主电路保护环节的设计与计算
由于晶闸管承受过电压和过电流的能力较差,所以短时间 的过压或过流就会造成元件损坏。因此在系统主电路设计中, 对晶闸管装置的各种保护措施及主要保护环节的设计与计算, 应予以足够的重视。为使系统能长期可靠地运行,除了合理地 选择晶闸管外,必须针对过电压、过电流和电压、电流上升率 的发生原因采取恰当的保护措施。
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U2
=
U d max + RI d + nΔU VT
Aε (cosα min
− Cu k
I2 I 2N
)
=
220 + 2 ×1
V = 125V
2.34 × 0.9 × (0.866 − 0.5 × 0.05 ×1)
所以变压器电压比为:U1 /U 2 = 220 /125 = 1.76 二次侧相电流: I 2 = I d /1.22 = I N /1.22 = 287 A /1.22 ≈ 235A
取UTN = 800V , ITN = 300A ,选择 KP300-8 晶闸管 6 只。 使用中还须注意的是,当周围环境温度超过 40oC 或元件的ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
冷却条件低于标准要求时,均应降低元件的额定值来使用。 (三)GTR 的选择 对于 PWM 变换器主电路大功率晶体管(GTR)的选择,
则需要根据电动机的额定电压和额定电流来选择。晶体管的最 大集电极电流应大于最大工作电流;晶体管的耐压应根据反向 击穿电压来估算。工程实践中,可按下式选择晶体管的电流和 耐压
压器内阻和平波电抗器之和( Ω ); Id 为电动机额定电流( A );
nΔUVT 为主电路中电流经过几个串联晶闸管的正向压降(V );A
为α = 0 时Ud 与U2 之比,见表 3-1; ε 为电网波动系数,通常取
ε = 0.9 ;
α min 为最小控制角,一般可逆系统αmin = 30o ~ 35o ,不可逆系 统αmin = 10o ~ 15o ;C 为线路接线方式系数,见表 3-1;uk 为变压器 短路电压比,100KV ⋅ A 以下 uk = 0.05 ,100 ~ 1000KV ⋅ A 取 uk = 0.05 ~ 0.08 , 1000KV ⋅ A 以上 uk = 0.08 ~ 0.1 ;I2 / I2N 为变压器二次实际工作电流与
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二次额定电流之比。
电路型式 单相全波 单相桥式
表 3-1 几种整流线路变压器电压计算系统
A
C
电路型式
A
0.9
0.707 三相半波 1.17
0.9
0.707 三相桥式 2.34
表 3-2 整流变压器计算参数
线路型式 负载性质
电阻性负 载 单相半波 电感性负 载 电阻性负 载 单相全波 电感性负 载 电阻性负 单相半控 载 桥 电感性负 载 电阻性负 单相全控 载 桥 电感性负 载
变压器二次测相电压U2 的计算公式为
U2
=
U d max + RI d + nΔUVT
Aε (cosα min
− Cuk
I2 I2N
)
在要求不太精确的情况下,U2 可由简化式确定:
U 2 = (1.2 − 1.5)U d max / A
式中,U d max 为变流装置的最大整流输出电压(V ); R 为整流变
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上的关键设备更应如此。
(一)、整流元件的额定电压 U TN
U TN = (2 ~ 3)UTm
式中,UTN 为晶闸管元件的额定电压(V);UTm 为晶闸管元 件在电路中实际承受的最大电压(V)。对于不同型式整流电路
的示于表 3-3 内,表中U2 为整流变压器二次侧相电压有效值。 (二)、整流元件额定电流 ITN
第一节 整流变压器额定参数的计算
在一般情况下,晶闸管变流装置所要求的交流供电电压与 电网供电电压是不一致的,并考虑尽可能减少电网和晶闸管装 置间的相互干扰,要求晶闸管主电路与电网隔离,所以需配置 整流变压器。
计算整流变压器额定参数时,首先根据整流电路的型式和 负载所要求的整流电压U d 取值过高,则晶闸管运行时的控制角 α 过大,会造成直流电压谐波分量增大,功率因数变坏,无功 功率增加;若U2 选择过低,则有可能在控制角为α min 时整流桥 输出的直流电压U d 仍达不到负载要求的额定值。
一次侧相电流:
I1
=
1 1.76
×
Id 1.22
≈
133.5 A
二次容量: S2 = m2U 2 I 2 = 3×125× 235VA ≈ 88kVA
一次容量: S1 = m1U1I1 = 3× 220 ×133.5VA ≈ 88kVA
平均计算容量:
S
=
1 2
(S1
+
S2 )
=
88kVA
由表 3-2 可直接求出变压器的额定参数。
22
ICM ≥ (1.5 ~ 2)λI N U (BR)CEO ≥ (2 ~ 3)U N
式中, λ 为电动机允许过载倍数; I N 、U N 分别为电动机额定电 流(A)、额定电压(V)。
(四)晶闸管和晶体管的串并联运行 1)在高电压和大电流的场合,往往因为单个晶闸管的电压
和电流定额远不能满足要求,必须把晶闸管串联或并联起来使 用,或者把晶闸管装置成串联或并联起来使用。晶闸管串联、 并联应用时,均压、均流是必须解决的两个问题,其具体实施 方案和参数选择,可查阅有关资料,这里不再赘述。随着晶闸 管制造工艺的改进,元件的电压等级和电流容量不断提高,因 此对中小功率的晶闸管整流装置,采用元件串并联的情况会逐 步减少。
第三章 变流器主电路和保护环节设计
直流调速系统根据其基本组成部分,可分为主电路和控制 电路两大部分。在系统设计确定主电路的接线方式和系统的控 制方案后,就应着手分别对主电路进行参数计算和元件选择, 它是系统设计中极其重要的一环。
主电路参数计算和元件选择的具体内容是:整流变压器额 定参数计算、晶闸管整流元件(或功率晶体管)的选择与联结、 晶闸管的保护、电抗器参数的计算。
在大功率设备中广泛采用整流变压器二次侧绕组分组,分 别对独立的整流装置供电,然后成组串联或成组并联,如图 3 -1a、b 所示。整流组串联可提高输出电压,且两套装置之间 不存在均压问题。整流组并联可提高输出电流,但一般需设置 平衡电抗器以实现均流。如变压器漏抗合适可省去平衡电抗器。
变压器两套二次侧绕组通常分别以 Y、D 形式联结,串联
C 0.866 0.5
S Ud Id 3.08 1.34
1.5 1.34 1.23 1.11 1.23 1.11
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电阻性负
晶闸管在
0.9
0.9
1.23
1.23
1.23
载
负载侧的
电感性负
单相桥式
0.9
1
1.11
1.11
1.11
载
电阻性负
1.17 1.73 1.24
1.51
1.38
载
三相半波
电感性负
变压器二次容量、一次容量、平均计算容量(视在容量)
分别为
S2 = m2U 2 I 2
S1 = m1U1I1
S
=
1 2
(S1
+
S2 )
式中, m1 和 m2 为整流变压器一次侧、二次侧的相数。
例 3-1 某晶闸管直流调速系统,其电动机的额定值为
U N = 220V ,I N = 287 A ,PN = 55kW ,采用三相全控桥式整流电路 供电,电网电压波动系数 ε = 0.9,变压器短路电压比U k = 0.05 ,
根据晶闸管装置产生过电压部位的不同,过电压保护分为
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交流侧保护、直流侧保护和元件换相保护,见图 3-2。实用时, 可根据具体情况,选择其中几种。
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整流变压器参数的计算,首先根据整流电路的型式和负载
所要求的整流电压U d 和整流电流 I d ,计算二次电压U2 、二次电 流 I2 和一次电流 I1 ,进而计算其一次、二次容量 S1 、 S2 及平均 计算容量 S。最后根据上述数据选用现有电力变压器系列产品
或自行设计。
一、二次侧相电压 U 2
1.17 1.73 1.21
1.48
1.34
载
电阻性负
三相半控 载
2.34 1.22 1.95
1.05
1.05
桥 电感性负
2.34 1.22 1.05
1.05
1.05
载
电阻性负
三相全控 载
2.34 1.22 1.05
1.05
1.05
桥 电感性负
2.34 1.22 1.05
1.05
1.05
载
电阻性负
双反星形 载
Ud0
Id
S1
U2
I2
Ud Id
0.45 0.637 2.68
0.45 1.141 1.11
0.9 1.27 1.25
0.9 1.41 1.11
0.9
0.9
1.23
0.9
1
1.11
0.9
0.9
1.23
0.9
1
1.11
S2 Ud Id 3.48 1.57 1.75 1.57 1.23 1.11 1.23 1.11
23
后整流电压波形每周期脉动 12 次,即为等效的 12 相整流电路。 由于脉动频率较高,故使整流电源质量大为提高,又可减小平 波电抗器的体积。
2)由于 GTR 对过压和敏感,故一般不宜进行串联运行。
3-1 晶闸管装置和晶体管的串联与并联 a) 晶闸管装置成组串联 b)晶闸管装置成组并联 c)GTR 的并联
一、过电压保护 电路中电感元件积累的能量骤然释放或外界侵入电路的大
图 3-2 晶闸管装置可能采用的几种过电压保护情况 A—避雷针 B—接地电容 C—阻容保护 D—整流式阻容保护 E—硒堆保护
F—压敏电阻 G—用晶闸管作过压保护 H—器件侧阻容保护
量电荷累积产生过电压,对系统的安全运行构成危害。所以, 过电压保护的基本做法,是在电路中设置吸收能量的保护元件, 使能量得以释放,以保证晶闸管装置的可靠工作。
反星 形
U Tm 电阻
K fb 负载
2U 2 2 2U 2
2U 2
6U 2
6U 2
6U 2
1
0.5 0.5 0.374 0.368 0.185
21
(α = 0o ) 电感 0.45
负载
0.45 0.45 0.368 0.368 0.184
例 3-2 根据上例所给数据,确定晶闸管的电压额定和电流 额定。