1、选题背景

晶闸管是大功率电力变换较理想器件。晶闸管具有容量大、耐压高、效率高、无噪音、体积小、重量轻、反应快、可控制、可靠性好等优点,成为了变流技术发展的基础。晶闸管变流装置在现代工业中的各行各业仍得到广泛的应用。

我国近20年来,晶闸管的制造与应用技术发展迅速,目前己能大规模生产各种类型的晶闸管元件,单个元件容量己达8500V以上、电流4000A以上,为后续更高电压等级、更大输送容量特高压直流输电工程建设奠定了坚实基础,将极大地推动世界特高压直流输电技术的发展与应用。由于晶闸管具有优越性能,特别是大功率高电压大电流晶闸管元件的问世,时至今日,晶闸管大功率供电的直流调速系统在工业上也得到了广泛的应用。如冶金行业中,应用于金属冶炼化工行业中,应用于电解、电镀在电力系统中,既可作为系统控制、保护的工作电源,同时又可作为蓄电池的充电装置。但是,晶闸管承受过电流和过电压的能力较差,易于损坏,为保证可控硅AC一DC变换器安全稳定地运行,必须要有可靠的保护施。

2、选题意义

目前,大型船舶为了提高机动性、灵活性和节能等,其动力推进装置已趋向采用综合全电力推进系统。综合全电力推进系统中电力变换装置的高可靠性、安全性成为需解决的关键技术之一。

晶闸管AC一DC变换器工作在大功率环境中,过电流、短路和过电压等故障是不可避免的。为了确保晶闸管AC一DC变换器安全可靠运行,出现过载或输出短路时,采用过电流保护防止整流元件因过电流而损坏同时,晶闸管承受过电压的能力较差,当元件承受的反向电压超过其反向击穿电压时,即使时间很短,也会造成元件反向击穿损坏。如果正向电压超过晶闸管的正向转折电压,会引起晶闸管硬开通,它不仅使电路工作失常,且多次硬开通后元件正向转折电压要降低,甚至失去正向阻断能力而损坏。在实际应用中亦常出现其较高的瞬态尖峰电压造成晶闸管装置的过压损坏,引起运行事故或事故隐患,因此晶闸管AC一DC变换器必须要有可靠的保护电路。晶闸管AC一DC变换器保护电路大致分为两种情况:一种是基于器件的保护,例如,阻容缓冲器、过流继电器、快速开关、限流电感、快速熔断器、压敏电阻等,再一种则是采用电子保护电路。

晶闸管AC一DC变换器保护参数的选取在国内大部分仅依靠经验公式,致使参数有时产生很大偏差。保护参数选取的不合理,便会产生很高的尖峰电压造成电力电子器件绝缘降低,器件损坏。通过对大功率12脉波晶闸管AC一DC变换器保护的研究,提出了过电流保护的参数设计方法及过电压保护阻容缓冲器参数最优的设计方法,进而提高大功率一变换器的可靠性。因此,针对目前大功率晶问管AC一DC变换器保护系统存在的问题进行研究具有理论和现实意义。

3、国内外现状及发展趋势

上世纪八十年代初,西安电力电子技术研究所引进美国GE公司建成了国内第一条大功率电力半导体生产线。经过二十几年的生产运行,在消化吸收的基础上,开发出系列普通整流管、晶闸管产品。21世纪初,对其进行了技术改造,并引进了西门子公司5英寸大功率光控晶闸管制造技术,建成了一条世界一流水平的大功率电控、光控晶闸管生产线。其所开发的大功率电力半导体器件特点是器件开关的电流容量大、耐压高和开关速度快。

西安电力电子技术研究所生产的大功率晶闸管及其并联、串联和反并联功率组件应用于直流传动自动化控制系统、大型同步电动机的大功率变频调速电源、大型水轮发电机励磁系统、静止无功补偿系统以及电力工业等领域。如大功率轧机主传动控制装置,采用了4000V/1650A大功率晶闸管组件,经抚顺钢厂、济南钢厂初轧厂长期运行,性能稳定可靠,其技术指标和经济指标均达到国际水平,且价格仅是国外相当容量2/7的。宝钢4000立方米二号炼铁炉鼓风用三台4.8万千瓦同步电动机变频软起动装置,采用1500A/4400V晶闸管串联功率组件,替代了进口设备,取得了令人振奋的成果。舟山直流输电工程用大功率高压晶闸管串联组件、葛洲坝发电厂水轮发电机励磁系统,各项指标均达到预定目标,其可靠性、运行的稳定性已为专家们所认可。大功率巨型励磁功率柜已在白山水电站投入工业运行。