Ross Hill可控硅系统晶闸管击穿现象分析

张志豪

摘  要：根据ROSS HILL在电动钻机应用的实际情况，分析了电路特点，并提出了一些改善SCR工作状况的设想。

关键词：晶闸管;基本结构;伏安特性;过电压情况;电感性负载;保护措施;压敏电阻 RC电路

晶体闸流管（简称晶闸管，又称可控硅即SCR），发明于1957年。它可以将交流电源变成直流电源，且电压可调。电动钻机中的可控硅系统就是利用这一原理，将柴油发电机组发出的交流电源整流成可控的直流电源，用以驱动绞车、转盘及泥浆泵等钻机主驱动设备，使得这些设备获得了一个连续可调的速度范围。这一特点大大地改善了钻井工况。晶闸管具有体积小、重量轻、效率高、动作迅速、维护简单、操作方便、寿命长等，但是，可控硅有两个致命弱点，就是耐过电压能力差，耐过电流能力差。在实际使用中可控硅的损坏基本都是缘于这两点。下面根据常使用过的陆上钻机用ROSS HILL可控硅系统来作一下分析。

一、在ROSS HILL系统中造成晶闸管击穿的情况分析

（一）过电压原因。（1）电感性负载突然加载或卸荷产生过电压。我们知道电机的起动电流很大，在起动的瞬间，电路中的电流会产生突变。现取一相分析，设在这一相中电流为i ，等效电感为L，则在起动瞬间，在这一相中会产生一个瞬时的峰值电压为u=L·di/dt。由此等式可知电感性负载越大，则L越大;带载越大，起动电流越大则电流变化率越大即di/dt越大，所以u越大。（2）谐振过电压。晶闸管在整流过程中会产生匝散电流，而这些电流通常是多次谐波或高次谐波，当某次谐波恰好和电路的当时的自振频率相同而产生谐振，就可能出现最高电压，如果两者的频率不相等，也可能产生过电压，但通常较小，不会够成危害。

（二）过电流原因。如系统在长期的过载情况下运行，电流一直很大，导致晶闸管发出大量的热，长时间积累，会最终烧毁晶闸管。另外，晶闸管在整流过程中，也有可能某个管子在工作中出现误触发，根据上图可知这是一个三相全波全控硅整流系统，在工作中任何一个整流回路均有两个闸管在同时工作，正常情况下，这一对管子开启和关断是同时的，两者导通角的变化也是一致的。如果出现一个管子误触发，将会有可能使两相直接短路，产生很大的电流烧毁晶闸管。

二、ROSS HILL系统保护晶闸管的措施

（一）采用压敏电阻吸收过电压。在ROSS HILL系统中为了防止交流母线中的峰值电压击穿晶闸管，它采用在母线之间加上压敏电阻的方法。因为压敏电阻（MOV）在临界电压之内表现出很高电阻，在正常情况下，它相当于断路，所以对系统没有影响，但是如果加在压敏电阻上的电压超过了临界电压，它将表现出很低的电阻，这样当在交流母线上出现过高的峰值电压时，压敏电阻突然电阻变小，从而将此峰值电压产生的能量消耗掉，保护晶闸管。

（二）采用RC回路吸收高频过电压。采用RC吸收回路，是该系统保护晶闸管元件的另一措施。如图形所示，在每个晶闸管上都并联一个RC电路，该电容就是用来吸收回路中的高频过电压。压敏电阻吸收回路作为主保护，RC吸收回路作为辅助保护。

（三）与晶闸管串联快速熔断器进行过电流保护。在ROSS HILL系统中每个晶闸管串联了快速熔断器，所以它能有效地防止由于过电流而烧毁。

三、ROSS HILL系统的不足

尽管系统有压敏电阻来保护晶闸管，但是有时这种电压过高因而产生的瞬时电流极大，这样，如果交流母线上短时间内反复出现这个峰值电压且较高，它将会使三个与压敏电阻相连的熔断器（图中的FU7、FU8、FU9）中的几个或全部熔断。这样，在下一个峰值电压到来之时，该电路就不再起作用，因此整流電路中的晶闸管将得不到保护。而RC吸收回路只能对于那些周期短、信号小的吸收作用才明显，而对于那些周期长、信号强的峰值电压基本不起作用，但是在实际工作中往往也会出现这种情况。某井队在TK622井施工期间，ROSS HILL系统就曾出现过这样的一个故障。当时，由于电网中的负载不稳定，在交流母线B相和C相之间中出现了较高的峰值电压，导致了FU8、FU9这个熔断器熔断，紧接着当在T2和T4（或T6）导通时，这个峰值电压将会直接加在T3上，导致了T3的反向击穿，击穿瞬间就相当于B相和C相短路，此时电流很大，致使FU2和FU3熔断，断路器跳闸。

四、现场使用如何避免产生过高的峰值电压

对于大型的电机，采取降压起动或星形接法起动，使起动电流减小一点;在降载时，应尽量采取逐渐卸载法，避免产生冲击电压。对于可控硅系统的直流负载，本身不会突然加载和卸载，但是应避免长时间的过载大电流工作，以及加强电控房内的通风及保持适当的室温以便改善晶闸管散热条件，同时也能提高晶闸管的正向转折电压和反向转折电压。