Ross Hill可控硅系統(tǒng)晶閘管擊穿現(xiàn)象分析

張志豪

摘? 要：根據(jù)ROSS HILL在電動鉆機應(yīng)用的實際情況，分析了電路特點，并提出了一些改善SCR工作狀況的設(shè)想。

關(guān)鍵詞：晶閘管;基本結(jié)構(gòu);伏安特性;過電壓情況;電感性負載;保護措施;壓敏電阻 RC電路

晶體閘流管（簡稱晶閘管，又稱可控硅即SCR），發(fā)明于1957年。它可以將交流電源變成直流電源，且電壓可調(diào)。電動鉆機中的可控硅系統(tǒng)就是利用這一原理，將柴油發(fā)電機組發(fā)出的交流電源整流成可控的直流電源，用以驅(qū)動絞車、轉(zhuǎn)盤及泥漿泵等鉆機主驅(qū)動設(shè)備，使得這些設(shè)備獲得了一個連續(xù)可調(diào)的速度范圍。這一特點大大地改善了鉆井工況。晶閘管具有體積小、重量輕、效率高、動作迅速、維護簡單、操作方便、壽命長等，但是，可控硅有兩個致命弱點，就是耐過電壓能力差，耐過電流能力差。在實際使用中可控硅的損壞基本都是緣于這兩點。下面根據(jù)常使用過的陸上鉆機用ROSS HILL可控硅系統(tǒng)來作一下分析。

一、在ROSS HILL系統(tǒng)中造成晶閘管擊穿的情況分析

（一）過電壓原因。（1）電感性負載突然加載或卸荷產(chǎn)生過電壓。我們知道電機的起動電流很大，在起動的瞬間，電路中的電流會產(chǎn)生突變。現(xiàn)取一相分析，設(shè)在這一相中電流為i ，等效電感為L，則在起動瞬間，在這一相中會產(chǎn)生一個瞬時的峰值電壓為u=L·di/dt。由此等式可知電感性負載越大，則L越大;帶載越大，起動電流越大則電流變化率越大即di/dt越大，所以u越大。（2）諧振過電壓。晶閘管在整流過程中會產(chǎn)生匝散電流，而這些電流通常是多次諧波或高次諧波，當(dāng)某次諧波恰好和電路的當(dāng)時的自振頻率相同而產(chǎn)生諧振，就可能出現(xiàn)最高電壓，如果兩者的頻率不相等，也可能產(chǎn)生過電壓，但通常較小，不會夠成危害。

（二）過電流原因。如系統(tǒng)在長期的過載情況下運行，電流一直很大，導(dǎo)致晶閘管發(fā)出大量的熱，長時間積累，會最終燒毀晶閘管。另外，晶閘管在整流過程中，也有可能某個管子在工作中出現(xiàn)誤觸發(fā)，根據(jù)上圖可知這是一個三相全波全控硅整流系統(tǒng)，在工作中任何一個整流回路均有兩個閘管在同時工作，正常情況下，這一對管子開啟和關(guān)斷是同時的，兩者導(dǎo)通角的變化也是一致的。如果出現(xiàn)一個管子誤觸發(fā)，將會有可能使兩相直接短路，產(chǎn)生很大的電流燒毀晶閘管。

二、ROSS HILL系統(tǒng)保護晶閘管的措施

（一）采用壓敏電阻吸收過電壓。在ROSS HILL系統(tǒng)中為了防止交流母線中的峰值電壓擊穿晶閘管，它采用在母線之間加上壓敏電阻的方法。因為壓敏電阻（MOV）在臨界電壓之內(nèi)表現(xiàn)出很高電阻，在正常情況下，它相當(dāng)于斷路，所以對系統(tǒng)沒有影響，但是如果加在壓敏電阻上的電壓超過了臨界電壓，它將表現(xiàn)出很低的電阻，這樣當(dāng)在交流母線上出現(xiàn)過高的峰值電壓時，壓敏電阻突然電阻變小，從而將此峰值電壓產(chǎn)生的能量消耗掉，保護晶閘管。

（二）采用RC回路吸收高頻過電壓。采用RC吸收回路，是該系統(tǒng)保護晶閘管元件的另一措施。如圖形所示，在每個晶閘管上都并聯(lián)一個RC電路，該電容就是用來吸收回路中的高頻過電壓。壓敏電阻吸收回路作為主保護，RC吸收回路作為輔助保護。

（三）與晶閘管串聯(lián)快速熔斷器進行過電流保護。在ROSS HILL系統(tǒng)中每個晶閘管串聯(lián)了快速熔斷器，所以它能有效地防止由于過電流而燒毀。

三、ROSS HILL系統(tǒng)的不足

盡管系統(tǒng)有壓敏電阻來保護晶閘管，但是有時這種電壓過高因而產(chǎn)生的瞬時電流極大，這樣，如果交流母線上短時間內(nèi)反復(fù)出現(xiàn)這個峰值電壓且較高，它將會使三個與壓敏電阻相連的熔斷器（圖中的FU7、FU8、FU9）中的幾個或全部熔斷。這樣，在下一個峰值電壓到來之時，該電路就不再起作用，因此整流電路中的晶閘管將得不到保護。而RC吸收回路只能對于那些周期短、信號小的吸收作用才明顯，而對于那些周期長、信號強的峰值電壓基本不起作用，但是在實際工作中往往也會出現(xiàn)這種情況。某井隊在TK622井施工期間，ROSS HILL系統(tǒng)就曾出現(xiàn)過這樣的一個故障。當(dāng)時，由于電網(wǎng)中的負載不穩(wěn)定，在交流母線B相和C相之間中出現(xiàn)了較高的峰值電壓，導(dǎo)致了FU8、FU9這個熔斷器熔斷，緊接著當(dāng)在T2和T4（或T6）導(dǎo)通時，這個峰值電壓將會直接加在T3上，導(dǎo)致了T3的反向擊穿，擊穿瞬間就相當(dāng)于B相和C相短路，此時電流很大，致使FU2和FU3熔斷，斷路器跳閘。

四、現(xiàn)場使用如何避免產(chǎn)生過高的峰值電壓

對于大型的電機，采取降壓起動或星形接法起動，使起動電流減小一點;在降載時，應(yīng)盡量采取逐漸卸載法，避免產(chǎn)生沖擊電壓。對于可控硅系統(tǒng)的直流負載，本身不會突然加載和卸載，但是應(yīng)避免長時間的過載大電流工作，以及加強電控房內(nèi)的通風(fēng)及保持適當(dāng)?shù)氖覝匾员愀纳凭чl管散熱條件，同時也能提高晶閘管的正向轉(zhuǎn)折電壓和反向轉(zhuǎn)折電壓。