CN1009694B

CN1009694B - 晶闸管阀

Info

Publication number: CN1009694B
Application number: CN88101557A
Authority: CN
Inventors: 小林淳男
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1987-03-19
Filing date: 1988-03-19
Publication date: 1990-09-19
Also published as: CA1327835C; DE3877228T2; DE3877228D1; JPS63234874A; US4947282A; EP0283268B1; EP0283268A1; CN88101557A

Abstract

一种晶闸管阀，通过放电器进行过电压保护，具备检出加在上述晶闸管阀上的正向电压并在超过比上述放电器的保护电平低的预定电压时发生输出信号的电压检出手段，及响应该电压检出手段并禁止加到上述晶闸管阀上的门极脉冲的手段。且上述电压检出手段可检出上述放电器的电流，并在该电流超过预定值的条件下发生输出信号。本发明可使晶闸首的串联数减少，可提供费用便宜、通电损耗低的晶闸管阀。

Description

本发明涉及将多个晶闸管进行串并联连接所构成的高电压大容量的晶闸管阀。

以下就已有的晶闸管阀的使用例、晶闸管阀的构成及用以使该晶闸管阀导通的门极脉冲发生方式进行说明。

图4为在典型的整流电路中的晶闸管阀的接线方式。在图中1-1～1-6为例如用光信号直接进行点弧的晶闸管阀，2-1～2-6为与各晶闸管阀并联连接的过电压保护用的放电器（arrester）或非线性电阻体等的保护元件（以下这些都写成放电器）。3为变换器用变压器，4为直流电抗线圈。

图5（a）为已有的晶闸管阀的构成图，图5（b）为用以使晶闸管阀导通的脉冲发生电路的示意图。

为将多个（N个），用光信号直接点弧的晶闸管阀10串联连接起来，使其作为1个晶闸管阀起作用，而连接用以使各晶闸管10-1，10-2～10-N的电压均等的分压电路11-1，11-2～11-N及用以使晶闸管导通时的“应力”（stress意指晶闸管的阳极电流i的变化率di/dt）缓和的串联电抗线圈5-1及5-2。用以使晶闸管导通的门极脉冲通过脉冲发生电路12的发光二极管20-1，20-2～20-N发出信号，并通过光波导30-1，30-2～30-N引导到各晶闸管的门极。又为了得到表示在晶闸管部分上加有正向电压的检测信号FV，在晶闸管部分上使电阻6与二极管7和发光二极管8的反向并联电路串联连接，并将发光二极管8的光信号经光波导9引到脉冲发生电路12。在脉冲发生电路12中用光电晶体三极管Trl接收FV信号作为门极脉冲的发生条件用。

为了驱动脉冲发生电路12以将门极脉冲加到晶闸管阀，从没有图示的控制装置发出通电指令信号PHS。脉冲发生电路12在通电指令信号PHS“有”和晶闸管阀的正向电压信号FV“有”这两项条件都得到满足时，就产生预定宽度的门极脉冲。

图5（b）为用以说明上述门极脉冲的发生的示意图，在图中正向电压信号FV和通电指令信号PHS输入到“与”电路40，其输出则经用以得到预定的脉冲宽度的脉冲整形电路50（单触发电路）输入到晶体三极管60的基极电路。发光二极管20-1，20-2，～20-N构成与电源70，电流限制电阻80及晶体三极管60相串联的电路，通过晶体三极管60的导通而有脉冲电流流动，从各发光二极管20-1，20-2～20-N输出光脉冲，该光输出信号通过光波导30-1，30-2～30～N而导入各串联的晶闸管10-1，10-2～10-N。

就上述结构的晶闸管阀在运转中遇到的过电压进行考虑时，因图4的变换用变压器3的初级侧产生的事故、雷击等所引起的过电压，在经变换用变压器3转移到晶闸管阀中时，同样是以从直流侧转移来时为考虑对象。任一种情况，晶闸管阀的过电压都是通过放电器2的保护电平VP进行限制，故不会超过该电平。

因此在设计晶闸管时有必要根据以下两个条件进行，即，

[1]应该是能够耐不伴随晶闸管阀的导通的最大过电压即放电器的保护电平VP。

[2]应该是在放电器动作时能耐晶闸管阀导通时的“应力”，即在晶闸管上加有过电压且放电器工作，并将晶闸管阀电压限制在VP上的状态下晶闸管阀导通时的应力。

特别是关于[2]，由于在晶闸管阀的过电压和门极脉冲的关系上并无任何相关，故在放电器动作时晶闸管阀也导通的场合是存在的。

关于[2]项的应力在图7（a）、（b）中表示有用图6的等效电路进行详细分析的结果。图7（a）表示电压和电流的相对于时间的关系，图7（b）表示晶闸管内部的结温上升Ti1，Ti6相对于时间的关系。

又为了参考，在不伴随放电器动作时（未设置放电器时）的晶闸管阀导通时的“应力”的分析结果如图8（a），（b）所示。

图6的L₀为换流电抗线圈，E为过电压电源，i_A为放电器电流，i₁～i₆为晶闸管电流，Vs₁～Vs₆为晶闸管电压。在该计算例中串联的晶闸管有6个，其中5个（2～6）同时导通，而只有1个晶闸管要延迟0.85μs才导通。

从图7和图8的结果中可以明白下述情况。

图7（放电器动作中的导通）的场合

导通过电压倍数（K2）∶K2＝Vs6/Vs1＝3.80/2.95＝1.29

结温上升比（Kj）∶Kj＝Tj6/Ti1＝1.51

图8（在不伴随放电器动作时的导通）的场合

导通过电压倍数（K2′）∶K2′＝Vs6/Vs1＝3.70/3.20＝1.16

结温上升比（Kj′）∶Kj′＝Tj6/Tj1＝1.20

即因K2＞K2′，Kj＞Kj′;可以明白放电器动作中的导通“应力”是比较厉害的。这件事从图6和图7可理解为与通过放电器动作，而在晶闸管阀端子间存在VP的恒电压电源一事成为等效，并是因为在此状态下，如晶闸管阀导通，则从电源侧流向晶闸管的冲击电流i_L1仅由串联电抗线圈（5-1，5-2）进行限制，与此相反，在没有放电器的场合，冲击电流i_L1因换流电抗线圈L₀和串联电抗线圈（5-1，5-2）成为串联，而受到限制。

因而，在已有的晶闸管的设计上考虑上述[1]、[2]两条件，并以下述方式确定晶闸管阀所需晶闸管的串联数。

从[1]的条件可得到必需的晶闸管串联数（N1）

N1≥VP×Kt×K1/VDRM ……（1）

式中，VP：放电器的保护电平

Kt：试验安全系数（在IEC标准中为1.15）

Kl：电压分担的不平等系数

VDRM：晶闸管的正向耐压（在该电平上对导通没有进行补偿）

从[2]的条件可得到必需的晶闸管的串联数（N2）

N2≥VP×Kt×K1×K2/VDRM（ON） ……（2）

式中VDRM（ON）为晶闸管可能导通的最大电压（VDRM＞VDRM（ON）]并成为流入晶闸管的冲击电流上升率di/dt的函数。在图9中表示有这些关系。

K2为前面说到的导通过电压倍数。

晶闸管的所需串联数必须选定为N1，N2中的任何一个大的数。

从（2）式可求出，

N2/N1＝[VDRM/VDRM（ON）]×K2 ……（3）

由（3）式尽可能使VDRM/VDRM（ON）及K2接近为1.0就是晶闸管阀的设计上所希望的，如令N2＝N1则更为理想。

为此，使串联电抗增大，减小di/dt，且等于要进一步对晶闸管进行选择使用以便使导通延迟时间的不一致的程度减小，而上述任一情况都成为费用上升的主要原因，故实际上存在有极限。

例如即令VDRM/VDRM（ON）＝1.0则（3）式为N2＝K2·N1。

即晶闸管的所需串联数可从[2]的条件中选定为N2。这意味着串联连接的晶闸管数比N₁还要大K2倍。

根据本分析例串联数必须为N1的K2＝1.29倍。

在已有的晶闸管的设计方面从本分析可以明白地看出所谓晶闸管的串联数不能经济地决定这一不合适现象。

又，在DT-2530789中公开了一种直流高压传输线用的过压保护的装置，它与包含带有受控的整流桥式电路的AC-DC变换器及产生送到桥式电路按一定顺序触发受控的桥式电路整流器的触发脉冲的控制电路的装置组合在一起，该过压保护装置包括跨接在变换器的输出端上的放电器和限流电阻的串联电路，检测上述串联电路上的电流的装置，响应电流检出装置而产生控制脉冲的脉冲产生器，及在控制脉冲的期间抑制触发脉冲以允许放电器复原的装置。但其目的在于保护而不是在保护的同时还减少所用的串联的晶闸管的数目，在电路连接上该保护装置的放电器接在AC-DC变换器的输出端上，而不是接到晶闸管阀上直接保护晶闸管阀。且该保护装置在放电器动作后其放电电流达到预定值时才阻断触发脉冲，而不是在放电器动作前就阻断有关触发脉冲（即晶闸管的门极脉冲），因而不能减少所用的串联的晶闸管的数目从而降低成本。

因而本发明的目的在于鉴于上述缺点而提供一种能合理地减少晶闸管的串联数目、降低晶闸管的成本并能减少通电损失的晶闸管阀。

为了达到上述目的本发明提供的晶闸管阀具有串联连接的多个晶闸管、与此多个串联连接的晶闸管进行并联连接的放电器、及检出加到上述晶闸管上的正向电压的第1电压检出装置，其特征在于还具有：检出加到上述晶闸管上的电压超过了比上述放电器的保护电平低的预定电压值的第2电压检出装置;及在通过第1电压检出装置检出在上述晶闸管上加有正向电压且通过第2电压检出装置检出在上述晶闸管上加有比上述预定电压值低的电压的条件下，将门极脉冲加到上述晶闸管上的门极脉冲发生电路。

由于具备上述的装置，而使门极脉冲加到晶闸管阀上是在通电指令信号PHS“有”，正向电压信号FV“有”，及上述电压检出手段的输出信号Vp“无”的条件成立时产生的。因而由于在晶闸管电压到达放电器的保护电平之前将 Vp＝0传送到脉冲发生电路12，故能避免放电器动作中的晶闸管阀的导通。其结果是可以下述方式确定所需晶闸管的串联数目。

（1）不伴随导通的最大过电压的（VP）的条件因与已有的相同，故用（1）式求出必需的串联数。

N1＝VP×Kt×K1/VDRM

（2）从伴随导通的最大过电压（Vp）的条件中可以下列方式确定晶闸管的必需串联数N3。但，Vp＜VP。

N3≥Vp×Kt×K1×K2′/VDRM（ON） ……（4）式中，K2′为在放电器不动作的条件下的导通过电压，

故N3/N1＝[VDRM/VDRM（ON）]×[Vp/VP]

×K2′……（5）

根据本分析，K2′＝1.16故比K2＝1.29约减小10%

在（5）式中，如设VDRM/VDRM（ON）＝1.1，则得到（6）式。

N3/N1＝1.1×[Vp/VP]＝1.28×[Vp/VP] ……（6）

为使N3/N1＝1则只要满足（7）式。

Vp＝[1/1.28]×VP＝0.78×VP ……（7）

即，只要将需要禁止导通的晶闸管阀电压Vp选定为放电器的保护电平VP的78%，则得N1＝N，而成为最佳设计。在已有的设计中与必须使晶闸管串联数为N2＝K1×N1＝1.29者相反，根据本发明得N3＝N1，可以使串联数减少29%。

图1（a）为表示本发明的一实施例的方块图;

图1（b）为图1（a）的脉冲发生电路的一部分的概略图;

图2为表示本发明的其他实施例的方块图;

图3为放电器的特性曲线图;

图4为由晶闸管所构成的整流装置的构成图;

图5（a）为已有的晶闸管阀的构成图;

图5（b）为图5（a）的脉冲发生电路的一部分的示意图;

图6为用以对晶闸管的导通应力进行分析的等效电路图;

图7（a）、（b）为表示放电器动作中的导通应力的分析结果的特性图;

图8（a）、（b）为表示在没有放电器时的导通“应力”的分析结果的特性图;

图9为晶闸管电压和导通时的di/dt容许值的特性图。

以下参照图1（a）、（b）对本发明进行说明，在图1（a）、（b）中和图5（a）、（b）相同的部分加有同一记号进行表示。

在晶闸管阀上在超过比放电器的保护电平低的预定电压（Vp）时发生输出信号的电压检测手段由电阻13、14的串联电路、与电阻14并联连接的电容器15和二极管16以及触发二极管17和发光二极管18的串联电路所构成，来自发光二极管18的电压检出信号SVp经光波导19传送到脉冲发生电路12的光电晶体三极管Tr。来自脉冲发生电路12的门极脉冲通过发光二极管20-1～20-N变换为光信号，并经光波导30-1、～30-N传送至各晶闸管10-1、～10-N的门极。用来驱动脉冲发生电路12的通电指令信号PHS从没有图示的控制装置送到脉冲发生电路12。

脉冲发生电路12如图1（b）所示，将通电指令信号PSH，正向电压信号FV，信号 SVp输入到“与”电路40，其中信号 SVp在加到晶闸管上的电压低于比放电器的保护电平还低的预定电压（Vp）时逻辑信号为“1”，并将“与”电路40的输出经脉冲整形电路50输入到晶体三极管60的基极。发光二极管20-1、～20-N，电阻80，电源70，和晶体三极管60构成串联电路，通过使晶体三极管60成为导通，在发光二极管20-1、～20-N上流有电流，而发生光信号。

如在晶闸管阀上加有正向电压，则有电流经电阻13流到电阻14及电容器15上。如晶闸管阀的电压达到预定的电平（Vp）则电容器15的电压超过触发二极管17的触发电平，触发二极管17导通，有电流流到发光二极管18。该发光二极管18的光信号经光波导19被传送到脉冲发生电路12的光电晶体三极管Tr2。因而在脉冲发生电路上可探知在晶闸管上加有高于预定的电平Vp的电压。预定的检出电平可通过电阻13＞缛15、触发二极管17加以调整。

因而，在图1（b）所示的“与”电路40的输出只有在通电指令信号PHS“有”、正向电压信号FV“有”、及在晶闸管阀上没有加上比预定电压（Vp）高的电压的条件成立时才流有脉冲电流并发生光门极信号。

故如在晶闸管阀上加有超过预定电平（Vp）的电压，则 SVp的逻辑信号成为“O”，“与”门电路40由于不发生输出故在晶体管阀上未加门极脉冲。

在图1（a）中电压检出手段设置成可检出晶闸管阀的两端的电压，但也可做成检出晶闸管阀的一部的电压，并对晶闸管阀的电压是否达到预定的电平（Vp）进行判断。

又，如图2所示，其中和图1（a）相同的部分上加有同一记号表示，亦可用变流器CT检出放电器2的电流，用发光二极管18检出在晶闸管阀的电压达到预定电平（Vp）时所流过的电流ip，经光波导19传送到脉冲发生电路12。

即，放电器2的电流和电压的关系由于是如图3所示的特性曲线，亦可通过此时流动的电流ip检出比放电器的保护电平VP低的预定电压Vp。

如上所述，在本发明中能避免如在已有例中那样的带有极严厉的导通应力的放电器动作中的导通。因而作为晶闸管阀的最坏导通“应力”，只要从比放电器的保护电平VP低的电平Vp来考虑导通，且晶闸管的串联数能合理地减少的情况已如前所述。其结果是可以提供费用便宜，通电损失低的晶闸管阀。

1……晶闸管阀、 2……放电器

3……变压器、 4……直流电抗线圈

5……电抗线圈、 6……电阻

7……二极管、 8……发光二极管

9……光波导、 10-1、～10-N……晶闸管

11-1，～11-N……分压电路、 12……脉冲发生电路

13，14……电阻、 15……电容器

16……二极管 17……触发二极管

18……发光二极管 19……光波导。

20-1、～20-N…发光二极管

30-1、～30-N…光波导

40……“与”电路 50脉冲整形电路

60……晶体三极管

Tr、Tr……光电晶体三极管

CT……变流器

Claims

1、一种晶闸管阀具有串联连接的多个晶闸管、与此多个串联连接的晶闸管进行并联连接的放电器、及检出加到上述晶闸管上的正向电压的第1电压检出装置，其特征在于还具有：

检出加到上述晶闸管上的电压超过了比上述放电器的保护电平低的预定电压值的第2电压检出装置；及

在通过第1电压检出装置检出在上述晶闸管上加有正向电压且通过第2电压检出装置检出在上述晶闸管上加有比上述预定电压值低的电压的条件下，将门极脉冲加到上述晶闸管上的门极脉冲发生电路。

2、如权利要求1所述的晶闸管，其特征在于上述第2电压检出装置检出上述放电器的电流，并检出该电流超过在上述预定电压值时放电器上流过的预定电流值，上述门极脉冲发生电路在通过第1电压检出装置检出在上述晶闸管上加有正向电压且通过第2电压检出装置检出放电器上的电流低于上述预定电流值的条件下将门极脉冲加到上述晶闸管。