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晶闸管是发电机高能耗的根源与导通和关断的条件及方法

2017-07-04
类别:行业趋势
eye 375
文章创建人 拍明
        晶闸管正常导通是门极信号触发。当门极触发信号强度达到晶闸管国标规定时,晶闸管正向导通。此时,正向电流一定要超过标准规定的维持电流,否则,无法导通。

有两种情况可使晶闸管误导通:

1,选用的晶闸管断态不重复峰值电压即俗称正向峰值耐压(或称正向转折电压)偏低。所加正向电压峰值超过正向转折电压,晶闸管立即导通。因此时正向漏电流大幅上升(称正向雪崩电流),输入载流子满足导通条件。使用过压保护措施可避免误导通。

2,所加正向电压上升率dV/dt超过标准规定值。晶闸管阻断时其阴阳极之间相当于一个结电容当突加阳极电压时会产生充电电容电流,此电流可能导致晶闸管误导。因此对管子的最大正向电压上升率必须加以限制,一般采用阻容吸收元件并联在晶闸管两端的办法加以限制。

我们知道理论发电标准煤耗应该是123/(千瓦·小时)。但现在世界上火力发电的实际的煤耗比理论煤耗高很多,经过许多年的节能的技术革新,发电机的煤耗平均仍达350/(千瓦·小时)左右。不明损耗达40%左右,这到低是什么原因?

本人发表的文章《新观点:电企亏损缘于用电侧》阐明以下观点:

,影响发电企业效益,并造成发电机能耗大幅增加的关健因素不是发电系统,配电系统,输电线路的原因,而是在用电侧大面积使用非线性负载导至的必然结果。因为目前主力电源的供电系统发电利用的势能都是水(液态水,水蒸气),在发电企业中,水利发电企业因为利用水的自然的势能发电,效益损失非常严重但成本低所以反映不强烈。核能发电则是水浪费特别严重,同样成本不高基本被忽略,但对火力发电来讲电厂因此造成的煤耗大幅增加,自耗电,水浪费严重,发电机的实际效能低下。直接关系企业的生存与发展。

二,采用任何新型发电机组,提高燃煤效能的技术措施,上大弃小,提高平均负载率。建设高压输变电网降低线损率,用电侧能效管理,优化用电方式等等政策措施都难以改变发电企业高能耗的问题,目前的能效管理方式还可能引起更严重的效能损失。

三,发电企业高能耗在世界各个国家及地区普遍存在,发达国家的电企耗能情况严重而且由来已久。

四,现有的发电机组(无论大小)只要完全给纯电阻的负载供电,一般都可以到85%的效能。煤耗在160/(千瓦·小时)。如果完全给电子镇流器荧光灯(节能灯)供电效能在30%左右,煤耗在416克左右。

五,发电机运行的主力矩(由供蒸气量衡定)=负荷产生的最大阻力矩(负荷在电压周波的最大瞬间有功功率)

对于本人提出的观点,以电力技术的常识不好理解,也没法利用现在的测试方法来证明,因为用电侧的用电负载特性非常复杂,使用现代最先进的电能质量测试分析负载的电压特性因适应性差,通过测量很难发现什么是真正造成发电机能耗异常的顽疾。但我厂可以很方便通过研制的新型的毫秒级的电能质量逆流监测示波系统对负载的工作特性的电流波形产生的阻力矩作出正确的分析。

通过用电侧各种常用的负载的工作特性测量,可以判定用电电器在控制电路中大范围使用晶闸管(可控硅)元件是造成发电企业能耗大幅增加的根本原因。

以下通过晶闸管电路对电热器(纯电阻)进行的调温时的电流波形简要说明。

晶闸管是发电机高能耗的根源与导通和关断的条件及方法.jpg

1是晶闸管未进行温度调节时的电流波。功率表测定400W。图2是经过晶闸管调节后的电流波形,功率表测定200W。这两种工作状态的实际功耗相差1倍,但产生的最大阻力矩是一样的。发电机都要有平衡400W负载阻力矩的主力矩才能正常运行。图2表示的电热器工作波形,发电机的耗气(耗煤)将量浪费50%。在这种情况下用电侧采用晶闸管电路对电热器调温,每使用1度电,发电机要额外损失1度电的耗气(耗煤)

3是调到100W时工作的电流波形图,图4是调到25W时工作的电流波形,可以看清楚随着输出功率降低,时间坐标上没有电流信号的时间段加长。

晶闸管是一种有源开关元件, 晶闸管具有硅整流器件的特性,能在高电压、大电流条件下工作,且其工作过程可以控制、被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中。 晶闸管T在工作过程中,它的阳极A和阴极K与电源和负载连接,组成晶闸管的主电路,晶闸管的门极G和阴极K与控制晶闸管的装置连接,组成晶闸管的控制电路, 通过改变控制极上触发脉冲U到来的时间,就可以调节负载上输出电压的平均值(导通的时间)

1958年晶闸管开始商业推广应用,1970年后,大功率的晶闸管的出现,晶闸管基本可以适用于工,农业、 交通、家用电器等各个领域,它能实现交流调压、电机调速、、温度控制、调光等多种功能,是世界上节能降耗,电能优化利用,的最佳选择,经过几十年的发展,在世界各国的用电设备中形成了数量庞大的电压特性特殊的用电负荷群。人们为满足各种不同电器的功能需要,大部份电器的生产厂家应用晶闸管良好的自动控制性能,设计控制电器的一次回路电流。一般在晶闸管的门极设计了相适应的触发脉冲来到的时间与导通角大小的控制方法。因此对使用者来讲,电器电能使用效率高,而且安全可靠。

下面把我们生活中使用量最多的几种有晶闸管控制和没有晶闸管的电器的负载特性作个比较。

5是电视机的工作电流波形,呈标准双向尖脉冲电流。,按时间坐标分析55%时间没有电流信号。如负载的有功功率为100W,那么实际负载是100÷0.45=222W。发电机要产生平衡222W的负载主力矩。浪费122W的用气量(耗煤量)

6是液晶电脑的工作电流波形图,按时间坐标分析58%时间没有电流信号。如果负载的有功功率为100W,那么实际负载是100÷0.42=238W。发电机要产生平衡238W的负载的主力矩。浪费138W的用气量耗煤量)

78W节能灯照明的电流波形。按时间坐标分析60%的时间没有电流信号。如果负载的有功功率为10W,那么实际负载是10×0.4=25W。发电机要产生平衡25W的负载的主力矩。浪费15W的用气量(耗煤量)

8显是的是调速电机工作电流波形,按时间坐标分析65%的时间电路没有电流,如果负载的有功功率为100W,那么实际负载是100×0.35=285W。发电机要产生平衡280W的负载的主力矩。浪费180W的用气量(耗煤量)

9是电冰箱的工作电流波形图,因为没有使用晶闸管,电流波虽有点变形但比较流畅,没有断续现象。如过负载的有功功率为100W。发电机产生平衡100W的负载的主力矩就能正常运行。发电机不存在明显增加耗气量问题。

10是微波炉的工作电流波形,在电压的下降时间段有形变,没有电流断续的情况,证明没有使用晶闸管控制,如果负载的有功功率为100W。发电机产生平衡100W的负载的主力矩就能正常运行。

通过以上的负载工作电流特性分析,那些电器内部控制在用晶闸管便一目了然,也说明使用晶闸管的用电电器在每个电压周波内(1ms)进行2次自动的断续控制,使供电发电机在35%的运行时间段产生翻倍的阻力矩,50%-60%的时间没有输出电流,发电机则用最大的主力矩相平衡,因为发电机供气不会中断,在发电过程中每个电压周波都在浪费气体。发电时间越长煤耗越严重。研究发现因每个国家或区的用电环境不同,晶闸管控制使用量少的国家发电机效能就高一些,反之就相对高,比如我们中国因每个供电网的晶闸管控制型负载负荷差异,用电时间因季节昼夜的变化也会出现耗能指标的波动,出现300-400/(千瓦·小时)的情况。

总之,全球性的使用晶闸管控制用电电器,用电量已经达到总耗电量的50%左右。尽管满足了电能使用的单位节能,功能,生产,生活的需要,但使发电企业的效能大幅下降,煤炭资源浪费,环境,空气污染严重,经营困难。由于大范围使用晶闸管使发电机的运行状态稳定性特别差。发电机运行在每2ms内产生超载,轻载不断的力率震荡状态之中,安全问题隐患多,事故增加,晶闸管以快速接通,阻断电流方式控制用电电器,使得世界上发电机浪费的能源无法统计。现在晶闸管滥用的严重问题到了应该引起高度重视并加以解决的时候了。

晶闸管是一种具有三个PN 结的四层结构的大功率半导体器件,一般由两晶闸管反向连接而成,它有三个极:阳极,阴极和门极。晶闸管在工作过程中,它的阳极(A)和阴极(K)与电源和负载连接,组成晶闸管的主电路,晶闸管的门极G和阴极K与控制晶闸管的装置连接,组成晶闸管的控制电路。它的功用不仅是整流,还可以用作无触点开关以快速接通或切断电路,实现将直流电变成交流电的逆变,将一种频率的交流电变成另一种频率的交流电等等。晶闸管和其它半导体器件一样,其有体积小、效率高、稳定性好、工作可靠等优点。

上面了解到晶闸管的原理,我们就接着来看看晶闸管的导通和关断的条件及方法。

1.晶闸管的导通条件

(1)闸管导通的条件是:阳极承受正向电压,处于阻断状态的晶闸管,只有在门极加正向触发电压,才能使其导通。门极所加正向触发脉冲的最小宽度,应能使阳极电流达到维持通态所需要的最小阳极电流,即擎住电流IL以上。导通后的晶闸管管压降很小,使导通了的晶闸管关断的条件是使流过晶闸管的电流减小至一个小的数值,即维持电流IH一下。

(2)闸管导通的方法如下:

1)减小正向阳极电压至一个数值一下,或加反向阳极电压;

2)增加负载回路中的电阻。

2.晶闸管的关断的条件

(1)闸管关断的条件是:使主端子间的正向电流小于维持电流。

(2)晶闸管的关断方法有:

1)减小主端子AK之间之间的正向电压,直至为零,或加反向电压;

2)利用储能电路强迫关断。

 


责任编辑:Davia

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