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摘要：讨论了教材《电力系统自动装置原理》有关三相半控整流电路失控现象的论述，分析了失控现象的机理、原因、特点和防止措施。
关键词：三相半控整流电路；晶闸管；失控
作者简介：王庆华（1978-），男，广西南宁人，广西大学电气工程学院，工程师。（广西 南宁 530004）
中图分类号：G642.3 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2012）02-0041-02
国家级规划教材《电力系统自动装置原理》自1986年出版至今，已修订到第四版，印刷了30多次，涵盖了全国高等院校的电力专业，发行量很大。教材在“励磁系统整流电路”一节中有一段关于三相半控整流电路失控现象的论述一直没有改动过。笔者认为，里面有几个值得探讨的问题，本着抛砖引玉的态度，请教材编者前辈和同行赐教。
一、教材中的论述
教材（笫四版第59页）的论述如下：
“（三）失控现象和续流二极管的作用
上面的讨论是假定负载为纯电阻的情况，因此，当α大于60°时，输出电压波形出现了不连续，即当晶闸管由于正向电压为零而自然关断时，导通电流也就为零。但当负载为电感性且电感量很大以及供电电压降为零时，输出电流的瞬时值不为零，因电感的反电动势L方向如图2-23[注：本文图1（c）]括号中所示，力图阻止电流减小；若电感产生的电动势足够大时，就由该感应电动势经二极管和当时导通的晶闸管释放电感的磁能，导致该晶闸管不能关断。在图2-22（c）[注：本文图1（b）]中的t4-t5时段内，VSl经负载和V2导通，在t5点VSl应关断，但由于反电动势足够大，方向如图2-23中括号中所示，经V2、VSl导通释放磁能，VSl不能关断，直到下一个晶闸管触发导通为止，这种现象称为失控。这时，得不到原有的输出电压波形，使整流输出电压值降低。
为了防止失控现象的发生，在电感性负载两端并接一反向续流二极管V1，在晶闸管电压过零关断时，电感两端的反电动势经续流二极管形成电流回路，由于续流二极管两端电压甚低，接近于零，从而保证晶闸管能可靠关断，显然续流二极管应选择正向压降小的，以确保晶闸管的可靠关断。”
这里有几个问题值得商榷：
（1）电感电动势产生电流的通路；
（2）大电感情况下的整流电压波形；
（3）什么叫做失控。
二、电感电动势产生电流的通路
教材说明：“在图2-22（c）中的t4-t5时段内，VSl经负载和V2导通，在t5点VSl应关断，但由于反电动势足够大，方向如图2-23中括号中所示，经V2、VSl导通释放磁能。”这就是说，没有续流二极管时，电感电动势产生电流的通路是：
（+）→V2→励磁变压器C相线圈→励磁变压器a相线圈→VS1→（-）。
实际上，由于二极管的正向等效电阻很小，比励磁变压器线圈的阻抗小得多，感应电流通过V4、VS1的桥臂形成续流，所以电感电动势产生电流的通路应该是：
（+）→V4→VS1→（-）
（a）半控桥整流电路[图2-21（a）]；（b）电阻负载α=120°时输出电压波形[图2-22（c）]；（c）电感负载失控分析[图2-23]。
三、大电感情况下的整流电压波形
教材说明：“VSl不能关断，直到下一个晶闸管触发导通为止，这种现象称为失控。这时，得不到原有的输出电压波形，使整流输出电压值降低。”也就是说，输出电压波形改变了，数值降低了。
实际上，在ea电位最低的t5-t6段[本文图1（b）]，V4、VS1续流，但是二极管和晶闸管的正向压降很小（不到1V），忽略整流管微小压降的情况下，t5-t6段的电压为零，与电阻负载时输出电压波形和大小是相同的。在装了续流二极管V1以后，t5-t6段的续流由V4、VS1的桥臂转移到了V1，忽略续流二极管的微小压降，输出电压波形和大小与电阻负载也是一样的，如图1（b）所示。
四、失控的分析
1.失控现象的产生
教材将在自然换相点（如t5）时晶闸管（如VS1）不能关断称为失控。实际上，晶闸管只是延迟到下一个晶闸管触发导通时关断，整流输出电压是可以调节的，并没有失去控制，且输出电压波形和大小也没有改变，这种电感负载时晶闸管延迟关断的现象并没有直接影响到发电机励磁整流电路的正常运行，称为失控实在勉强。但在以下分析可知，晶闸管在自然换相点时不能关断，埋下了产生失控的隐患（内因），在某些外部条件（外因）下，就会真正产生失控。
三相半控桥式整流电路失控现象可以用图2的波形图进行分析。在整流电路不装续流二极管的情况下，假设在VS1触发导通后，励磁调节器故障使三相触发脉冲丢失，由于励磁绕组为大电感电路，VS1、V4在自然换相点4-6段续流，而由于触发脉冲丢失，VS2、VS3不能触发导通而关断VS1，过了“6”点以后，ea己不是最低，6-8段时eb变为最低，故VS1和V6形成通路，输出电压为eab，“8”点之后，ec变为最低，输出电压为eac，“10”点以后VS1、V4在10-12段又续流，如此继续下去，如图2所示。这种一只晶闸管不需触发就持续导通并且不可调节的现象称为失控。
2.失控的特点及影响
三相半控桥式整流电路失控的特点及其对运行的影响有以下几个方面。
（1）脉冲丢失前导通的那只晶闸管持续导通，三只二极管轮流导通，其他两只晶闸管不导通，如图2所示，这可能引起一直导通的晶闸管快速熔断器熔断或过热损坏。
（2）晶闸管不经触发即导通，输出整流电压不受控制，调节控制角不起作用，发电机不能随运行需要而调节无功和电压。
（3）输出整流平均电压大小与三相半控桥式整流电路正常运行时α=90°时整流电压相当，一般发电机额定励磁电压小于这一数值，所以会使发电机产生过电压和过电流，在空载或轻载运行时尤为严重。例如，设发电机额定励磁电压为α=120°，当失控时，发电机励磁电压升高为额定励磁电压的两倍。
3.失控的原因
发电机运行中，假设励磁整流回路没有装续流二极管或虽装续流二极管但续流回路压降过大（如续流二极管正向压降大，或者续流回路接触不良甚至断线），都可能使流过晶闸管的电流大于其维持电流，因而在自然换相点时不能关断，造成了产生失控的内在条件，但必须在一定的外部条件下才会真正产生失控。三相半控整流电路产生失控的外部原因有以下几个方面。
（1）三相或两相脉冲消失，这在上面已分析过，无论控制角α在什么数值时都会产生失控。
（2）在控制角α>120°时一相脉冲消失，也会产生失控。如图2所示的波形图，设B相脉冲消失，C相虽有脉冲但在“7”点以后才发出，这时ea>ec，通过导通的VS1 使VS5加上反向电压而不能触发导通。当α>120°时，一个晶闸管断路或控制极断路、快熔熔断也会产生失控。失控后的机端电压显然高于α=120°时的数值，控制角还会增大而维持失控。
（3）运行工况变化使控制角α>180°时，因晶闸管不能触发导通，也会产生失控。例如，电网产生短路使机端电压下降，发电机励磁装置强励使励磁电流快速上升至顶值，当保护装置将短路切除后，机端电压骤升，励磁装置强减使控制角可能加大到超过180°，这时即使有触发脉冲，但晶闸管在脉冲到来之前处于反向电压下而不能导通，造成失控。而失控后的机端电压往往过高，控制角就一直超过180°。
4.失控的防止
根据以上的分析，防止失控的措施有以下几个方面。
（1）整流电路装续流二极管，如图1（a）中的V1，感应电势产生的电流可通过V1续流，使流过晶闸管的电流小于其维持电流而关断，V1要选择正向压降尽可能小的二极管，续流回路连线要短，接触要良好，以减少回路的压降。
（2）限制最大控制角。在励磁装置强减时限制控制角小于180°，就可利用另一相晶闸管的导通强行关断原来导通的晶闸管，从而防止了失控，一般最大控制角限制在160°~170°。
（3）选择维持电流大、关断特性好的晶闸管，1000A以下的晶闸管维持电流应大于60mA，1000A以上的晶闸管维持电流应大于100mA。
参考文献：
[1]杨冠城.电力系统自动装置原理(笫四版)[M].北京:中国电力出版社,2010.
（责任编辑：孙晴）
关键词：三相半控整流电路；晶闸管；失控
作者简介：王庆华（1978-），男，广西南宁人，广西大学电气工程学院，工程师。（广西 南宁 530004）
中图分类号：G642.3 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2012）02-0041-02
国家级规划教材《电力系统自动装置原理》自1986年出版至今，已修订到第四版，印刷了30多次，涵盖了全国高等院校的电力专业，发行量很大。教材在“励磁系统整流电路”一节中有一段关于三相半控整流电路失控现象的论述一直没有改动过。笔者认为，里面有几个值得探讨的问题，本着抛砖引玉的态度，请教材编者前辈和同行赐教。
一、教材中的论述
教材（笫四版第59页）的论述如下：
“（三）失控现象和续流二极管的作用
上面的讨论是假定负载为纯电阻的情况，因此，当α大于60°时，输出电压波形出现了不连续，即当晶闸管由于正向电压为零而自然关断时，导通电流也就为零。但当负载为电感性且电感量很大以及供电电压降为零时，输出电流的瞬时值不为零，因电感的反电动势L方向如图2-23[注：本文图1（c）]括号中所示，力图阻止电流减小；若电感产生的电动势足够大时，就由该感应电动势经二极管和当时导通的晶闸管释放电感的磁能，导致该晶闸管不能关断。在图2-22（c）[注：本文图1（b）]中的t4-t5时段内，VSl经负载和V2导通，在t5点VSl应关断，但由于反电动势足够大，方向如图2-23中括号中所示，经V2、VSl导通释放磁能，VSl不能关断，直到下一个晶闸管触发导通为止，这种现象称为失控。这时，得不到原有的输出电压波形，使整流输出电压值降低。
为了防止失控现象的发生，在电感性负载两端并接一反向续流二极管V1，在晶闸管电压过零关断时，电感两端的反电动势经续流二极管形成电流回路，由于续流二极管两端电压甚低，接近于零，从而保证晶闸管能可靠关断，显然续流二极管应选择正向压降小的，以确保晶闸管的可靠关断。”
这里有几个问题值得商榷：
（1）电感电动势产生电流的通路；
（2）大电感情况下的整流电压波形；
（3）什么叫做失控。
二、电感电动势产生电流的通路
教材说明：“在图2-22（c）中的t4-t5时段内，VSl经负载和V2导通，在t5点VSl应关断，但由于反电动势足够大，方向如图2-23中括号中所示，经V2、VSl导通释放磁能。”这就是说，没有续流二极管时，电感电动势产生电流的通路是：
（+）→V2→励磁变压器C相线圈→励磁变压器a相线圈→VS1→（-）。
实际上，由于二极管的正向等效电阻很小，比励磁变压器线圈的阻抗小得多，感应电流通过V4、VS1的桥臂形成续流，所以电感电动势产生电流的通路应该是：
（+）→V4→VS1→（-）
（a）半控桥整流电路[图2-21（a）]；（b）电阻负载α=120°时输出电压波形[图2-22（c）]；（c）电感负载失控分析[图2-23]。
三、大电感情况下的整流电压波形
教材说明：“VSl不能关断，直到下一个晶闸管触发导通为止，这种现象称为失控。这时，得不到原有的输出电压波形，使整流输出电压值降低。”也就是说，输出电压波形改变了，数值降低了。
实际上，在ea电位最低的t5-t6段[本文图1（b）]，V4、VS1续流，但是二极管和晶闸管的正向压降很小（不到1V），忽略整流管微小压降的情况下，t5-t6段的电压为零，与电阻负载时输出电压波形和大小是相同的。在装了续流二极管V1以后，t5-t6段的续流由V4、VS1的桥臂转移到了V1，忽略续流二极管的微小压降，输出电压波形和大小与电阻负载也是一样的，如图1（b）所示。
四、失控的分析
1.失控现象的产生
教材将在自然换相点（如t5）时晶闸管（如VS1）不能关断称为失控。实际上，晶闸管只是延迟到下一个晶闸管触发导通时关断，整流输出电压是可以调节的，并没有失去控制，且输出电压波形和大小也没有改变，这种电感负载时晶闸管延迟关断的现象并没有直接影响到发电机励磁整流电路的正常运行，称为失控实在勉强。但在以下分析可知，晶闸管在自然换相点时不能关断，埋下了产生失控的隐患（内因），在某些外部条件（外因）下，就会真正产生失控。
三相半控桥式整流电路失控现象可以用图2的波形图进行分析。在整流电路不装续流二极管的情况下，假设在VS1触发导通后，励磁调节器故障使三相触发脉冲丢失，由于励磁绕组为大电感电路，VS1、V4在自然换相点4-6段续流，而由于触发脉冲丢失，VS2、VS3不能触发导通而关断VS1，过了“6”点以后，ea己不是最低，6-8段时eb变为最低，故VS1和V6形成通路，输出电压为eab，“8”点之后，ec变为最低，输出电压为eac，“10”点以后VS1、V4在10-12段又续流，如此继续下去，如图2所示。这种一只晶闸管不需触发就持续导通并且不可调节的现象称为失控。
2.失控的特点及影响
三相半控桥式整流电路失控的特点及其对运行的影响有以下几个方面。
（1）脉冲丢失前导通的那只晶闸管持续导通，三只二极管轮流导通，其他两只晶闸管不导通，如图2所示，这可能引起一直导通的晶闸管快速熔断器熔断或过热损坏。
（2）晶闸管不经触发即导通，输出整流电压不受控制，调节控制角不起作用，发电机不能随运行需要而调节无功和电压。
（3）输出整流平均电压大小与三相半控桥式整流电路正常运行时α=90°时整流电压相当，一般发电机额定励磁电压小于这一数值，所以会使发电机产生过电压和过电流，在空载或轻载运行时尤为严重。例如，设发电机额定励磁电压为α=120°，当失控时，发电机励磁电压升高为额定励磁电压的两倍。
3.失控的原因
发电机运行中，假设励磁整流回路没有装续流二极管或虽装续流二极管但续流回路压降过大（如续流二极管正向压降大，或者续流回路接触不良甚至断线），都可能使流过晶闸管的电流大于其维持电流，因而在自然换相点时不能关断，造成了产生失控的内在条件，但必须在一定的外部条件下才会真正产生失控。三相半控整流电路产生失控的外部原因有以下几个方面。
（1）三相或两相脉冲消失，这在上面已分析过，无论控制角α在什么数值时都会产生失控。
（2）在控制角α>120°时一相脉冲消失，也会产生失控。如图2所示的波形图，设B相脉冲消失，C相虽有脉冲但在“7”点以后才发出，这时ea>ec，通过导通的VS1 使VS5加上反向电压而不能触发导通。当α>120°时，一个晶闸管断路或控制极断路、快熔熔断也会产生失控。失控后的机端电压显然高于α=120°时的数值，控制角还会增大而维持失控。
（3）运行工况变化使控制角α>180°时，因晶闸管不能触发导通，也会产生失控。例如，电网产生短路使机端电压下降，发电机励磁装置强励使励磁电流快速上升至顶值，当保护装置将短路切除后，机端电压骤升，励磁装置强减使控制角可能加大到超过180°，这时即使有触发脉冲，但晶闸管在脉冲到来之前处于反向电压下而不能导通，造成失控。而失控后的机端电压往往过高，控制角就一直超过180°。
4.失控的防止
根据以上的分析，防止失控的措施有以下几个方面。
（1）整流电路装续流二极管，如图1（a）中的V1，感应电势产生的电流可通过V1续流，使流过晶闸管的电流小于其维持电流而关断，V1要选择正向压降尽可能小的二极管，续流回路连线要短，接触要良好，以减少回路的压降。
（2）限制最大控制角。在励磁装置强减时限制控制角小于180°，就可利用另一相晶闸管的导通强行关断原来导通的晶闸管，从而防止了失控，一般最大控制角限制在160°~170°。
（3）选择维持电流大、关断特性好的晶闸管，1000A以下的晶闸管维持电流应大于60mA，1000A以上的晶闸管维持电流应大于100mA。
参考文献：
[1]杨冠城.电力系统自动装置原理(笫四版)[M].北京:中国电力出版社,2010.
（责任编辑：孙晴）