西安九方科技開(kāi)發(fā)有限公司 王頤龍 董衛(wèi)社

在變流設(shè)備及裝置中，元件與快速熔斷器匹配不恰當(dāng)，往往出現(xiàn)元件、快速熔斷器頻繁發(fā)生故障損壞或快速熔斷器起不到保護(hù)作用的現(xiàn)象，從而造成設(shè)備不能正常穩(wěn)定、有效地運(yùn)行，故二者的合理匹配對(duì)設(shè)備的正常運(yùn)行非常重要。

本文對(duì)變流設(shè)備及變流裝置中主要元器件晶閘管、快速熔斷器、變壓器等的相關(guān)參數(shù)的計(jì)算給出了相應(yīng)的公式，公式及系數(shù)來(lái)源于《電機(jī)工程手冊(cè)》第32篇及多年從事變流設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，在此對(duì)各 參數(shù)的概念及定義 和對(duì) 公式及系數(shù)的推導(dǎo) 不做討論，只追求簡(jiǎn)捷與實(shí)用。

一、 快速熔斷器概述

快速熔斷器簡(jiǎn)稱快熔，主要由熔體（純銀）、觸刀（銅）及瓷瓶（氧化鋁）和填充材料（石英砂）組成。熔體焊接在兩端的觸刀（即安裝的導(dǎo)電面）上，觸刀用蓋板緊固在瓷瓶?jī)啥?，瓷瓶里面填充著滅弧介質(zhì)石英砂。

快速熔斷器是利用熱效應(yīng)原理工作的保護(hù)器件，當(dāng)電路中發(fā)生故障短路或過(guò)載電流時(shí)，流過(guò)熔體的電流隨之增大，快熔的熔體在極短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量的熱量，當(dāng)熔體的溫度達(dá)到熔點(diǎn)時(shí)，開(kāi)始熔化直至汽化，從而分?jǐn)喙收想娏?，達(dá)到保護(hù)整個(gè)電路和設(shè)備的作用。

快速熔斷器的熔體熔斷時(shí)一般分為四個(gè)階段：

1. 升溫階段：當(dāng)熔體通過(guò)過(guò)載或短路電流時(shí)，熔體的溫度會(huì)不斷升高到熔化溫度，此時(shí)熔體并未開(kāi)始熔化，而是仍處于固體狀態(tài)。溫度的上升率與電流的大小成正比。

2. 熔化階段：故障電流繼續(xù)通過(guò)熔體產(chǎn)生大量的熱量，熔體吸收熱量開(kāi)始熔化，熔體繼續(xù)熔化而溫度不變。

3. 電弧階段：熔化了的金屬在短時(shí)間內(nèi)仍保持原來(lái)狀態(tài)，熔體在電流的作用下繼續(xù)產(chǎn)生熱量而使熔體溫度不斷升高直到汽化點(diǎn)，開(kāi)始產(chǎn)生金屬蒸氣。此時(shí)，由于瞬間產(chǎn)生的絕緣間隙很小，電流突然中斷，電路電壓立即擊穿此間隙，產(chǎn)生電弧。

4. 熄滅階段：電弧形成后，汽化的金屬離子擴(kuò)散、滲透到周圍滅弧介質(zhì)石英砂中，電弧能量被吸收，電弧間隙擴(kuò)大而自行熄滅，快熔切斷電流。

快速熔斷器具有分?jǐn)鄷r(shí)間短，限流特性好的特點(diǎn)。其熔體多采用純銀（電阻率1.64×10^-6Ω?cm熔點(diǎn)960℃熱熔常數(shù)8×10⁸A²S/CM⁴）材質(zhì)，而不采用銅（電阻率1.7×10^-6Ω?cm熔點(diǎn)1083℃熱熔常數(shù)11.72×10⁸A²S/CM）和鋁（電阻率2.86×10^-6Ω?cm熔點(diǎn)660℃熱熔常數(shù)4.42×10⁸A²S/CM）等材質(zhì)，雖然銅和銀的電阻率接近，但限流特性不如銀的顯著，并且其弧后的殘軀電阻比銀??；雖然鋁的熱熔常數(shù)比銀低，但相同尺寸的熔體，銀比鋁通過(guò)電流的能力要強(qiáng)許多，并且其弧后的殘軀電阻比銀??；所以，銀是比較理想的**材料。

快速熔斷器的熔體一般設(shè)計(jì)為變截面多并聯(lián)的形式。熔體的厚度影響其分?jǐn)嗟乃俣?，厚度薄了雖然可以提高其分?jǐn)嗟目焖傩?，但機(jī)械性能降低，不利于生產(chǎn)制作；厚度厚了雖然增大了額定電流，有利于生產(chǎn)制作，但會(huì)增大金屬的趨膚效應(yīng)，降低電流的通過(guò)效率；所以，設(shè)計(jì)者應(yīng)綜合考慮選擇科學(xué)合理的熔體厚度，以達(dá)到熔斷器較佳的工作狀態(tài)。

快速熔斷器在設(shè)備裝置中主要對(duì)大的故障電流起保護(hù)作用。熔斷器在分?jǐn)啻蟮墓收想娏鲿r(shí)處于絕熱狀況下，其弧前I²T與其熔體的材料和幾何尺寸有關(guān)；當(dāng)小倍數(shù)（<4～5I_N）過(guò)載電流通過(guò)時(shí)，部分能量通過(guò)瓷殼和觸刀傳遞到外部，其弧前I²T與時(shí)間成正比關(guān)系，不利于熔斷器的分?jǐn)嗉皩?duì)設(shè)備的保護(hù)，故對(duì)小倍數(shù)過(guò)載電流應(yīng)選擇其它電器（空氣開(kāi)關(guān)、電流繼電器、接觸器等）元件或方式進(jìn)行保護(hù)；所以，同規(guī)格的熔斷器功耗較小，弧前I²T較小，其保護(hù)性能就更佳。滅弧介質(zhì)石英砂的純度、粒度、形狀、填充的密度、瓷管的強(qiáng)度以及熔體的布局等對(duì)熔斷器的分段能力及質(zhì)量有很大的關(guān)系。熔斷器的滅弧介質(zhì)石英砂固化和散沙各有特點(diǎn)，同規(guī)格的石英砂固化雖然分?jǐn)嘈阅鼙壬⑸车囊茫『蟮臍堒|電阻比散沙的要小?？焖偃蹟嗥魇抢脽嵝?yīng)原理進(jìn)行保護(hù)的元件，故而要考慮其正常運(yùn)行時(shí)的溫升，如果不采取其他方式進(jìn)行冷卻散熱，只是一味要求其溫升降低，則會(huì)分?jǐn)鄷r(shí)間延長(zhǎng)，不能起到很好的保護(hù)作用；若不考慮正常運(yùn)行時(shí)的溫升，則常常會(huì)因過(guò)載而頻繁更換熔斷器；所以，設(shè)計(jì)者和使用者應(yīng)綜合考慮，選擇科學(xué)合理的方式及規(guī)格，以達(dá)到滿意可靠的保護(hù)作用。

在相同的外環(huán)境（電流和冷卻條件）下，快熔運(yùn)行的 溫升 與 快熔本身的冷態(tài)（20℃）電阻 有關(guān)，快熔的冷態(tài)電阻 越大則發(fā)熱越多，溫升 越高。

快熔冷態(tài)電阻R = R1×2＋R2

式中 R1為快熔端電阻，即觸刀電阻。R2為快熔熔體電阻，同規(guī)格的電流其電壓等級(jí)越高則R2越大，所以選用快熔時(shí)電壓余度不宜過(guò)大。

當(dāng)負(fù)載短路或元件損壞情況發(fā)生時(shí)，造成流經(jīng)快熔的電流瞬時(shí)急劇上升，使快熔熔體熔斷以防事態(tài)擴(kuò)大，對(duì)電路相關(guān)元器件進(jìn)行有效的保護(hù)。

注意事項(xiàng)：必須 嚴(yán)重拒絕 元件與快熔的不匹配選型！

（1） 元件 合適 而快熔 過(guò)大 則起不到有效的保護(hù)作用；

（2） 元件 合適 或 過(guò)大 而快熔 過(guò)小 則有可能會(huì)發(fā)生快熔 發(fā)熱嚴(yán)重熔斷頻繁 的故障現(xiàn)象；

（3） 快熔 合適 或 過(guò)大 而元件 過(guò)小 則有可能會(huì)發(fā)生元件 損壞頻繁甚至快熔不斷 的故障現(xiàn)象；

二、 三相橋電路

2.1 如圖 1（橋臂為單元件的三相橋整流電路）

2.1.1 元件參數(shù)的確定

（1） 元件電流平均值IAV的確定：

IAV = KAV×Id/3

元件為水冷時(shí)，冗余系數(shù)KAV = 3

所以 IAV = Id ------ ①

自冷IAV 取水冷的 1.5～2

（2）元件電壓耐受值VRRM的確定：

VRRM = KRRM×udio/1.35 ------ ②

冷卻方式為水冷時(shí)，KRRM = 3

冷卻方式為自冷時(shí)，KRRM = 4.5

2.1.2 快熔參數(shù)的確定

（1） 快熔電流有效值IR的確定：

IR = KIR×Id/1.732

單面水冷時(shí)，KIR取 1.6～1.8

所以 IR = Id ------ ③

自冷IR 取水冷的 1.2～1.5倍

（2）快熔電壓有效值VR的確定：

VR = KVR×udio/1.35 ------ ④

當(dāng)Id小于3000A時(shí)，KVR 取 1.1～1.2

當(dāng)Id大于3000A時(shí)，KVR 取 1.2～1.5

KVR 取過(guò)小則不利于燃弧的熄滅，過(guò)大則會(huì)導(dǎo)致熔體電阻值的增大、溫升過(guò)高。

2.1.3 變壓器二次參數(shù)的確定

（1） 二次線電流 I2L 的確定：

I2L = Id×0.816 ------ ⑤

（2） 二次線電壓 U2L 的確定：

U2L = udio/1.35 ------ ⑥

2.1.4 理想空載直流電壓 udio 的計(jì)算

udio = (Ud＋△V×2＋VL)×(1＋KV)×(1＋KZ) ------ ⑦

式中：Ud ------ 輸出額定負(fù)載電壓

△V ------ 元件正向?qū)ㄆ骄鶋航担ǔＨ?1V

VL ------ 線路壓降，通常取 1V

KV 是變壓器網(wǎng)側(cè)電壓負(fù)波動(dòng)系數(shù) 常取 5% ～ 10%

KZ 是變壓器阻抗，常取 5% ～ 8%

注意：計(jì)算時(shí) KV、KZ 不可隨意取的太大，否則會(huì)造成元件的 深控 而導(dǎo)致?lián)p壞！

2.2 如圖 2（橋臂為多元件并聯(lián)的三相橋整流電路）

2.2.1 元件參數(shù)的確定

（1） 元件電流平均值IAV的確定：

IAV = KAV×Id/[3(n×Ki)]

冷卻方式為水冷時(shí)，KAV = 3

所以 IAV = Id/(n×Ki) ------ ⑧

n ---- 為橋臂并聯(lián)支路數(shù)

Ki ---- 為橋臂支路的均流系數(shù)，通常取 0.80 ～ 0.85

自冷時(shí)，IAV 取水冷的 1.5～2

（2）元件電壓耐受值VRRM的確定：

同圖1 按2.1.1公式②算法

2.2.2 快熔參數(shù)的確定

（1） 快熔電流有效值IR的確定：

IR = KIR×Id/[1.732×(n×Ki)]

單面水冷時(shí)，KIR取 1.6～1.8

所以 IR = Id/（n×Ki）---- ⑨

自冷IR 取水冷的 1.2倍

（2）快熔電壓有效值VR的確定：同2.1如圖1 按2.1.2公式④算法。

2.2.3 變壓器二次參數(shù)的確定：同2.1如圖1 按2.1.3公式⑤⑥算法。

2.2.4 理想空載直流電壓 udio 的計(jì)算：同2.1如圖1 按2.1.4公式⑦算法。

2.3 如圖 3（快熔裝于橋口的三相橋整流電路，如有些中頻電路電源）

2.3.1 元件參數(shù)的確定：同2.1如圖1 按2.1.1公式①②算法。

2.3.2 快熔參數(shù)的確定

（1） 快熔電流有效值IR的確定

IR = KIR×Id/1.732×1.414

單面水冷時(shí)，KIR取 1.6～1.8

所以 IR = Id×1.414 ---- ⑩

自冷IR 取水冷的 1.2倍

（2）快熔電壓有效值VR的確定：

同2.1如圖1 按2.1.1公式④算法。

2.3.3 變壓器二次參數(shù)的確定：

同2.1如圖1 按2.1.3公式⑤⑥算法。

2.3.4 理想空載直流電壓 udio 的計(jì)算

同2.1如圖1 按2.1.4公式⑦算法。

三、 雙反星電路

3.1 如圖4（橋臂為單元件的雙反星型帶有平衡電抗器的整流電路）

3.1.1 元件參數(shù)的確定

（1） 元件電流平均值IAV的確定：

IAV = KAV×Id/（3×2）

元件為水冷時(shí)，取冗余系數(shù)KAV = 3

所以 IAV = Id/2 ------ ?

自冷時(shí)，IAV 取水冷的 1.5～2

（2）元件電壓耐受值VRRM的確定：

VRRM = KRRM×udio/0.675 ---- ?

冷卻方式為水冷時(shí)，KRRM = 3

冷卻方式為自冷時(shí)，KRRM = 4.5

3.1.2 快熔參數(shù)的確定

（1） 快熔電流有效值IR的確定：

IR = KIR×Id/（1.732×2）

單面水冷時(shí)，KIR取 1.6～1.8

所以 IR = Id/2 ------ ?

自冷IR取水冷的 1.2～1.5倍

（2）快熔電壓有效值VR的確定：

VR = KVR×udio/0.675 ------ ?

當(dāng)Id小于5000A時(shí)，KVR 取 1.1～1.2

當(dāng)Id大于5000A時(shí)，KVR 取 1.2～1.5

KVR 取過(guò)小則不利于燃弧的熄滅，過(guò)大則會(huì)導(dǎo)致熔體電阻值的增大、溫升過(guò)高。

3.1.3 變壓器二次參數(shù)的確定

（1） 二次線電流 I2L 的確定：

I2L = Id×0.289 ------ ?

（2） 二次線電壓 U2L 的確定：

U2L = udio/0.675 ------ ?

3.1.4 理想空載直流電壓 udio 的計(jì)算

udio = (Ud＋△V＋VL)×(1＋KV)×(1＋KZ) ------ ?

式中：Ud ------ 輸出額定負(fù)載電壓

△V ------ 元件正向?qū)ㄆ骄鶋航担ǔＨ?1V

VL ------ 線路壓降，通常取 1V

KV 是變壓器網(wǎng)側(cè)電壓負(fù)波動(dòng)系數(shù) 常取 5% ～ 10%

KZ 是變壓器阻抗，常取 5% ～ 8%

注意：計(jì)算時(shí) KV、KZ 不可隨意取的太大，否則會(huì)造成元件的 深控 而導(dǎo)致?lián)p壞！

3.2 如圖5（橋臂為多元件并聯(lián)的雙反星型帶有平衡電抗器的整流電路）

3.2.1 元件參數(shù)的確定

（1） 元件電流平均值IAV的確定：

IAV = KAV×Id/[(3×2)(n×Ki)]

冷卻方式為水冷時(shí)，KAV = 3

所以 IAV = Id/[2(n×Ki)] ---- ?

n ---- 為橋臂并聯(lián)支路數(shù)

Ki ---- 為橋臂支路的均流系

數(shù)，通常取 0.80 ～ 0.85

自冷IAV 取水冷的 1.5～2.0倍

（2）元件電壓耐受值VRRM的確定：

同3.1如圖4 按3.1.1公式?算法。

3.2.2 快熔參數(shù)的確定

（1） 快熔電流有效值IR的確定：

IR = KIR×Id/[(1.732×2)(n×Ki)]

單面水冷時(shí)，KIR取 1.6～1.8

所以 IR = Id/[2(n×Ki)] ---- ?

自冷IR取水冷的 1.2～1.5倍

（2）快熔電壓有效值VR的確定

同3.1如圖4 按3.1.2公式?算法。

3.2.3 變壓器二次參數(shù)的確定：同3.1如圖4 按3.1.3公式??算法。

3.2.4 理想空載直流電壓 udio 的計(jì)算：同3.1如圖4 按3.1.4公式?算法。

3.3 如圖6

3.3.1 元件參數(shù)的確定：同3.1如圖4 按3.1.1公式??算法。

3.3.2 快熔參數(shù)的確定

（1） 快熔電流有效值IR的確定：

IR = KIR×0.408×Id/KB ---- ?

KB = 網(wǎng)側(cè)電壓/閥側(cè)電壓

單面水冷時(shí)，KIR取 1.6～1.8

自冷時(shí)，KIR取1.9～2.0倍

（2）快熔電壓有效值VR的確定：

常取網(wǎng)側(cè)線電壓的1.2倍

3.3.3 變壓器二次參數(shù)的確定：同3.1如圖4 按3.1.3公式??算法。

3.3.4 理想空載直流電壓 udio 的計(jì)算：同3.1如圖4 按3.1.4公式?算法。

3.4 如圖7（雙反星型不帶平衡電抗器）

3.4.1 元件參數(shù)的確定

（1） 元件電流平均值IAV的確定：

IAV = KAV×Id/(3×1.282)

元件為水冷時(shí)，取冗余系數(shù)KAV = 3

所以 IAV = Id/1.282  ------ 21

自冷時(shí)，IAV 取水冷的 1.5～2

（2）元件電壓耐受值VRRM的確定

同3.1如圖4 按3.1.1公式?算法。

3.4.2 快熔參數(shù)的確定

（1） 快熔電流有效值IR的確定：

IR = KIR×Id/（1.732×1.414）

單面水冷時(shí)，KIR取 1.6～1.8

所以 IR = Id/1.414 ------ 22

自冷IR取水冷的 1.2～1.5倍

（2）快熔電壓有效值VR的確定

同3.1如圖4 按3.1.2公式?算法。

3.4.3 變壓器二次參數(shù)的確定

（1） 二次線電流 I2L 的確定：

I2L = Id×0.408 ------ 23

（2） 二次線電壓 U2L 的確定

同3.1如圖4 按3.1.3公式?算法。

3.4.4 理想空載直流電壓 udio 的計(jì)算

同3.1如圖4 按3.1.3公式?算法。

四、 交流調(diào)功、調(diào)壓電路（負(fù)載功率PZ、負(fù)載電壓UZ、負(fù)載電流IZ）如圖8、圖9

4.1 元件參數(shù)的確定

（1） 元件電流平均值IAV的確定：

IAV = KAV×IZ/(1.414×1.57)

IZ = PZ/(UZ×1.732) ---- 圖8

IZ = PZ/UZ ---- 圖9

元件為水冷時(shí)，取冗余系數(shù)KAV = 3

所以 IAV ≈ IZ×1.414 ---- 31

自冷時(shí)，IAV 取水冷的 1.5～2

（2）元件電壓耐受值VRRM的確定

VRRM = KRRM×UA ---- 32

UA ---- 輸入電網(wǎng)電壓

冷卻方式為水冷時(shí)，KRRM = 3

冷卻方式為自冷時(shí)，KRRM = 4.5

4.2 快熔參數(shù)的確定

（1） 快熔電流有效值IR的確定

IR = KIR×IZ  ---- 33

KIR 取 1.6～1.8

（2）快熔電壓有效值VR的確定

VR = KVR×UA ---- 34

常取 KVR = 1.2

五、 可控硅控制器

5.1 單相控制器

5.1.1 開(kāi)環(huán)數(shù)字型 DBK02D(750066)-1M

5.1.2 閉環(huán)模擬型 DBB02A(750064)-1M

5.1.3 閉環(huán)數(shù)字型 DBB02D(750067)-1M

5.2 三相控制器

5.2.1 用于電解電源

SHB06D(750048)-1C

SHB06D(750029)-1M

SHB06D(750117)-2M

5.2.2 用于直流電弧爐SEB06A(750087)-1C/1M

5.2.3 用于同步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁SLB06D(750045)-1M

5.2.4 用于一般工業(yè)電源

SBK06A(750018)-1C

SBK06D(750042)-1M

SBB06D(750074)-1M

SBK12D(750110)-1M

5.2.5 用于調(diào)功恒溫控制

STK06D(750042)-1M

STK06D(750095)-1MOC

5.3 控制器功放

5.4 脈沖分配器

MF-01

MF-02

MF(750086)-03

5.4 專用控制器

5.4.1 鈉燈UPS控制器

5.4.2 自動(dòng)畫面廣告機(jī)控制器

5.4.3 平口滾焊機(jī)控制器

GH(750088)J-001

說(shuō)明：凡是快熔簽單用戶可免費(fèi)索取主電路系統(tǒng)原理圖。