第6章 电力电子技术应用中的
一些问题
主要内容:
� 变换器的保护电路,保护电路包括过压保护、
过流保护和电压上升率、电流上升率的限制。
� 电力电子器件散热器的设计,散热器的热传导
原理和选择散热器的方法。
� 负载谐振变换器、谐振式开关变换器、谐振式
直流耦合变换器、高频耦合半周合成变换器。
零电压/零电流谐振变换器的工作原理。
6.1 变换器的保护
6.1.1 过压保护
1. 引起过压的原因引起过压的原因引起过压的原因引起过压的原因
(1) 操作过电压:由拉闸、合闸、快速直流开关的切断等
经常性操作中的电磁过程引起的过压。
(2) 浪涌过压:由雷击等偶然原因引起,从电网进入变换
器的过压。
(3) 电力电子器件关断过电压:电力电子器件关断时产生
的过压。
(4) 在电力电子变换器-电动机调速系统中,由于电动机
回馈制动造成直流侧直流电压过高产生的过压。也称
为泵升电压。
2. 过压保护方法过压保护方法过压保护方法过压保护方法
� 过压保护的基本原则是:根据电路中过压产生的不同部
位,加入不同的附加电路,当达到—定过压值时,自动
开通附加电路,使过压通过附加电路形成通路,消耗过
压储存的电磁能量,从而使过压的能量不会加到主开关
器件上,保护了电力电子器件。保护电路形式很多,也
很复杂。
� 图6-1 过压保护方法的原理图
(1) 雷击过压可在变压器初级接避雷器加以保护。
(2) 二次电压很高或电压比很大的变压器,一次
侧合闸时,由于一次、二次绕组间存在分布电
容,高电压可通过分布电容耦合到二次侧而出
现瞬时过压。可采取变压器附加屏蔽层接地或
变压器星形中点通过电容接地的方法来减小。
(3) 泵升电压保护当电动机回馈制动时,电动机
的动能转换成电能回馈到直流侧,引起直流侧
电压升高,当电压升高到一定值时,会造成变
换器的过电压。通常采用开关电路将能量消耗
在电阻上。
(4)阻容保护电路
� 将电容并联在回路中,当电路中出现电压尖峰电压
时,电容两端电压不能突变的特性,可以有效地抑制
电路中的过压。
� 与电容串联的电阻能消耗掉部分过压能量,同时抑制
电路中的电感与电容产生振荡。
� RC阻容保护电路可以设置在变换器装置的交流侧、直
流侧。也可将RC保护电路直接并在主电路的元件上,
有效地抑制元件关断时的关断过压,其接法如图6-2
所示。
� 图6-2 几种RC阻容保护电路的接法
� 在单相变压器次级绕组边加入的并联阻容保护电路如图
6-2(a)所示,其R、C的计算公式为
(6-1)
(6-2)
式中 S—变压器每相平均计算容量,单位为VA
U2—变比器二次侧相电压有效值,单位为V
io%—变压器励磁电流百分值,10~1000KVA
的变压器其值为4~10
uk%—变压器的短路电压百分值,10~1000KVA的
变压器其值为5~10
)µF( %6 2
2
o U
SiC ××≥
)(
%
%3.2
o
k
2
2 Ω××≥
i
u
S
UR
� 电容C的交流耐压≥1.5UC,UC为正常工作时阻容两端交
流电压有效值。电阻R的功率PR的计算可根据以下经验
公式估算:
(6-3)
(6-4)
式中 UC—正常工作时阻容两端交流电压有效值
IC—正常工作时阻容两端交流电流有效值
对图6-2(b)所示的三相电路,变压器二次绕组和阻容保
护电路均采用Y形联接的方法,它的R、C计算公式可直
接引用单相时的计算式。
RIP 2CR )43( −≥
6
CCC 102
−×= UfI pi
� 图6-2(c)所示的三相电路、变压器二次侧为Y联结,而
阻容保护电路为Δ形联接。对此,可首先按式(6-l)和
式(6-2)计算出Y形联接时的阻容值R、C ,然后进行Y、
Δ联接变换,求得Δ联接时相应的阻容值,即
(6-5)
(6-6)
� 对于大容量的变换器,三相阻容保护装置可采用图6-
2(d)所示的三相整流式阻容保护电路。虽然多用了一个
三相整流桥,但只需一个电容,而且由于只承受直流电
压,故可采用体积小、容量大的电解电容。再者还可以
避免变换器中的电力电子器件导通瞬间因保护电路的电
容放电电流所引起的过大的di/dt。RC的作用是吸收电
容上的过电压能量。
Y3RR =∆ Y3
1 CC =∆
如图6-2(e)所示,阻容保护接在交流装置的直流侧,可以
抑制因熔断器或直流快速开关断开时造成的直流侧过
压,其阻容值可按以下经验公式估算
(6-7)
(6-8)
式中 k=1.5,Ud是直流端电压。
电容器耐压UC>1.6Ud,
电阻功率是
(6-9)
)µF( 10
2
%
)1(
047.1 6-
d
do
2 ×
−
=
U
I
f
i
k
C
pi
)( )12(k2
d
d Ω−=
I
UR
)W(
800800
ddd
R
IUPP ==
(5) 非线性电阻保护。
非线性电阻具有近似稳压管的伏安特性,可把浪涌电
压限制在电力电子器件允许的电压范围。现在常采用
压敏电阻实现过压保护。
压敏电阻是一种金属氧化物的非线性电阻,它具有正、
反两个方向相同但很陡的伏安特性。
正常工作时漏电流很小(微安级),故损耗小。当过压
时,可通过高达数千安的放电电流IY,因此抑制过压的能力强。此外,它对浪涌电压反应快,而且体积
小,是一种较好的过压保护器件。
它的主要缺点是持续平均功率很小,如正常工作电压
超过它的额定值,则在很短时间内就会烧毁。
� 图6-3 压敏电阻的伏安特性
� 由于压敏电阻的正、反向特性对称,因此单相电路只需
一个,三相电路用3个,联接成Y形或Δ形
� 图6-4 压敏电阻保护的接法
� 压敏电阻的主要参数:
① 额定电压U1mA 指漏电流为1mA时的电压值。
② 残压比UY/U1mA UY为放电电流达规定值IY时的
电压。
③ 允许的通流容量 指在规定的波形下(冲击电流
前沿10μs,持续时间20μs)允许通过的浪涌电
流。
� 压敏电阻选用方法:
① 额定电压为
(压敏电阻承受工作电压的峰值) (6-10)
② Uy值由被保护元件的耐压值决定。
③ 通流容量应大于实际的浪诵电流。但实际浪涌电流
很难计算,故一般当变压器容量大、距外线路近、无避
雷器时应尽可能取大值。压敏电阻在二极管整流设备上
可代替全部的阻容保护,在晶间管可控整流器上可代替
交流侧、直流侧的阻容保护。总的来说,压敏电阻只能
用作过压保护,不能作du/dt保护。
×≥ )9.0~8.0(mA1
εU
6.1.2 过流保护
1. 引起过引起过引起过引起过流的原因的原因的原因的原因
� 当电力电子变换器内部某一器件击穿或短路、触发电路
或控制电路发生故障、出现过载、直流侧短路、可逆传
动系统产生环流或逆变失败,以及交流电源电压过高或
过低、缺相等,均可引起变换器内元件的电流超过正常
工作电流,即出现过流。由于电力电子器件的电流过载
能力比一般电气设备差得多,因此,必须对变换器进行
适当的过流保护。变换器的过流一般主要分为两类:过
载过流和短路过流。
2. 过流流流流保护的方法
(1) 交流进线电抗器(图中的L),或采用漏抗大的整流变
压器,利用电抗限制短路电流。但正常工作时有较大
的交流压降。
(2) 电流检测装置(图中的B)。过流时发出信号,过流信
号一方面可以封锁触发电路,使变换器的故障电流迅
速下降至零,从而有效抑制了电流。另一方面控制过
电继电器,使交流接触器触点跳开,切断电源。但过
流继电器和交流接触器动作都需一定时间(100~
200ms)。故只有电流不大的情况这种保护才能奏效。
(3) 直流快速开关(图中的QDCF)。对于大、中容量变换
器,快速熔断器的价格高且更换不方便。为避免过流
时烧断快速熔断器,采用动作时间只2ms的直流快速开
关,它可先于快速熔断器动作而保护电力电子器件。
(4) 快速熔断器(图中的FUF)
� 快速熔断器是防止变换器过流损坏的最后一道防线。在
晶闸管变换器中,快速熔断器是应用最普遍的过流保护
措施,可用于交流侧、直流侧和装置主电路中。其中交
流侧接快速熔断器能对晶闸管元件短路及直流侧短路起
保护作用,但要求正常工作时,快速熔断器电流定额要
大于晶闸管的电流定额,这样对元件的短路故障所起的
保护作用较差。直流侧接快速熔断器只对负载短路起保
护作用,对元件无保护作用。只有晶闸管直接串接快速
熔断器才对元件的保护作用最好,因为它们流过同—个
电流.因而被广泛使用。
� 图6-6 快速熔断器在电路中的接法
� 与晶闸管串联的快速熔断器的选用原则:
① 快速熔断器的额定电压应大于线路正常工作电压有效值。
② 快速熔断器熔体的额定电流IKR是指电流有效值,晶闸管额定电流是指通态电流平均值。选用时要求
(6-11)
式中 IT(AV)—晶闸管通态电流平均值
IKR—快速熔断器的熔体额定电流
IT—流过晶闸管的电流有效值
③ 熔断器(安装熔体的外壳)的额定电流应大于或等于熔体额定
电流值。
� 值得指出的是,一般装置中多采用过流信号控制触发脉冲的
方法抑制过流,再配合采用快熔,使快熔作为过流保护的最
后措施。
TKRT(AV)57.1 III ≥≥
� 1. 电压上升率电压上升率电压上升率电压上升率du////dt的限制的限制的限制的限制
(1) 产生电压上升率du/dt的原因
� 由电网侵入的过电压。
� 由于电力电子器件换相时产生的du/dt
(2) 电压上升率du/dt的限制方法
� 阻容保护线路同串接的电感一起在出现电压突变时,能
起到限制电压上升率du/dt 的作用。
� 变换器交流侧如有整流变压器和阻容保护电路,则变压
器漏感和阻容电路同样能起到衰减侵入过电压,减小过
电压上升率的作用。
� 在无整流变压器的变换器中,则应在电源输入端串入交
流进线电感LT,配合阻容吸收装置对du/dt进行抑制。
2. 电流上升率电流上升率电流上升率电流上升率di////dt的限制的限制的限制的限制
变换器中产生过大的di/dt 的原因
� 电力电子器件从阻断到导通的电流增长过快。
� 交流侧电抗小或交、直流侧阻容吸收装置电容量太大,
当电力电子器件导通时,流过过大的附加电容的充、放
电电流。
� 与电力电子器件并联的缓冲保护电路在晶闸管开通时的
放电电流。
上述的电力电子器件桥臂串联的电感Lk和交流进线侧的串联进线电感LT(或整流变压器的漏感)都能同时起到限制di/dt的作用。在交流侧采用图6-2(d)所示的整流式阻
容保护,使电容放电电流不经过导通时的电力电子器
件,亦能减小管子开通时的电流上升率。
6.2.4 散热器
小 结
了解和掌握不同保护的工作原理和应用场
合;
保护电路在变换器中的位置和作用;
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