第七章 电力电子技术应用中的一些问题

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；