电力电子技术第6章

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1、第6章 电力电子技术应用中的 一些问题 http:/ 电子 发烧友 http:/ 电子 技术论坛主要内容：n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。n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。n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。 http:/ 电子 发烧友 http:/ 电子 技术论坛6.1 变换器的保护 http:/ 电子 发烧友 http:/ 电子 技术论坛6.1.1 过压保护 1. 引起过压的原因n操作过电压：由拉闸、合闸、快速直流开关

2、的切断等 经常性操作中的电磁过程引起的过压。n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。n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。n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。 http:/ 电子 发烧友 http:/ 电子 技术论坛2. 过压保护方法n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

3、复杂。 http:/ 电子 发烧友 http:/ 电子 技术论坛n图6-1 过压保护方法的原理图 http:/ 电子 发烧友 http:/ 电子 技术论坛(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

4、电阻上。 http:/ 电子 发烧友 http:/ 电子 技术论坛（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。 http:/ 电子 发烧友 http:/ 电子 技术论坛n图6-2 几种RC阻容保护电路的接法 http:/ 电子 发烧友 http:/ 电子 技术论坛n在单相变压器次级绕组

5、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VAU2变比器二次侧相电压有效值，单位为Vio变压器励磁电流百分值，101000KVA的 变压器其值为410uk变压器的短路电压百分值，101000KVA的变压器其值为510 http:/ 电子 发烧友 http:/ 电子 技术论坛n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)

6、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。 http:/ 电子 发烧友 http:/ 电子 技术论坛n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、联接变换，求得联接时相应的阻容值，即(6-5)(6-6) n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

7、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。 http:/ 电子 发烧友 http:/ 电子 技术论坛如图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UC1.6Ud，电阻功率是(6-9) http:/ 电子 发烧友 http:/ 电子 技术论坛(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

8、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。 http:/ 电子 发烧友 http:/ 电子 技术论坛n图6-3 压敏电阻的伏安特性 http:/ 电子 发烧友 http:/ 电子 技术论坛n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

9、Y形或形 n图6-4 压敏电阻保护的接法 http:/ 电子 发烧友 http:/ 电子 技术论坛n压敏电阻的主要参数： 额定电压U1mA 指漏电流为1mA时的电压值。 残压比UYU1mA UY为放电电流达规定值IY时 的电压。 允许的通流容量 指在规定的波形下(冲击电 流前沿10s，持续时间20s)允许通过的浪涌 电流。 http:/ 电子 发烧友 http:/ 电子 技术论坛http:/ 电子 发烧友 http:/ 电子 技术论坛n压敏电阻选用方法： 额定电压为(压敏电阻承受工作电压的峰值) (6- 10) Uy值由被保护元件的耐压值决定。 通流容量应大于实际的浪诵电流。但实际浪涌电流 很

10、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。 http:/ 电子 发烧友 http:/ 电子 技术论坛6.1.2 过流保护1. 引起过流的原因n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

11、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。 http:/ 电子 发烧友 http:/ 电子 技术论坛2. 过流保护的方法 http:/ 电子 发烧友 http:/ 电子 技术论坛http:/ 电子 发烧友 http:/ 电子 技术论坛(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，

12、切断电 源。但过流继电器和交流接触器动作都需一定时间 (100200ms)。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。 http:/ 电子 发烧友 http:/ 电子 技术论坛(4) 快速熔断器(图中的FUF)n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

13、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。 http:/ 电子 发烧友 http:/ 电子 技术论坛n图6-6 快速熔断器在电路中的接法 http:/ 电子 发烧友 http:/ 电子 技术论坛n与晶闸管串联的快速熔断器的选用原则： 快速熔断器的额定电压应大于线路正常工作电压有效值。 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 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。q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，