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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,