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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(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。 Date2. 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 很复杂。 图6-1 过压保护方法的原理图 Date(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。 Date图6-2 几种RC阻容保护电路的接法Daten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 Daten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。 Daten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。 Date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) Date(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。 Date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形或形。如图6-4 所示图6-4 压敏电阻保护的接法 Daten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。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 。 Date6.1.2 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。n2. 过流保护的方法 Date(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。 Date(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Daten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,使快熔作为过流保护的最 后措施。 Daten1. 电压上升率dudt的限制(1) 产生电压上升率dudt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dudt(2) 电压上升率dudt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。6.1.3 电压上升率、电流上升率的限制Date2. 电流上升率didt的限制变换器中产生过大的didt 的原因n电力电子器件从阻断到导通的电流增长过快。n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。n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。 Date6.2.4 散热器 Date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;Date
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