电力电子技术应用课程课件

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。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。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。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VAU2—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

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。

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。

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)

(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)②Uy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。

6.1.2过流保护1.引起过流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.过流保护的方概法(1)直交流进线宴电抗器(龙图中的L)，或采举用漏抗大接的整流变半压器，利赖用电抗限脱制短路电解流。但正奔常工作时梢有较大的套交流压降贵。(2)还电流检测包装置(图瞧中的B)奋。过流时论发出信号骑，过流信痒号一方面孙可以封锁厦触发电路谈，使变换项器的故障拣电流迅速征下降至零厌，从而有代效抑制了假电流。另萌一方面控否制过电继坏电器，使久交流接触棍器触点跳无开，切断史电源。但辨过流继电葬器和交流临接触器动鞠作都需一望定时间(蹦100～晌200m站s)。故邀只有电流理不大的情土况这种保味护才能奏质效。(3)络直流罩快速开唉关(图区中的QDCF)。对于举大、中容某量变换器沙，快速熔金断器的价辆格高且更侧换不方便度。为避免附过流时烧墙断快速熔府断器，采葱用动作时攻间只2m皮s的直流晒快速开关延，它可先豆于快速熔字断器动作敌而保护电这力电子器脊件。(4)亿快速紫熔断器绒(图中抵的FUF)快速熔歉断器是午防止变桂换器过伴流损坏城的最后割一道防酷线。在福晶闸管谱变换器叙中，快每速熔断焰器是应盒用最普勉遍的过港流保护读措施，托可用于做交流侧泪、直流闯侧和装逐置主电埋路中。摔其中交净流侧接彼快速熔腐断器能丙对晶闸玩管元件警短路及俩直流侧洽短路起蛙保护作豆用，但谢要求正跪常工作骗时，快侦速熔断恳器电流遇定额要昌大于晶节闸管的店电流定奏额，这友样对元拘件的短廉路故障捐所起的葬保护作盒用较差肯。直流争侧接快忍速熔断孕器只对每负载短脸路起保购护作用巩，对元州件无保锯护作用叙。只有提晶闸管贿直接串嘉接快速挖熔断器劈燕才对元栋件的保监护作用嗓最好，狼因为它激们流过究同—个巷电流．酸因而被乌广泛使加用。图6-6重快速熔策断器在电归路中的接泳法与晶闸级管串联鬼的快速汽熔断器狠的选用奴原则：①快恳速熔断朝器的额删定电压剃应大于枝线路正怜常工作趟电压有解效值。②快速瓣熔断器熔集体的额定共电流IKR是指电流淹有效值，喘晶闸管额葬定电流是丹指通态电栏流平均值学。选用时米要求(6-1恳1)式中IT(AV露)—晶闸狼管通态牧电流平框均值IKR—快速熔巧断器的熔顿体额定电恳流IT—流过晶侦闸管的电美流有效值③熔犹断器(轰安装熔四体的外哈壳)的厚额定电月流应大肢于或等袜于熔体贫额定电愈流值。值得指出剪的是，一抚般装置中鞋多采用过赔流信号控廉制触发脉娇冲的方法灾抑制过流木，再配合坝采用快熔葬，使快熔涂作为过流坦保护的最恒后措施。1.电压上升歼率du／dt的限制(1)产生电谷压上升越率du／dt的原因由电网钳侵入的昂过电压圾。由于电力抢电子器件妙换相时产润生的du／dt(2)隔电压朴上升率萄du／dt的限制逝方法阻容保护喝线路同串攻接的电感范一起在出气现电压突决变时，能兰起到限制榴电压上升带率du/dt的作用。变换器交响流侧如有会整流变压跳器和阻容茫保护电路恒，则变压锯器漏感和姐阻容电路仿同样能起插到衰减侵朝入过电压兴，减小过醉电压上升铺率的作用黎。在无整流箩变压器的蜜变换器中处，则应在磁电源输入占端串入交信流进线电脚感LT，配合阻宅容吸收装采置对du/dt进行抑垦制。2.电流上升菊率di／dt的限制变换器中谦产生过大叔的di／dt的原因电力电扒子器件躁从阻断次到导通卵的电流出增长过探快。交流侧电筐抗小或交卸、直流侧印阻容吸收笔装置电容杨量太大，烤当电力电闪子器件导破通时，流姿过过大的林附加电容兆的充、放言电电流。与电力电调子器件并针联的缓冲胖保护电路兄在晶闸管悟开通时的路放电电流长。上述的悟电力电氧子器件砖桥臂串垃联的电兰感Lk和交流芽进线侧名的串联燃进