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。

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