1、第6章 電力電子技術(shù)應(yīng)用中的一些問(wèn)題,1,主要內(nèi)容： 變換器的保護(hù)電路，保護(hù)電路包括過(guò)壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)和電壓上升率、電流上升率的限制。 電力電子器件散熱器的設(shè)計(jì)，散熱器的熱傳導(dǎo)原理和選擇散熱器的方法。 負(fù)載諧振變換器、諧振式開(kāi)關(guān)變換器、諧振式直流耦合變換器、高頻耦合半周合成變換器。零電壓/零電流諧振變換器的工作原理。,2,6.1 變換器的保護(hù),3,6.1.1 過(guò)壓保護(hù),1. 引起過(guò)壓的原因 操作過(guò)電壓：由拉閘、合閘、快速直流開(kāi)關(guān)的切斷等經(jīng)常性操作中的電磁過(guò)程引起的過(guò)壓。 浪涌過(guò)壓：由雷擊等偶然原因引起，從電網(wǎng)進(jìn)入變換器的過(guò)壓。 電力電子器件關(guān)斷過(guò)電壓：電力電子器件關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的過(guò)壓。 在電力電子

2、變換器-電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，由于電動(dòng)機(jī)回饋制動(dòng)造成直流側(cè)直流電壓過(guò)高產(chǎn)生的過(guò)壓。也稱為泵升電壓。,4,2. 過(guò)壓保護(hù)方法 過(guò)壓保護(hù)的基本原則是：根據(jù)電路中過(guò)壓產(chǎn)生的不同部位，加入不同的附加電路，當(dāng)達(dá)到定過(guò)壓值時(shí)，自動(dòng)開(kāi)通附加電路，使過(guò)壓通過(guò)附加電路形成通路，消耗過(guò)壓儲(chǔ)存的電磁能量，從而使過(guò)壓的能量不會(huì)加到主開(kāi)關(guān)器件上，保護(hù)了電力電子器件。保護(hù)電路形式很多，也很復(fù)雜。,5,圖6-1 過(guò)壓保護(hù)方法的原理圖,6,(1) 雷擊過(guò)壓可在變壓器初級(jí)接避雷器加以保護(hù)。 (2) 二次電壓很高或電壓比很大的變壓器，一次側(cè)合閘時(shí)，由于一次、二次繞組間存在分布電容，高電壓可通過(guò)分布電容耦合到二次側(cè)而出現(xiàn)瞬時(shí)過(guò)壓。可采

3、取變壓器附加屏蔽層接地或變壓器星形中點(diǎn)通過(guò)電容接地的方法來(lái)減小。 (3) 泵升電壓保護(hù)當(dāng)電動(dòng)機(jī)回饋制動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能回饋到直流側(cè)，引起直流側(cè)電壓升高，當(dāng)電壓升高到一定值時(shí)，會(huì)造成變換器的過(guò)電壓。通常采用開(kāi)關(guān)電路將能量消耗在電阻上。,7,（4）阻容保護(hù)電路 將電容并聯(lián)在回路中，當(dāng)電路中出現(xiàn)電壓尖峰電壓時(shí)，電容兩端電壓不能突變的特性，可以有效地抑制電路中的過(guò)壓。 與電容串聯(lián)的電阻能消耗掉部分過(guò)壓能量，同時(shí)抑制電路中的電感與電容產(chǎn)生振蕩。 RC阻容保護(hù)電路可以設(shè)置在變換器裝置的交流側(cè)、直流側(cè)。也可將RC保護(hù)電路直接并在主電路的元件上，有效地抑制元件關(guān)斷時(shí)的關(guān)斷過(guò)壓，其接法如圖6-2所示。

4、,8,圖6-2 幾種RC阻容保護(hù)電路的接法,9,在單相變壓器次級(jí)繞組邊加入的并聯(lián)阻容保護(hù)電路如圖6-2(a)所示，其R、C的計(jì)算公式為 (6-1) (6-2) 式中 S變壓器每相平均計(jì)算容量，單位為VA U2變比器二次側(cè)相電壓有效值，單位為V io變壓器勵(lì)磁電流百分值，101000KVA的變壓器其值為410 uk變壓器的短路電壓百分值，101000KVA的變壓器其值為510,10,電容C的交流耐壓1.5UC，UC為正常工作時(shí)阻容兩端交流電壓有效值。電阻R的功率PR的計(jì)算可根據(jù)以下經(jīng)驗(yàn)公式估算： (6-3) (6-4) 式中 UC正常工作時(shí)阻容兩端交流電壓有效值 IC正常工作時(shí)阻容兩端交流電流有

5、效值 對(duì)圖6-2(b)所示的三相電路，變壓器二次繞組和阻容保護(hù)電路均采用Y形聯(lián)接的方法，它的R、C計(jì)算公式可直接引用單相時(shí)的計(jì)算式。,11,圖6-2(c)所示的三相電路、變壓器二次側(cè)為Y聯(lián)結(jié)，而阻容保護(hù)電路為形聯(lián)接。對(duì)此，可首先按式(6-l)和式(6-2)計(jì)算出Y形聯(lián)接時(shí)的阻容值R、C ，然后進(jìn)行Y、聯(lián)接變換，求得聯(lián)接時(shí)相應(yīng)的阻容值，即 (6-5) (6-6) 對(duì)于大容量的變換器，三相阻容保護(hù)裝置可采用圖6-2(d)所示的三相整流式阻容保護(hù)電路。雖然多用了一個(gè)三相整流橋，但只需一個(gè)電容，而且由于只承受直流電壓，故可采用體積小、容量大的電解電容。再者還可以避免變換器中的電力電子器件導(dǎo)通瞬間因保護(hù)

6、電路的電容放電電流所引起的過(guò)大的di/dt。RC的作用是吸收電容上的過(guò)電壓能量。,12,如圖6-2(e)所示，阻容保護(hù)接在交流裝置的直流側(cè)，可以抑制因熔斷器或直流快速開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)造成的直流側(cè)過(guò)壓，其阻容值可按以下經(jīng)驗(yàn)公式估算 (6-7) (6-8) 式中 k=1.5，Ud是直流端電壓。 電容器耐壓UC1.6Ud， 電阻功率是 (6-9),13,(5) 非線性電阻保護(hù)。 非線性電阻具有近似穩(wěn)壓管的伏安特性，可把浪涌電壓限制在電力電子器件允許的電壓范圍。現(xiàn)在常采用壓敏電阻實(shí)現(xiàn)過(guò)壓保護(hù)。 壓敏電阻是一種金屬氧化物的非線性電阻，它具有正、反兩個(gè)方向相同但很陡的伏安特性。 正常工作時(shí)漏電流很小(微安級(jí))，

7、故損耗小。當(dāng)過(guò)壓時(shí)，可通過(guò)高達(dá)數(shù)千安的放電電流IY，因此抑制過(guò)壓的能力強(qiáng)。此外，它對(duì)浪涌電壓反應(yīng)快，而且體積小，是一種較好的過(guò)壓保護(hù)器件。 它的主要缺點(diǎn)是持續(xù)平均功率很小，如正常工作電壓超過(guò)它的額定值，則在很短時(shí)間內(nèi)就會(huì)燒毀。,14,圖6-3 壓敏電阻的伏安特性,15,由于壓敏電阻的正、反向特性對(duì)稱，因此單相電路只需一個(gè)，三相電路用3個(gè)，聯(lián)接成Y形或形 圖6-4 壓敏電阻保護(hù)的接法,16,壓敏電阻的主要參數(shù)： 額定電壓U1mA 指漏電流為1mA時(shí)的電壓值。 殘壓比UYU1mA UY為放電電流達(dá)規(guī)定值IY時(shí)的電壓。 允許的通流容量 指在規(guī)定的波形下(沖擊電流前沿10s，持續(xù)時(shí)間20s)允許通過(guò)的

8、浪涌電流。,17,18,壓敏電阻選用方法： 額定電壓為 (壓敏電阻承受工作電壓的峰值) (6-10) Uy值由被保護(hù)元件的耐壓值決定。 通流容量應(yīng)大于實(shí)際的浪誦電流。但實(shí)際浪涌電流很難計(jì)算，故一般當(dāng)變壓器容量大、距外線路近、無(wú)避雷器時(shí)應(yīng)盡可能取大值。壓敏電阻在二極管整流設(shè)備上可代替全部的阻容保護(hù)，在晶間管可控整流器上可代替交流側(cè)、直流側(cè)的阻容保護(hù)。總的來(lái)說(shuō)，壓敏電阻只能用作過(guò)壓保護(hù)，不能作du/dt保護(hù)。,19,6.1.2 過(guò)流保護(hù),1. 引起過(guò)流的原因 當(dāng)電力電子變換器內(nèi)部某一器件擊穿或短路、觸發(fā)電路或控制電路發(fā)生故障、出現(xiàn)過(guò)載、直流側(cè)短路、可逆?zhèn)鲃?dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生環(huán)流或逆變失敗，以及交流電源電壓過(guò)

9、高或過(guò)低、缺相等，均可引起變換器內(nèi)元件的電流超過(guò)正常工作電流，即出現(xiàn)過(guò)流。由于電力電子器件的電流過(guò)載能力比一般電氣設(shè)備差得多，因此，必須對(duì)變換器進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪^(guò)流保護(hù)。變換器的過(guò)流一般主要分為兩類：過(guò)載過(guò)流和短路過(guò)流。,20,2. 過(guò)流保護(hù)的方法,21,22,(1) 交流進(jìn)線電抗器(圖中的L)，或采用漏抗大的整流變壓器，利用電抗限制短路電流。但正常工作時(shí)有較大的交流壓降。 (2) 電流檢測(cè)裝置(圖中的B)。過(guò)流時(shí)發(fā)出信號(hào)，過(guò)流信號(hào)一方面可以封鎖觸發(fā)電路，使變換器的故障電流迅速下降至零，從而有效抑制了電流。另一方面控制過(guò)電繼電器，使交流接觸器觸點(diǎn)跳開(kāi)，切斷電源。但過(guò)流繼電器和交流接觸器動(dòng)作都需一定時(shí)

10、間(100200ms)。故只有電流不大的情況這種保護(hù)才能奏效。 (3) 直流快速開(kāi)關(guān)(圖中的QDCF)。對(duì)于大、中容量變換器，快速熔斷器的價(jià)格高且更換不方便。為避免過(guò)流時(shí)燒斷快速熔斷器，采用動(dòng)作時(shí)間只2ms的直流快速開(kāi)關(guān)，它可先于快速熔斷器動(dòng)作而保護(hù)電力電子器件。,23,(4) 快速熔斷器(圖中的FUF) 快速熔斷器是防止變換器過(guò)流損壞的最后一道防線。在晶閘管變換器中，快速熔斷器是應(yīng)用最普遍的過(guò)流保護(hù)措施，可用于交流側(cè)、直流側(cè)和裝置主電路中。其中交流側(cè)接快速熔斷器能對(duì)晶閘管元件短路及直流側(cè)短路起保護(hù)作用，但要求正常工作時(shí)，快速熔斷器電流定額要大于晶閘管的電流定額，這樣對(duì)元件的短路故障所起的保護(hù)

11、作用較差。直流側(cè)接快速熔斷器只對(duì)負(fù)載短路起保護(hù)作用，對(duì)元件無(wú)保護(hù)作用。只有晶閘管直接串接快速熔斷器才對(duì)元件的保護(hù)作用最好，因?yàn)樗鼈兞鬟^(guò)同個(gè)電流因而被廣泛使用。,24,圖6-6 快速熔斷器在電路中的接法,25,與晶閘管串聯(lián)的快速熔斷器的選用原則： 快速熔斷器的額定電壓應(yīng)大于線路正常工作電壓有效值。 快速熔斷器熔體的額定電流IKR是指電流有效值，晶閘管額定電流是指通態(tài)電流平均值。選用時(shí)要求 (6-11) 式中 IT(AV)晶閘管通態(tài)電流平均值 IKR快速熔斷器的熔體額定電流 IT流過(guò)晶閘管的電流有效值 熔斷器(安裝熔體的外殼)的額定電流應(yīng)大于或等于熔體額定電流值。 值得指出的是，一般裝置中多采用過(guò)

12、流信號(hào)控制觸發(fā)脈沖的方法抑制過(guò)流，再配合采用快熔，使快熔作為過(guò)流保護(hù)的最后措施。,26,1. 電壓上升率dudt的限制 (1) 產(chǎn)生電壓上升率dudt的原因 由電網(wǎng)侵入的過(guò)電壓。 由于電力電子器件換相時(shí)產(chǎn)生的dudt (2) 電壓上升率dudt的限制方法 阻容保護(hù)線路同串接的電感一起在出現(xiàn)電壓突變時(shí)，能起到限制電壓上升率du/dt 的作用。 變換器交流側(cè)如有整流變壓器和阻容保護(hù)電路，則變壓器漏感和阻容電路同樣能起到衰減侵入過(guò)電壓，減小過(guò)電壓上升率的作用。 在無(wú)整流變壓器的變換器中，則應(yīng)在電源輸入端串入交流進(jìn)線電感LT，配合阻容吸收裝置對(duì)du/dt進(jìn)行抑制。,27,2. 電流上升率didt的限制 變換器中產(chǎn)生過(guò)大的didt 的原因 電力電子器件從阻斷到導(dǎo)通的電流增長(zhǎng)過(guò)快。 交流側(cè)電抗小或交、直流側(cè)阻容吸收裝置電容量太大，當(dāng)電力電子器件導(dǎo)通時(shí)，流過(guò)過(guò)大的附加電容的充、放電電流。 與電力電子器件并聯(lián)的緩沖保護(hù)電路在晶