电力电子设备的保护.doc

电力电子设备的保护西北工业大学伺服系统技术研发中心 2010年6月 目录第一章 保护设计的原则11.保护可靠12.抗扰力强13.级别清楚24.定位准确35.诊断及时3第二章 主电路常规保护与连锁41输人保护42.输出保护43.联锁5第三章 控制电路保护与综合61.保护信号锁存与阀值回环控制62.自复位与自启动保护信号的锁存63保护信号综合74.上电、下电时序9第四章 设备智能监测与保护91监控系统功能102单元监控113设备监控124.系统监控13第一章 保护设计的原则设备保护系统设计时，应针对器件、电路、系统各自不同的特点，按照“保护可靠、级别清楚、杭扰力强、定位准确、诊断及时”的原则进行。 1.保护可靠当设备发生故障时，保护电路能可靠工作，确保开关器件不烧毁，相关器件及设备不如坏。如果出现器件损坏的情况，应有措施使故障范围能受到限制。不被扩大。前述所有措施及方法均围绕此条进行。2.抗扰力强设备工作时，会受到来自内外部的各种干扰影响，尤其是内部开关器件的开关动作会产生较大的di/dt和du/dt，干扰设备内部电路包括保护电路的正常工作。如果设备的保护电路一有风吹草动，即发生动作，使设备停机，则设备的正常运行根本无法保证。对于作为电源的电力电子设备，停机本身就是故障。因此，工程设计中，必须解决保护的快速性与保护电路抗干扰之间的矛盾，通常应考虑采取以下措施: 1)分清保护级别，采用不同方法，见下条2)检测电路设置滤波或延时、对于需快速动作的电路，也应在能可靠保护的时间限度内设置延时;3)对于带锁存的保护电路。应根据设备情况，尽量设置自复位或控制脉冲前沿复位功能;4)设置输人电源瞬时停电再起动和软故障自恢复等功能。 对于冲击性负载，例如电动机起动或整流型负载上电应尽量设计有限制冲击电流功能，便设备不因负载起动而发生过电流或过载保护:即使发生过电流保护，如非经常性重复性故障，也应通过自复位功能避免出现设备停机。 3.级别清楚设备的保护一般分为三种级别。1)故障出现时，迅速动作，例如开关器件的过电流、过电压保护;2）故障出现时，延时数秒后再动作，例如过热、过载以及设备的常规保护;3)设备进人非正常工作区或工况异常，但暂时还不会危及设备本身和人身安全，采取声光方式报警。设计时应根据电力电子器件特点。设备运行工况确定保护级别，不能不分情况，全部设计成故障时立即动作，造成“草木皆兵”的结果。4.定位准确故障发生，保护动作后，应有诊断定位措施，指示出故障类型及发生位置，便于快速维护及进一步分析故障原因，提高可维修性和设备运行水平。5.诊断及时应对设备各部分、各组件进行自检，在运行过程中实时进行状态监测、诊断，对故障进行预测、预报，将其消灭在萌芽状态。通常，开关器件的过电流、过电压保护采用硬件电路完成;设备的常规保护，保护信号综合，故障定位则既可通过硬件，也可通过微处理器用软件完成;而设备的诊断则通过微处理器和计算机用软件完成。 第二章 主电路常规保护与连锁电力电子设备保护以器件为核心。除前述针对器件的过电流、过电压等保护外，针对设备的常规保护也不可缺少。常用的保护措施如下:1输人保护1）过电压电网电压持续波动，发生危及设备的过电压，应将设备与输人电源断开。2)欠电压电网电压持续波动，发生超出正常工作范围的欠电压，应停止设备工作。3)缺相或相序错对于相控整流设备，将无法正常工作;对于不相输人的其他设备，将使另两相负担加重或设备性能变差，应停止设备工作或报警。2.输出保护1)过载当负载电流超过设备额定电流时，自有过载保护。过载保护阀值按设备工作制等级不同而不同，但通常有以下两种保护方法:反时限保护过载值越大，允许工作时间越短，电力电子设备最大允许过载值一般为2倍;越限超过允许时间，设备停止工作。可采用电器保护或电子保护完成。截流保护:当负载电流超过额定或允许值后，控制电路由电压闭环转为电流闭环，使输出电流维持在截流点不变。2)过电压输出电压超过允许范围，将危及负载设备的安全工作，应予以限制或将输出与负载断开。 3)断相或相序错对于输出为交流的设备，如果断相或相序错，负载将无法正常二二作，甚至引发负载事故，此时，应停止设备工作或将输出与负载断开。3.联锁电力电子设备的各种不同操作同时进行(如正、反相切换，不同电路的切换等)、或者白于各种辅助措施(如润滑、冷却、通风等)工作不正常而可能对人身或设备产生危害时，必须对这些操作设置必要的联锁。尤其是对于频繁起、制动和正反向转换的电路，如果用接触器进行操作时，则除了必须在电路上互相联锁以外，还必须在换相接触器上加装可靠的机械联锁，保证即使在电气联锁失效的情况下也不致造成短路。第三章 控制电路保护与综合1.保护信号锁存与阀值回环控制当设备发生故障时，故障点对应的保护电路动作，使该部分电路或开关器件工作停止，故障消失后，被保护部分重新工作，此时，如果故障源尚未消除，或工作点在阀值附近。则可能出现重新工作后，故障复现，出现振荡的情况，对设备尤其是电力电子器件工作极为不利。因此，通常对保护信号进行锁存，把故障脉冲转变为电平，故障状态被保留;或引入正反馈，将故障阀值进行回环控制，避免振荡现象的出现。2.自复位与自启动保护信号的锁存虽然避免了故障保护期间出现故障-保护-故障的振荡现象，但因为锁存电路的存在，使得保护电路抗干扰能力有所降低，如因干扰或其他软故障出现保护，设备将保持停机状态。无法恢复工作。因此应在信号处理电路中设置自复位与自启动功能。图1示出了具有故障保持和自复位功能的IGBT驱动电路原理图。图中,当1GST出现短路故障时，电流经电流互感器TA,二极管VD，在电阻Rs上产生的压降送至比较器同向端，便比较器翻转输出高电平，V导通，使VF1关断、VF2导通，关断IGBT ;同时R2的正反馈作用使比较器输出保持高电平，故障状态被保持。当驱动信号由高电平变为低电平，比较器同向端电位下降，输出翻转为低电平，V关断，使VF1导通、VF2关断，过电流保护电路复位，为下一开关周期正常运行和过电流保护作好准备。该电路既可实现逐脉冲限流，又具有极高的抗干扰能力，具有较高的可靠性。图1具有故障保持和自复位功能的IGBT驱动电路原理图3保护信号综合由于设备保护类型和保护点众多，因此必须对各点保护信号进行综合，确认发生故障，再发出设备停机命令。图2所示为某型号三相逆变电源故障信号综合电路原理图，单相逆变器的5种保护信号，过电流(OC）、欠电压(IC） ,过热(OH)、过电压( OU)、过载( OLJ经过与门综合成单相故障信号E_A（E_B, EC)。该信号与集中监控送来的封锁信号(LOCK)一起形成驱动封锁信号( LUCKI ) ,传送给驱动电路，两者之一起作用，封锁信号即有效。同时，E-A被送至监控电路，.与另两相故障信号E-B , E-C综合成电源故障信号，再与停机封锁信号( STEP)一起形成监控封锁信号，去封锁3套单相控制电路。因此，运行过程中。一相发生故障，三相全部停机。图2三相逆变电源故障信号综合电路原理图4.上电、下电时序前述保护电路与控制逻辑均是建立在设备正常工作，电源正常供电的稳态条件下，但在设备上、下电过程中，由于供电电源处于动态过程，控制与保护电路逻辑可能不确定，而大型设备可能具备的多组电源，其电压建立时间也不尽相同。因此，上下电期间如何使保护电路和控制逻辑处于确定状态，保证开关器件不发生误导通或直通故障，对于设备安全工作极为重要。应用中经常出现设备上、下电时烧毁器件的情况，就是因为此类电路设计欠周到。经常采取的措施有:1)上电期间，保持开关器件控制信号、设备开机信号均处于关闭状态;2)上、下电期间，保护封锁信号有效;3)设置输人电源失电压保护电路，使下电时，该电路起作用，保证开关器件在关断状态下电;4)合理设计上、下电逻辑，对于具备多组辅助电源的设备，应先使驱动、保护电源上电，再使控制电源上电，最后使主回路上电。第四章 设备智能监测与保护对于大型成套电力电子设备，往往采用模块化、分布式结构，系统由若干功率单元、功能组件组成每一组功率单元及组件均设置若干种.不同点故障监测与保护。整套系统的监测与保护任务异常繁重，必须通过计算机使其与设备智能监控结合，建立智能化的集中监测、保护与控制系统。1监控系统功能电力电子设备监控系统主要应具备以下功能:1)对设备的运行参数(模拟量)和运行状态(开关量)进行检测和记录;2)对设备的故障进行在线检测与诊断，运行前自检，运行中预报;3）发生故障时，可对设备进行控制，根据故障类型改变运行状态或停止设备工作;4)具有故障记忆功能。可记录故障状态、故降时间、故障前后数据，以便分析故障原因5)具有多种数据显示和处理功能，人机界面良好6）具有计算机通信接日，可进行远程通信，便于组成监控网络。2单元监控位于设备的功率单元、功能组件中，例如整流单元、逆变单元、开关电源模块等。完成功率变换单元中开关器件的故障检测与保护，其他电气组件与单元本身的常规故障检测与保护，检测信号的处理、综合与记忆等功能。通常，开关器件的故障检测与保护由硬件电路完成，而其余功能既可由硬件电路也可由微处理器完成。带微处理器的智能功率单元同时还带有通信接口，便于与上位机通信。图3示出了直流开关电源模块监控的结构图。图3直流开关电源模块监控结构图3设备监控对于由若干模块和功能单元组成的设备，例如高频直流开关电源系统，通常设置独立的设备监控单元，该单元除可通过串行总线通信完成组成设备的模块和功能组件监控外，还可完成设备输人抢出配电检测，输人输出故障检测与报普。熔断器故障检测与报警。图4所示为武汉洲际通信电源有限公司生产的DUM34ll1系列智能高频组合开关电源设备监控原理框图。监控单元本身为独立组件，具有监控、报警、显示、信息传递等功能，它可以在设备运行中去掉或带电更换，设备正常运行不受影响;也可以通过串行接口与计算机通信，构成本地智能监控系统。图4 DUM34系列智能高频组合开关电源设备监控原理框图4.系统监控 对于由若干设备组成的系统，应以设备监控单元为基础，对设备