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的交流耐耐压≥1.5UC，UC为正常工工作时阻阻容两端端交流电电压有效效值。电电阻R的功率PR的计算可根据据以下经验公公式估算：(6-3)(6-4)式中UC—正常工作时阻阻容两端交流流电压有效值值IC—正常工作时阻阻容两端交流流电流有效值值对图6-2(b)所示的三相电电路，变压器器二次绕组和和阻容保护电电路均采用Y形联接的方法法，它的R、C计算公式可直直接引用单相相时的计算式式。图6-2(c)所示的三相电电路、变压器器二次侧为Y联结，而阻容容保护电路为为Δ形联接。对此此，可首先按按式(6-l)和式(6-2)计算出Y形联接时的阻阻容值R、C，然后进行Y、Δ联接变换，求求得Δ联接时相应的的阻容值，即即(6-5)(6-6)对于大容量的的变换器，三三相阻容保护护装置可采用用图6-2(d)所示的三相相整流式阻阻容保护电电路。虽然然多用了一一个三相整整流桥，但但只需一个个电容，而而且由于只只承受直流流电压，故故可采用体体积小、容容量大的电电解电容。。再者还可可以避免变变换器中的的电力电子子器件导通通瞬间因保保护电路的的电容放电电电流所引引起的过大大的di/dt。RC的作用是吸吸收电容上上的过电压压能量。如图6-2(e)所示，阻容容保护接在在交流装置置的直流侧侧，可以抑抑制因熔断断器或直流流快速开关关断开时造造成的直流流侧过压，，其阻容值值可按以下下经验公式式估算(6-7)(6-8)式中k=1.5，Ud是直流端电压压。电容器耐压压UC>1.6Ud，电阻功率是是(6-9)(5)非线性电阻阻保护。非线性电阻阻具有近似似稳压管的的伏安特性性，可把浪浪涌电压限限制在电力力电子器件件允许的电电压范围。。现在常采采用压敏电电阻实现过过压保护。。压敏电阻是是一种金属属氧化物的的非线性电电阻，它具具有正、反反两个方向向相同但很很陡的伏安安特性。正常工作时时漏电流很很小(微安级)，故损耗小小。当过压压时，可通通过高达数数千安的放放电电流IY，因此抑制过过压的能力力强。此外外，它对浪浪涌电压反反应快，而而且体积小小，是一种种较好的过过压保护器器件。它的主要缺缺点是持续续平均功率率很小，如如正常工作作电压超过过它的额定定值，则在在很短时间间内就会烧烧毁。图6-3压敏电阻的的伏安特性性由于于压压敏敏电电阻阻的的正正、、反反向向特特性性对对称称，，因因此此单单相相电电路路只只需需一一个个，，三三相相电电路路用用3个，，联联接接成成Y形或或Δ形图6-4压敏敏电电阻阻保保护护的的接接法法压敏敏电电阻阻的的主主要要参参数数：：①额额定定电电压压U1mA指漏漏电电流流为为1mA时的的电电压压值值。。②残残压压比比UY／U1mAUY为放电电电流流达规规定值值IY时的电电压。。③允允许的的通流流容量量指指在在规定定的波波形下下(冲击电电流前前沿10μs，持续时时间20μs)允许通通过的的浪涌涌电流流。压敏电电阻选选用方方法：：①额额定电电压为为(压敏电电阻承承受工工作电电压的的峰值值)(6-10)②Uy值由被被保护护元件件的耐耐压值值决定定。③通通流容容量应应大于于实际际的浪浪诵电电流。。但实实际浪浪涌电电流很很难计计算，，故一一般当当变压压器容容量大大、距距外线线路近近、无无避雷雷器时时应尽尽可能能取大大值。。压敏敏电阻阻在二二极管管整流流设备备上可可代替替全部部的阻阻容保保护，，在晶晶间管管可控控整流流器上上可代代替交交流侧侧、直直流侧侧的阻阻容保保护。。总的的来说说，压压敏电电阻只只能用用作过过压保保护，，不能能作du/dt保护。。6.1.2过流保保护1.引起过过流的原因因当电力力电子子变换换器内内部某某一器器件击击穿或或短路路、触触发电电路或或控制制电路路发生生故障障、出出现过过载、、直流流侧短短路、、可逆逆传动动系统统产生生环流流或逆逆变失失败，，以及及交流流电源源电压压过高高或过过低、、缺相相等，，均可可引起起变换换器内内元件件的电电流超超过正正常工工作电电流，，即出出现过过流。。由于于电力力电子子器件件的电电流过过载能能力比比一般般电气气设备备差得得多，，因此此，必必须对对变换换器进进行适适当的的过流流保护护。变变换器器的过过流一一般主主要分分为两两类：：过载载过流流和短短路过过流。。2.过流保护的的方法法(1)交流进线线电抗器器(图中的L)，或采用漏漏抗大的的整流变变压器，，利用电电抗限制制短路电电流。但但正常工工作时有有较大的的交流压压降。(2)电流检测测装置(图中的B)。过流时发发出信号号，过流流信号一一方面可可以封锁锁触发电电路，使使变换器器的故障障电流迅迅速下降降至零，，从而有有效抑制制了电流流。另一一方面控控制过电电继电器器，使交交流接触触器触点点跳开，，切断电电源。但但过流继继电器和和交流接接触器动动作都需需一定时时间(100～200ms)。故只有电电流不大大的情况况这种保保护才能能奏效。。(3)直流快速速开关(图中的QDCF)。对于大、、中容量量变换器器，快速速熔断器器的价格格高且更更换不方方便。为为避免过过流时烧烧断快速速熔断器器，采用用动作时时间只2ms的直流快快速开关关，它可可先于快快速熔断断器动作作而保护护电力电电子器件件。(4)快速熔断断器(图中的FUF)快速熔断断器是防防止变换换器过流流损坏的的最后一一道防线线。在晶晶闸管变变换器中中，快速速熔断器器是应用用最普遍遍的过流流保护措措施，可可用于交交流侧、、直流侧侧和装置置主电路路中。其其中交流流侧接快快速熔断断器能对对晶闸管管元件短短路及直直流侧短短路起保保护作用用，但要要求正常常工作时时，快速速熔断器器电流定定额要大大于晶闸闸管的电电流定额额，这样样对元件件的短路路故障所所起的保保护作用用较差。。直流侧侧接快速速熔断器器只对负负载短路路起保护护作用，，对元件件无保护护作用。。只有晶晶闸管直直接串接接快速熔熔断器才才对元件件的保护护作用最最好，因因为它们们流过同同—个电流．．因而被被广泛使使用。图6-6快速熔断断器在电电路中的的接法与晶闸管管串联的的快速熔熔断器的的选用原原则：①快速速熔断器器的额定定电压应应大于线线路正常常工作电电压有效效值。②快速熔熔断器熔体体的额定电电流IKR是指电流有有效值，晶晶闸管额定定电流是指指通态电流流平均值。。选用时要要求(6-11)式中IT(AV)—晶闸管通态态电流平均均值IKR—快速熔断器器的熔体额额定电流IT—流过晶闸管管的电流有有效值③熔断器器(安装熔体的的外壳)的额定电流流应大于或或等于熔体体额定电流流值。值得指出的的是，一般般装置中多多采用过流流信号控制制触发脉冲冲的方法抑抑制过流，，再配合采采用快熔，，使快熔作作为过流保保护的最后后措施。1.电压上升率率du／dt的限制(1)产生电压上上升率du／dt的原因由电网侵入入的过电压压。由于电力电电子器件换换相时产生生的du／dt(2)电压上升率率du／dt的限制方法法阻容保护线线路同串接接的电感一一起在出现现电压突变变时，能起起到限制电电压上升率率du/dt的作用。变换器交流流侧如有整整流变压器器和阻容保保护电路，，则变压器器漏感和阻阻容电路同同样能起到到衰减侵