第7章电力电子装置应用中的一些问题.ppt
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1、第7章 电力电子装置 应用中的一些问题,7.1 换流方式,换流电流从一个支路向另一个支路转移的过程称为换流,也叫换相。 研究换流方式主要是研究如何使器件关断。,一般来说,换流方式可分为以下四种: (1)器件换流:利用全控型器件的自关断能力进行换流。 (2)电网换流:由电网提供换流电压。,(3)负载换流:由负载提供换流电压。 只要负载电流超前于负载电压的 场合就能实现负载换流。,(4)强迫换流:设置附加的换流电路,给欲关断的晶闸管强迫施加反向电压或反向电流的换流方式。 强迫换流通常利用附加电容上所储存的能量来实现。,7.2 器件的热传导和散热器的选择,7.2.1 热传导,传导的功率,绝缘长方形棒
2、的传热示意图,加入散热器的功率模块的热传递示意图和对应的等效电路 制造商非常注意使热阻尽量小。这意味着为保证击穿电压、机械强度和其它一些要求而保持长度d不变的情况下,尽量使热流动的路径缩短;横截面积A应该尽量的大,以便与设计中其它要求相匹配,使寄生电容最小。 封装外壳应该用高热传导率的材料制成。大功率器件的外壳应该固定在具有风冷或水冷的散热器上。通过上述措施,有可能使PN结到衬底的热阻 Rjc小于1/W。,多层结构中稳态时的热流示意图和热阻等效电路图,7.2.2 电力电子器件的功率损耗,功率器件的耗散功率和结温是散热器设计的基本出发点,是关系到器件安全使用的两个重要参数。 电力电子器件的工作波
3、形,关断过程电压、电流波形,1. 耗散功率 开关损耗Ps 通态损耗Pon 断态损耗Poff 驱动损耗PG 2. 结温 对于一定型号的功率器件,厂商一般都给出了最高结温TJmax。 器件运行时的最高结温是不能突破的,否则将造成器件的永久性损坏。,7.2.3 散热器,散热器和电力电子器件间要加入绝缘体(如云母绝缘体)使散热器绝缘。 加入热润滑脂用来去除器件和散热器表面间的细微不平之间的空气提高散热效果。 用螺栓紧固器件和散热 器,也会保证器件和散 热器间良好的接触。,散热器的外形,7.3 变换器的保护,在电力电子变换器中,除了选择合适的电力电子器件参数、设计良好的驱动电路和缓冲电路外,采用适当的过
4、电压保护、过电流保护、du/dt保护和di/dt保护也是必要的; 功率二极管、晶闸管的过电压、过电流保护与变换器的保护是统一的; 而全控型电力电子器件的过电压和过电流保护有各自的特点。,7.3.1 变换器的过压保护,1. 引起过压的原因 (1)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。 (2)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。 (3)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。 (4)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
5、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。,过电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
6、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。,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所示,其R、C的计算公式为 式中S变压器每相平均计算容量,单位为VA U2变压器二次侧相电压有效
7、值,单位为V io变压器励磁电流百分值,101000KVA的变压器其值为410 uk变压器的短路电压百分值,101000KVA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: 式中 UC正常工作时阻容两端交流电压有效值 IC正常工作时流过阻容电路的交流电流有效值 XC阻容电路的电抗 对图所示的三相电路,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。,三相电路、变压器二次侧为Y联结,而阻容保护电路为形联接。对此,可首先按式计算出Y形联接时的阻容值R、C ,然后
8、进行Y、联接变换,求得联接时相应的阻容值,即 对于大容量的变换器,三相阻容保护装置可采用图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。,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 式中 k=1.5,Ud是直流端电压,电容器耐压UC1.6Ud,电阻功率是,(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,
9、可把浪涌电压限制在电力电子器件允许的电压范围; 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; 压敏电阻具有正、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,体积小,是一种较好 过压保护器件。 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,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形或形 压敏电阻的主要参数: 额定电压U1mA 指漏电流为1mA时的电压值。 残压比
10、UYU1mA UY为放电电流达规定值IY时的电压。 允许的通流容量 指在规定的波形下(冲击电流前沿10s,持续时间20s)允许通过的浪涌电流。,压敏电阻保护的接法,7.3.2 变换器的过流保护,1. 引起过流的原因 外部出现负载过载、交流电源电压过高或过低、缺相时引起的电路过电流 ; 电力电子变换器内部某一器件击穿或短路、线路绝缘老化失效、直流侧短路、可逆传动系统产生环流或逆变失败,引起的电路过电流 ; 控制电路、触发电路、驱动电路的故障或干扰信号的侵入引起的误动作,引起的电路过电流; 配线等人为的错误引起的电路过电流。,2. 过流保护的方法,过电流保护的方法,(1) 交流进线电抗器,或采用漏
11、抗大的整流变压器,利用电抗限制短路电流。但正常工作时有较大的交流压降。 (2) 直流快速开关。对于大、中容量变换器,快速熔断器的价格高且更换不方便。为避免过流时烧断快速熔断器,采用动作时间只2ms的直流快速开关,它可先于快速熔断器动作而保护电力电子器件。 (3) 电流检测装置,过流时发出信号,过流信号一方面可以封锁触发电路,使变换器的故障电流迅速下降至零,从而有效抑制了电流。另一方面控制过电继电器,使交流接触器触点跳开,切断电源。但过流继电器和交流接触器动作都需一定时间(100200ms)。故只有电流不大的情况这种保护才能奏效。,(4) 快速熔断器 在晶闸管变换器中,快速熔断器是应用最普遍的过
12、流保护措施,可用于交流侧、直流侧和装置主电路中。 交流侧接快速熔断器能对晶闸管元件短路及直流侧短路起保护作用,快速熔断器电流定额要大于晶闸管的电流定额,这样对元件的短路故障所起的保护作用较差。 直流侧接快速熔断器只 对负载短路起保护作用, 对元件无保护作用。只 有晶闸管直接串接快速 熔断器才对元件的保护 作用最好。,快速熔断器在电路中的接法,曲线1是额定电流300A的快速熔断器的安秒特性,表明当流过快速熔断器的电流大于额定电流后,电流越大,熔断时间越短;在额定电流以下时,可以长期工作。曲线2是额定电流200A的晶闸管的安秒特性。在交点A左侧,快速熔断器的熔断时间小于晶闸管烧毁的时间,所以快速熔
13、断器可以起到保护晶闸管的作用。在交点A右侧,晶闸管烧毁的时间小于快速熔断器的熔断时间,即快速熔断器保护不了晶闸管。因此快速熔断器适用于短路过流保护,而不适宜过载保护。,快速熔断器和晶闸管的安秒特性,与晶闸管串联的快速熔断器的选用原则: 快速熔断器的额定电压应大于线路正常工作电压有效值。 快速熔断器熔体的额定电流IKR是指电流有效值,晶闸管额定电流是指通态电流平均值。选用时要求 式中 IT(AV)晶闸管通态电流平均值 IKR快速熔断器的熔体额定电流 IT流过晶闸管的电流有效值 熔断器(安装熔体的外壳)的额定电流应大于或等于熔体额定电流值。 一般装置中多采用过流信号控制触发脉冲的方法抑制过流,再配
14、合采用快熔,使快熔作为过流保护的最后措施。快熔适用于短路保护!,1. 电压上升率dudt 的限制 (1) 产生电压上升率du/dt的原因 由电网侵入的过电压。 由于电力电子器件换相时产生的du/dt。 (2) 电压上升率du/dt的限制方法 阻容保护线路同串接的电感一起在出 现电压突变时,能起到限制电压上升率du/dt 的作用。 变换器交流侧如有整流变压器和阻容保护电路,则变压器漏感和阻容电路同样能起到衰减侵入过电压,减小过电压上升率的作用。 在无整流变压器的变换器中,则应在电源输入端串入交流进线电感LT,配合阻容吸收装置对du/dt进行抑制。,7.3.3 电压上升率和电流上升率的限制,晶闸管
15、电压上升率的简化等效电路,2. 电流上升率di/dt的限制 (1) 变换器中产生过大的di/dt 的原因 电力电子器件从阻断到导通的电流增长过快。 交流侧电抗小或交、直流侧阻容吸收装置电容量太大,当电力电子器件导通时,流过过大的附加电容的充、放电电流。 与电力电子器件并联的缓冲保护电路在晶闸管开通时的放电电流。 (2) 电流上升率di/dt的限制方法 上述的电力电子器件桥臂串联的电感Lk和交流进线侧的串联进线电感LT (或整流变压器的漏感)都能同时起到限制di/dt的作用。在交流侧采用图所示的整流式阻容保护,使电容放电电流不经过导通时的电力电子器件,亦能减小管子开通时的电流上升率。,7.4 电
16、力电子装置的谐波与无功功率,7.4.1 谐波的产生及其危害,1. 谐波的产生 在交流电网中,由于有许多非线性电气设备运行,电压、电流波形实际上不是完全的正弦波形,而是具有畸变的周期性非正弦波。根据傅里叶级数分析,任何重复的波形都可以分解为含有基波和一系列为基波倍数的谐波的正弦波分量。在平衡的三相系统中,由于对称关系,偶次谐波已经被消除了,只有奇次谐波存在。 整流电路是谐波产生的主要原因。在电力电子装置中,整流装置所占的比例最大;开关电源和电压型逆变器的直流侧采用电容滤波的不可控整流器;带感性负载的电流型整流电路;电流型整流器使输入电流为方波,降低了输入电流的THDi,但会带来电压的尖峰和缺口。
17、相控整流装置也会在交流侧产生大量的谐波电流。,2谐波的危害 (1) 对供电网络的影响 电网中的谐波电流和谐波电压会导致供电网络电压不稳定和谐波干扰增大。 (2) 使供电线路和用电设备的热损耗增加 对供电线路的影响。由于集肤效应,线路电阻增加,产生电能浪费。在电力系统中,中性线一般都很细,当流过大量的谐波电流时,产生的热量会破坏绝缘,造成短路,引起火灾。谐波频率与网络谐振频率会产生谐振,会使电力系统或用电设备绝缘击穿。, 对电力变压器的影响。谐波电流增加了电力变压器的磁滞损耗、涡流损耗及铜损,对带有不对称负载的变压器,会大大增加励磁电流的谐波分量。 对电力电容器的影响。若电容器流过很大的谐波电流
18、,电容器的温升增高,引起电容器过负荷甚至爆炸。谐波还可能与电容器在电网中形成谐振,并又施加到电网中。 对电机的影响。谐波会增加电机的附加损耗,产生机械震动,产生谐波过电压,使电机绝缘损坏。 (3) 对继电保护和自动装置的影响 对电磁式继电器,谐波会引起继电保护以及自动装置的误动或拒动,造成整个保护系统的可靠性降低,引起系统故障。,(4) 对通信线路产生干扰 在电力线路上流过较大的奇次低频谐波电流时,通过电磁耦合,会干扰通信线路的正常工作,使通话清晰度降低,甚至会引起通信线路的破坏。 (5) 对用电设备的影响 谐波会使电视机、计算机的显示亮度发生波动,图像或图形发生畸变,甚至会使机器内部元件损坏
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- 电力 电子 装置 应用 中的 一些 问题
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