第7章电力电子变流装置的控制和保护电路

PowerElectronicTechnology7.1晶闸管变流装置的保护电路7.2晶闸管变流装置的触发电路7.3电力晶体管的驱动电路7.4IGBT的驱动电路7.5电力电子变流装置的缓冲电路第7章电力电子变流装置的控制和保护电路PowerElectronicTechnology7.1晶闸管变流装置的保护电路7.2晶闸管变流装置的触发电路7.3电力晶体管的驱动电路7.4IGBT的驱动电路7.5电力电子变流装置的缓冲电路第7章电力电子变流装置的控制和保护电路一、晶闸管变流装置的过电流保护过电流——过载和短路两种情况。负载触发电路开关电路过电流继电器交流断路器动作电流整定值短路器电流检测电子保护电路快速熔断器变流器直流快速断路器电流互感器变压器图7.1过电流保护措施及其配置位置（1）快速熔断器保护快速熔断器简称快熔，是电控装置中最普遍使用的一种短路保护电器。全保护：过载、短路均由快熔进行保护，适用于小功率装置或器件裕度较大的场合。快熔对器件的保护方式：全保护和短路保护两种。短路保护：快熔只在短路电流较大的区域起保护作用。（2）直流快速断路器和过流继电器保护直流快速断路器亦称为直流快速开关。对于大、中容量的设备及经常逆变时，可用直流快速自动开关作直流侧过载或短路保护。当出现严重过载或短路电流时，要求快速开关比快熔先动作，尽量避免快速熔断。过流继电器有直流和交流两种。可以在过电流时动作，其整定值必须与晶闸管串联的快速熔断器的过载特性相适应。（3）利用引入电流检测的电子保护电路作过电流保护在交流侧设置电流检测装置，利用过电流信号去控制触发器，使触发脉冲快速后移或瞬时停止使晶闸管关断，从而抑制了过电流。但在可逆系统中，停发脉冲后会造成逆变失败，因此多采用脉冲快速后移的方法。电子电路作为第一保护措施，快熔仅作为短路时的部分区段的保护，直流快速断路器整定在电子电路动作之后实现保护，过电流继电器整定在过载时动作。同时采用几种过电流保护措施，提高可靠性和合理性。二、晶闸管的过电压保护电力电子装置可能的过电压——外因过电压和内因过电压。外因过电压：主要来自雷击和系统操作过程等外因。1）雷击过电压：由雷击引起。2）静电感应过电压：由整流变压器的分布电容引起。3）操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起。内因过电压：主要来自电力电子装置内部器件的开关过程。1）换相过电压：晶闸管在换相结束后，反向电流急剧减小，会由线路电感在器件两端感应出过电压。（2）晶闸管变流装置运行过电压保护措施按过电压保护的部位来分，有交流侧保护、直流侧保护和器件保护等几部分。1）避雷器保护：在变压器高压侧装避雷器来限制雷击过电压。2）利用非线性过电压保护元件保护图7.4压敏电阻的伏安特性采用雪崩二极管、金属氧化物压敏电阻、硒堆和转折二极管等非线性过电压保护元器件来限制或吸收过电压。其中压敏电阻应用最普遍。金属氧化物压敏电阻是由氧化锌、氧化铋等烧结制成的非线性电阻元件，具有正反向都很陡的伏安特性。正常工作时，漏电流仅是微安级，故损耗小；当浪涌电压来到时，反应快，可通过数千安培的放电电流。因此，抑制过电压的能力强。它还有体积小、价格便宜等优点，是一种较理想的保护元件。压敏电阻的主要缺点是持续的平均功率太小(仅数瓦)，如果正常工作的电压超过它的额定电压，很短时间就会因过热而损坏，因此不宜应用于那些频繁出现过电压的场合。3）利用储能元件保护利用储能元件吸收产生过电压的能量实现过电压保护。图7.6阻容过电压保护的接法电容C是最常用的过压保护元件。图7.6阻容过电压保护的接法利用电容两端电压不能瞬时突变的特性来吸收尖峰过电压，C值越大，抑制效果越好。串联电阻的目的是消耗部分产生过电压的能量，抑制LC回路的振荡。RCVDCi图7.7RCD过电压吸收电路对于晶闸管关断过程中产生的尖峰状瞬时过电压，最常用的方法是在晶闸管两端并联阻容保护电路。加上阻容后，当晶闸管关断时，变压器电流可通过RC续流，减小di/dt，从而抑制了过电压。串联电阻的作用：①抑制LC电路振荡。②限制晶闸管开通损耗与电流上升率。4）利用引入电压检测的电子保护电路作过电压保护这是电力电子装置常采用的过电压保护方法。其保护原理与利用电流检测的电子保护电路作过电流保护原理类似。三、限制晶闸管的du/dt和di/dt保护1.限制du/dt保护措施晶闸管在阻断状态下存在结电容。当加在晶闸管上的正向电压上升率du/dt较大时，结电容充电电流起到触发电流的作用，使晶闸管误导通，造成装置的失控。因此，必须采取措施抑制du/dt。产生du/dt过大的原因：1）由电网侵入的过电压。2）晶闸管换相引起。限制du/dt过大的主要措施也是在晶闸管两端并联一个RC或RCD吸收电路。2.限制di/dt保护措施晶闸管在导通瞬间，电流集中在门极附近，随着时间的推移导通区才逐渐扩大，直到整个结面导通为止。在此过程中，电流上升率di/dt应限制在通态电流临界上升率以内，否则将导致门极附近过热，损坏晶闸管。产生di/dt过大的原因：1）晶闸管导通时，与晶闸管并联的阻容保护中的电容突然向晶闸管放电。2）交流电源通过晶闸管向直流侧保护电容充电。3）直流侧负载突然短路。限制di/dt过大，除了在阻容保护中选择合适的电阻，可在每个桥臂上与晶闸管串联一个小电感。四、晶闸管的门极保护在主电路和触发电路，一些瞬变电压也可能通过分布电容或空间传播进入门极电路。晶闸管门极保护除了防止本身免遭过电压（过电流）的损坏外，还要防止门极受干扰的影响而使晶闸管误触发导通。门极保护一般用电阻、电容、二极管等元件组成。R门极与阴极间电阻R降低了门极与阴极间电阻，降低了门极灵敏度，从而增加了元件承受du/dt的能力并减少了关断时间。C电容C紧接于门极与阴极之间，可防止干扰的误触发，对高频噪声起旁路作用，有助于提高元件件承受du/dt的能力，但同时关断时间和开通时间增加。VDVD1VDR2VDcdef(c)~(f)中，二极管VD为门极反向过电压保护；VD1的作用只允许正电压加到门极，阻断反电压；R为限流电阻；稳压管VD2为门极正、反电压限幅保护。