变频技术原理与应用(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者:吕汀,石红梅

出版社:机械工业出版社

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变频技术原理与应用

变频技术原理与应用试读:

前言

伴随着电力电子技术、微电子技术及现代控制理论的发展,变频技术已广泛应用于各个领域,并正在日新月异地发展着。已从最初的整流、交直流可调电源等发展到直流输电、不同频率电网系统的连接、静止无功功率补偿和谐波吸收、超导电抗器的电力储存、高频输电。在运输及产业行业正在以交流电动机调速逐步代替直流电动机调速,并应用到超导磁悬浮列车、高速铁路、电动汽车、产业用机器人;在家用电器方面有变频空调、变频洗衣机、变频电动自行车等;军事方面则有通信、导航、雷达、宇宙设备的小型轻量化电源等。

本书是在前两版(前两版被评为普通高等教育“十一五”国家级规划教材)的基础上进行修订的,是对前两版的总结和完善,书中删减了部分内容,增加了新的内容,并对部分章节进行了调整,使之更加系统化。

本书共分为两大部分:第一部分(第1~5章)主要介绍了变频技术概述、电力电子器件、交—直—交变频技术、脉宽调制技术、交—交变频技术等;第二部分(第6~8章)主要介绍了变频器的选择和容量计算、变频器的安装调试以及变频技术综合应用等。推荐学时为60~70学时(带*号的章节为选学内容)。

本书第1、6、7、8章由吕汀编写,第2、3、4、5章由石红梅编写。全书由吕汀统稿。

限于编者水平与经验有限,书中疏漏与错误之处难免,恳请广大读者批评指正。编者 第1章概述1.1 变频技术

简单地说,变频技术就是把直流电逆变成不同频率的交流电,或是把交流电变成直流电再逆变成不同频率的交流电,或是把直流电变成交流电之后再把交流电变成直流电。在这些变化过程中,一般只是频率发生变化。

变频技术是能够将电信号的频率,按照对具体电路的要求而进行变换的应用型技术。其主要类型有以下几种:

1)交—直变频技术(整流技术)。它通过二极管整流、二极管续流或晶闸管、功率晶体管可控整流而实现交—直流转换。这种转换多属于工频整流。

2)直—直变频技术(斩波技术)。它通过改变功率半导体器件的通断时间,即改变脉冲的频率(定宽变频),或改变脉冲的宽度(定频调宽),从而达到调节直流平均电压的目的。

3)直—交变频技术,电子学中称为振荡技术,电力电子学中称为逆变技术。振荡器利用电子放大器件将直流电变成不同频率的交流电(甚至电磁波)。逆变器则利用功率开关将直流电变成不同频率的交流电。

4)交—交变频技术(移相技术)。它通过控制功率半导体器件的导通与关断时间,实现交流无触点开关、调压、调光、调速等目的。

表1-1为变频技术的类型表。表1-1 变频技术的类型表

现在人们一说起变频技术,往往首先想到的是变频调速技术。其实这只是变频技术的一个重要应用领域。它是将工频交流电通过不同的技术手段变换成不同频率的交流电,主要应用在控制交流异步电动机的拖动系统中,可产生巨大的节能效果和使自动化程度大大地提高。实际上变频技术应用的范围是非常广的。

变频技术随着微电子学、电力电子技术、电子计算机技术和自动控制理论等的不断发展而发展,现已进入了一个崭新的时代,其应用也越来越普及。从起初的整流、交直流可调电源等已发展至高压直流输电、不同频率电网系统的连接、静止无功功率补偿和谐波吸收、超导电抗器的电力储存等。在运输、石油、家用电器和军事等领域得到了广泛的应用。如超导磁悬浮列车、高速铁路、电动汽车、机器人;采油的调速、超声波驱油;变频空调、变频洗衣机、变频微波炉、变频电冰箱;军事通信、导航、雷达和宇航设备的小型化电源等。1.2 变频技术的发展

纵观变频技术的发展,其中主要是以电力电子元器件的发展为基础的。第一代以晶闸管为代表的电力电子元器件出现于20世纪50年代。1956年,贝尔实验室发明了晶闸管;1958年,通用电气公司推出商品化产品。它主要是电流控制型开关器件,以小电流控制大功率的变换。但其开关频率低,只能导通而不能自动关断。

第二代电力电子器件以功率晶体管(GTR)和门极关断(GTO)晶闸管为代表,在20世纪60年代发展起来。它是一种电流型自关断的电力电子器件,可方便地实现变频、逆变和斩波,其开关频率只有1~5kHz。

第三代电力电子器件以绝缘栅双极型晶体管(IGBT)和功率场效应晶体管(MOSFET)为代表,在20世纪70年代开始应用。它是一种电压(场控)型自关断的电力电子器件,具有在任意时刻用基极(栅极、门极)信号控制导通和关断的功能。其开关频率达到了20kHz甚至200kHz以上,为电气设备的高频化、高效化和小型化创造了条件。

第四代电力电子器件,出现于20世纪80年代末的智能化功率集成电路(PIC)和20世纪90年代的智能功率模块(IPM)、集成门极换流晶闸管(IGCT)。它们实现了开关频率的高速化、低导通电压的高性能化及功率集成电路的大规模化,包括了逻辑控制、功率传递、保护、传感及测量等电路功能。

图1-1所示为电力电子器件“树”。

图1-2所示为各种电力电子器件的外形图。

图1-3所示为几种典型的电力电子器件的功率与频率关系图。图1-1 电力电子器件“树”

经过几十年的发展,电力电子技术已成为一门多学科的边缘技术,它包含交流电路、电力半导体器件、计算机辅助设计、模拟电子学和数字电子学、微型计算机、控制理论、超小规模集成电路、高频技术和电磁兼容等。电力电子技术对人类的文明起到了巨大的推动作用,如今它已无领域不在,无行业不用,以至于离开了电力电子技术,人们的生活将黯然失色。

电力电子技术的发展,取决于主要的电力电子元器件,例如电子开关元器件,整流元器件和控制元器件,这使电子技术涵盖了从低到高的频率范围,从小到大的功率范围,成为包括微电子技术,无线电电子技术和电力电子技术的一个整体。

电力电子技术的发展方向是:高电压大容量化、高频化、组件模块化、小型化、智能化和低成本化。应用的技术有:脉宽调制(PWM)、滑模控制、非线性变换、功能控制及交流电机矢量控制、直接力矩控制、模糊控制和自适应控制等。未来电力电子技术最大的挑战是怎样把电力电子设备做成普遍化、大众化,将电力电子器件设计标准化。电力电子技术的很重要应用是在交通方面,如航天、电动汽车、混合式电动汽车、用燃料电池的电动汽车等。

电力电子技术的应用对环保起到了相当大的作用。预计今后,电力能源中的80%要经过电力电子设备的转换,因此,电力电子技术在21世纪将起到更大的作用。图1-2 各种电力电子器件的外形图图1-3 几种典型的电力电子器件的功率与频率

电力电子技术的发展方向是:高电压大容量化、高频化、组件模块化、小型化、智能化和低成本化。应用的技术有:脉宽调制(PWM)、滑模控制、非线性变换、功能控制及交流电动机矢量控制、直接转矩控制、模糊控制和自适应控制等。

随着电力电子技术的发展,变频技术的发展方向是:

1)交流变频向直流变频方向转化。直流变频是指以数字转换电路代替交流变频中的交流转换电路,使负载电动机始终处于最佳运行状态。直流变频摒弃了交流变频技术的交流—直流—交流—变转速方式的交流电动机的循环工作方式,采用先进的交流—直流—变转速方式的数字电动机的控制技术,无逆变环节,因而减少电流在工作中的转变次数,使电能转化效率大大提高,能够实现精确控制及平稳高效地运转。同时,避免了交流变频电动机电磁噪声较大的缺点,噪声更低。

2)功率器件向高集成智能功率模块发展。虽然单个功率器件的效率越来越高,控制简化,但电的复杂性给生产和测试带来不便。智能功率模块(IPM)是将功率器件的配置、散热乃至驱动问题在模块中解决,因而易于使用,可靠性高。以变频空调为例,我国的变频空调几乎100%采用IPM方式。

3)缩小装置的尺寸。紧凑型变频器要求功率和控制元件具有高的集成度,其中包括智能化的功率模块、紧凑型的光耦合器和高频率的开关电源,以及采用新型电工材料制造的小体积变压器、电抗器和电容器。功率器件冷却方式的改变(如水冷、蒸发冷却和热管)对缩小装置的尺寸也很有效。

4)高速度的数字控制。以32位高速微处理器为基础的数字控制模块有足够的能力实现各种控制算法,Windows操作系统的引入使得软件设计更便捷。图形编程的控制技术也有很大的发展。

5)模拟器与计算机辅助设计(CAD)技术。电机模拟器、负载模拟器以及各种CAD软件的应用,对变频技术的应用、变频器的设计和测试提供了强有力的支持。

总之,变频技术的发展趋势,是朝着高度集成化、高频化、模块化、采用表面安装技术、转矩控制高性能化、保护功能健全、操作简便化、驱动低噪声化、高可靠性、低成本和小型化的方向发展。1.3 习题

1.什么是变频技术?

2.变频技术的类型有哪几种?

3.简述电力电子技术的重要性。

4.简述变频技术的发展趋势。 第2章电力电子器件

电力电子器件是电力电子技术的物质基础和技术关键,也是变频技术发展的“龙头”。可以说,电力电子技术起步于晶闸管,普及于功率晶体管(GTR),提高于绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。新型电力电子器件的涌现与发展,促进了电力电子电路的结构、控制方式和装置性能的提高。本章从应用的角度出发,对电力电子器件的种类、性能及应用等加以介绍。2.1 半控型电力电子器件

半控型电力电子器件主要是指晶体闸流管(简称为晶闸管)。“半控”的含义是指晶闸管可以被控制导通,而不能用门极控制关断。由于晶闸管耐压高、电流大、抗冲击能力强,所以即使全控型电力电子器件在飞速地发展,它仍具有很强的生命力。2.1.1 晶闸管的特性及参数

1.晶闸管的特性[1]

晶闸管(Thyristor)是最早开发的电力电子器件。它相当于一个可以控制接通的导电开关。从使用的角度来说,最关心的问题是它的特性。(1)晶闸管的伏安特性

晶闸管的结构及电路图形符号如图2-1所示。晶闸管有3个引线端子:阳极A(an-ode)、阴极K(cathode)和门极G(gate),有3个PN结。晶闸管阳极与阴极间的电压和它的阳极电流之间的关系,称为晶闸管的伏安特性,如图2-2所示。位于第Ⅰ象限的是正向特性,位于第Ⅲ象限的是反向特性。

当门极电流I=0时,如果在晶闸管两端施加正向电压,则J结处G2于反偏,晶闸管处于正向阻断状态,只流过很小的正向漏电流。如果正向电压超过临界极限即正向转折电压U时,则漏电流急剧增大,bo晶闸管导通。随着门极电流幅值的增大,正向转折电压降低。导通后晶闸管特性和二极管的正向特性相仿,即使通过较大的阳极电流,晶闸管本身的压降仍很小。导通期间,如果门极电流为零,并且阳极电流降到维持电流I以下,则晶闸管又回到正向阻断状态。当在晶闸管H上施加反向电压时,晶闸管的J、J结呈现反偏状态,这时伏安特性13类似二极管的反向特性。晶闸管处于反向阻断状态时,只有极小的反向漏电流流过,当反向电压超过反向击穿电压后,反向漏电流便急剧增大,导致晶闸管反向击穿而损坏。(2)晶闸管的门极伏安特性

在给晶闸管施加正向阳极电压的情况下,若再给门极加入适当的控制信号,可使晶闸管由阻断变为导通。图2-1 晶闸管的结构及电路图形符号

a)小电流塑封式 b)小电流螺旋式 c)大电流螺旋式 d)大电流平板式 e)内部结构 f)P型门极、阴极侧受控电路图形符号 g)N型门极、阳极侧受控电路图形符号h)晶闸管电路图形符号图2-2 晶闸管的伏安特性

晶闸管的门极和阴极之间是一个PN结J,它的伏安特性称为门3极伏安特性。实际产品的门极伏安特性分散性很大,为了应用方便,常以一条典型的极限高阻门极伏安特性和一条极限低阻门极伏安特性之间的区域来代表,称为门极伏安特性区域。图2-3示出500A晶闸管门极伏安特性区域(右边图为放大图),图中各符号的名称和数值见表2-1。曲线OD和OG分别为极限低阻和极限高阻伏安特性。放大图中的OHIJO的范围称为不触发区,任何合格器件在额定结温(PN结温度)时,其门极信号在此区域中都不会被触发。OABCO的范围称为不可靠触发区,在室温下,此区域内有些器件被触发,而对于触发电流或电压较高的器件来说,触发是不可靠的。图中ADEFGCBA称为可靠触发区,对于正常使用的器件,其门极触发电流和电压都应该处于这个区域内。当给门极加上一定的功率后,会引起门极附近发热,当加入过大功率时,会使晶闸管整个结温上升,直接影响晶闸管的正常工作,甚至会使门极烧坏。所以施加于门极上的电压、电流和功率是有一定的限制的(见表2-1)。可靠触发区就是由门极正向峰值电流I、正向峰值电压U和允许的最大瞬时功率P划定的区FGMFGMGM域。此外,门极的平均功率损耗不应超过规定的平均功率P,G(AV)如图2-3中的曲线KL所示。表2-1 晶闸管的门限参数(3)晶闸管的动态特性

晶闸管在电路中是起开关作用的。由于器件的开通和关断的时间很短,当开关频率较低时,可假定晶闸管是瞬时开通和关断的,可不计其动态特性和损耗。但当工作频率较高时,因工作周期缩短,晶闸管的开通和关断的时间就不能忽略,动态损耗所占比例相对增大,并成为引起晶闸管发热的主要原因,在这种情况下必须考虑其动态特性和动态损耗。图2-3 500A晶闸管的门极伏安特性区域

1)开通时间。如图2-4所示,门极在原点处受到理想阶跃电流的触发,由于晶闸管内部的正反馈过程需要时间,阳极电流的增长不可能瞬时完成。从门极电流阶跃时刻开始,到阳极电流上升到稳态值的10%,这段时间称为延迟时间t。阳极电流从10%上升到稳态值的d90%所需的时间称为上升时间t,开通时间t为两者之和,即:rgt

t=t+t (2-1)gtdr

对于普通晶闸管,t=0.5~1.5μs,t=0.5~3μs。dr

延迟时间与上升时间受阳极电压的影响很大,提高阳极电压可显著缩短延迟时间和上升时间。上升时间虽然表示晶闸管本身的特性,但也会受外部电路的影响。

2)关断时间。已导通的晶闸管,当电源电压突然改变方向时,由于晶闸管电路中总带有感性器件,阳极电流在衰减过程中必存在过渡过程。从导通电流逐步衰减到零,然后在反方向建立恢复电流,经过最大值后,再反方向衰减到零。在恢复电流快速衰减时,由于漏感的作用,引起晶闸管两端出现尖峰电压U,晶闸管的开通、关断RRM过程及相应的损耗如图2-4所示。零电流时,中间结继续保持正向偏置,最终中间结将恢复电压阻断能力,并且成功地施加正向压降。

电源电压反向后,从正向电流降为零到能重新施加正向电压为止的时间间隔,称为晶闸管的电路换向关断时间t,它由两部分组成:q

t=t+t (2-2)qrrgr

式中 t——反向阻断恢复时间,是电流反向的持续期;rr

t——正向阻断恢复时间。gr

普通晶闸管的关断时间约为几百微秒,快速晶闸管的关断时间为几微秒至几十微秒。

2.晶闸管的参数

晶闸管不能自关断,属于半控型,在电路中起开关作用。由于其开通与关断的时间很短,为正常使用,必须认真研究其动态特性,定量地掌握其主要参数。(1)晶闸管的电压定额

1)断态(正向)重复峰值电压U:指当门极断路而晶闸管的DRM结温为额定值时,允许重复加在器件上的正向峰值电压,如图2-2所示。重复频率为每秒50次,每次持续时间不大于10ms。

2)反向重复峰值电压U:指当门极断路而结温为额定值时,RRM允许重复加在晶闸管上的反向峰值电压。重复频率为每秒50次,每次持续时间不大于10ms。

3)通态(峰值)电压U:指当晶闸管通以π倍或规定倍数额定TM通态平均电流值时的瞬态峰值电压。图2-4 晶闸管的开通、关断过程及相应的损耗(2)晶闸管的电流定额

1)通态额定平均电流I:在环境温度为+40°C和规定的冷却T(AV)条件下,在电阻性负载的单相工频正弦半波电路中,管子全导通(导通角不小于170°)而稳定结温不超过额定值时所允许的最大平均电流。在实际使用时,不论流过器件的电流波形如何,导通角有多大,只要遵循式(2-3)来选择管子的额定电流,管子的发热就不会超过允许范围。

式中 I——最大电流有效值。Tm

典型应用例子四种电流波形平均值为100A,晶闸管的通态额定平均电流如表2-2所示,表中的通态额定平均电流值没有考虑余量。表2-2 四种电流波形平均值为100A,晶闸管的通态额定平均电流

2)维持电流I:在室温和门极断路时,使晶闸管维持通态所必H需的最小通态电流。

3)擎住电流I:晶闸管刚从断态转入通态就立即撤除触发信号L后,能维持通态所需的最小通态电流。对同一晶闸管,通常擎住电流I比维持电流I大数倍。LH

4)断态(正向)重复峰值电流I和反向重复峰值电流I:DRMRRMI和I分别是对应于晶闸管承受断态重复峰值电压U和反向DRMRRMDRM重复峰值电压U时的峰值电流。RRM

5)浪涌电流I:一种由于电路异常情况(如故障)引起的并TSM使结温超过额定结温的不重复性最大正向过载电流。浪涌电流有上下限两个级,这些不重复电流定额用来设计保护电路。(3)晶闸管的门极定额

1)门极触发电流I:在室温下,施加6V正向阳极直流电压时使GT晶闸管由断态转入通态所必需的最小门极电流。

2)门极触发电压U:产生门极触发电流所必需的最小门极电GT压。(4)动态参数

1)断态临界电压上升率du/dt:在额定结温和门极开路的情况下,不使从断态到通态转换的最大电压上升率。如果du/dt过大,会使充电电流足够大,使晶闸管误导通,此时应采取措施,使其在临界值内。

2)通态临界电流上升率di/dt:在规定条件下,晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。如果通态电流上升太快,则晶闸管刚一开通,就会有很大的电流集中在门极附近的很小区域内,从而造成局部过热而使晶闸管损坏。因此要采取措施限制其在临界值内。限制电流上升率的有效办法是串接空心电感。(5)额定结温

额定结温T:器件在正常工作时所允许的最高结温。在此温度jm下,一切有关的额定值和特性都能得到保证。2.1.2 晶闸管的串并联与保护

1.晶闸管的串联与并联

对较大型的整流装置,单个晶闸管的额定电压和电流远不能达到要求。在高电压和大电流的应用场合,必须把晶闸管串联或并联起来使用。(1)晶闸管的串联

当晶闸管的额定电压小于实际要求时,可以采用两个或两个以上同型号器件相串联。串联时各器件流过相等的漏电流,但由于各器件的特性不同因而各器件所承受的电压是不相等的。图2-5a是两个晶闸管串联的伏安特性图,由于其正向特性不同,在同一漏电流I情况下R所承受的正向电压是不同的,即U大于U,若外施电压继续升T2T1高,则VT首先转折,于是全部电压加在VT上,势必使VT也转折,211两个器件都失去控制作用。同理,反向时,因不均压,可能使其中一个器件先反向击穿,另一个随之击穿。

为了达到均压,在选择器件时,应选用通态平均电压和恢复电流比较一致的器件,但在实际应用中很难做到这一点。工程应用中,常常需用电阻和RC并联支路均压。如图2-5b中的R,R的阻值应比任pp何一个串联器件阻断时的正、反向电阻都小得多,这样,每个串联晶闸管分担的电压主要决定于均压电阻的分压。

均压电阻R的阻值和功率P常采用下列两式计算:pRp

式中 U——晶闸管的额定电压;Tn

I——断态重复峰值电流。DRM

式中 U——作用于晶闸管上的正反向峰值电压;m

n——串联器件个数;

K——计算系数,单相取0.25,三相取0.45。Rp

虽然采用了均压措施,但仍然不可能完全均压。因此,实际应用时,在选择每个管子额定电压时应按下式计算:

式中 n——串联器件数;

U——作用于串联器件上的正反向峰值电压;m

0.8~0.9——考虑不均压因素的计算系数。图2-5 晶闸管串联

a)伏安特性图 b)使用R和RC并联支路均压的电路p(2)晶闸管的并联

当一个晶闸管的额定电流不能满足负载的要求时,需采用几个晶闸管并联。晶闸管并联使用时,由于各个晶闸管特性不一致和主电路的影响,晶闸管的电流会不均衡。

1)主电路对并联晶闸管电流分配的影响。晶闸管的正向压降等于与正向电流无关的恒定压降与内阻压降之和。由于晶闸管内阻很小,并联晶闸管各回路的阻抗又不相同,因此,各支路电流分配也不均衡。当负载电流很大时,各并联支路的电阻和自感必须相等,互感也应尽量相等。

主电路对并联晶闸管电流分配的影响如图2-6所示,晶闸管并联时,即使各支路的电阻和电感相等,但主电路母线A及B的磁通也会使并联晶闸管电流分配不均匀。

2)正向压降对并联晶闸管电流分配的影响。与硅二极管比较,晶闸管的内阻较大,正向压降的分散性也大。两只正向压降不同的晶闸管并联,正向压降对并联晶闸管电流分配的影响如图2-7所示。

另外,晶闸管并联使用时,由于触发特性不同,也会产生电流分配不均衡的问题。所以,必须使并联晶闸管触发时间尽可能一致。图2-6 主电路对并联晶闸管电流分配的影响图2-7 正向压降对并联晶闸管电流分配的影响

为了使并联晶闸管电流分配均衡,除应选择正向压降基本一致的晶闸管外,还应采用适当的均流电路。常用的均流电路有以下3种:

①串联电阻均流电路。串联电阻均流电路如图2-8a所示,当晶闸管的额定电流比较小时,在阳极电路中串联较小的电阻R,就可以s减小并联晶闸管电流不均衡的程度。串联电阻R的选择原则如下:s当器件流过最大工作电流时,电阻压降U为管子正向压降U(AV)RST的1~2倍。如对50A的管子,R取0.04Ω为宜。由于电阻功耗较大,s所以这种方法只适用于小电流晶闸管。图2-8 串联电阻及电抗器的均流电路

a)串联电阻 b)串联电抗器

②串联电抗器均流电路。串联电抗器均流电路如图2-8b所示。在整流或斩波电路内,晶闸管内重复流过脉冲电流,为使并联晶闸管中的电流分配均匀,通常都采用这种电路。当多个晶闸管并联时,串入电感的数值应能使晶闸管导通时的电流上升率低于允许的di/dt。这样,就能够防止并联晶闸管因di/dt过大而损坏。

为了改进并联晶闸管的电流分配,应串入电感的数值决定于各并联支路的自感和互感,同时,也决定于晶闸管的触发时间。例如,当并联晶闸管承受500V电压时,如果串入50μH的电感,最高电流上升率能限制在10A/μs以内。各晶闸管触发时间之差达1μs时,各支路电流之差能限制在10A以下。如果主电路布线电感之差为5μH,由此产生的电流不平衡为+0%~-50%时,则串联50μH的电感以后,电流的不平衡大致可降低到原来的1/10,即+0%~-5%。虽然采取了均流措施,但电流分配仍然不可能完全一样。所以选择每个管子额定电流时,还必须考虑不均流的因素。通常可按下面的公式计算:

式中 n——并联器件数;

I——流过桥臂的总电流(最大有效值)。TM

③采用直流电抗器的均流电路。均流电抗器也称为均衡器。如图2-9a、b分别表示两个及3个晶闸管的并联电路。在图2-9a中,如果两个晶闸管的触发时间不同,若VT先触发,电流流过线圈OA,由于线1圈之间为紧耦合,在均流电抗器另一线圈OB两端将产生极性如图所示的电压。这个电压提高了VT阳极与阴极之间的电压,因而可缩短2VT的触发时间。另一方面,在VT和VT触发时,由于均流电抗器的212电感作用,电流上升率下降,因而能够保证电流分配较均衡。由于二极管VD、VD是隔离器件,它可防止反向电流流入门极。12

均流电抗器对并联晶闸管具有很好的均流作用。如果晶闸管的额定电流很大,或晶闸管的个数很多,均流电抗器体积就较大,而且配置也复杂。因此,这种均流电路适用于中、小容量晶闸管装置。

2.晶闸管的保护

晶闸管承受过电流和过电压的能力较差,短时间的过电流和过电压就会使器件损坏,但不能完全根据装置运行时可能出现的暂时的过电流和过电压的数值来确定器件参数,还要充分发挥器件应有的过载能力,因此,保护就成为提高电力电子装置运行可靠性必不可少的环节。图2-9 使用均流电抗器的均流电路

a)两个晶闸管 b)三个晶闸管(1)晶闸管的过电流保护

造成晶闸管过电流的重要原因是:电网电压波动太大、电动机轴上拖动的负载超过允许值、电路中晶闸管误导通以及晶闸管击穿短路等。

由于晶闸管承受过电流能力比一般电器元件差得多,故必须在极短时间内把电源断开或把电流值降下来。常见的保护有以下几种:

1)快速熔断器保护。熔断器是最简单有效的过电流保护器件。由于晶闸管热容量小、过电流能力差,所以专门为保护大功率电力电子器件而制造了快速熔断器(简称为快熔)。它与普通熔断器相比,具有快速熔断的特性,在通常的短路过电流时,熔断时间小于20ms,这样能保证在晶闸管损坏之前,快熔切断短路故障。

快速熔断器的接法一般有3种:

①接入桥臂而与晶闸管串联,如图2-10a所示,这时流过快熔的电流就是流过晶闸管的电流,保护最直接可靠,现已被广泛采用。

②接在交流侧输入端,如图2-10b所示。

③接在直流侧,如图2-10c所示。

图2-10b、c这两种接法虽然快熔数量用得较少,但保护效果不如图2-10a,所以这两种接法较少被采用。图2-10 快速熔断器保护的接法

a)桥臂串快熔 b)交流侧接快熔 c)直流侧接快熔

快熔的熔体采用一定形状的银质熔丝(或熔片),周围充以石英砂填料,构成封闭式熔断器。目前国内生产的快熔有大容量RTK(插入式)、RS3、RS0(汇流排式)与小容量RLS(螺旋式)等几种。表2-3为RS3系列快速熔断器规格,表2-4为RLS系列快速熔断器规格。表2-3 RS3系列快速熔断器规格表2-4 RLS系列快速熔断器规格

选择快熔时要考虑以下几点:

①快熔的额定电压应大于或等于线路正常工作的电压(有效值);

②快熔的额定电流应大于或等于内部熔体的额定电流;

③熔体的额定电流是有效值,如果采用与桥臂晶闸管串联接法,可按式(2-8)计算选择:

1.57I≥I≥I (2-8)T(AV)FUTM

式中 I(AV)——被保护晶闸管额定电流;T

I——快熔熔体的电流有效值;FU

I——流过晶闸管的最大电流有效值。TM

由于晶闸管额定电流在选择时已考虑到安全裕量系数为1.5~2,因此,通常按I=I(AV)选配即可。例如50A晶闸管就选配熔体额FUT定电流也是50A的快熔与之相串联即可。对于小容量变流装置也可用普通RL系列熔断器代替,但是熔体的额定电流只能按晶闸管额定电流的1/3~2/3来选配。

快熔通常都有熔断指示。大电流的快熔熔断指示器还可以去碰撞微型开关,当某相快熔熔断后,能迅速发出报警信号或自动切断交流电源。

在大容量的变流装置中,由于大电流快熔价格高,更换不方便,故快熔必须与其他过电流保护措施同时使用,快熔是作为最后一道保护。一般总是先让其他过电流保护措施动作,尽量避免直接烧断快熔。

2)过电流继电器保护。过电流继电器可安装在交流侧或直流侧,当发生过电流故障时动作,断开交流电源开关(如电源接触器)。由于过电流继电器开关动作时间较长(约为几百毫秒),故只能保护由于机械过载引起的过电流,或在短路电流不大时能对晶闸管起保护作用。另外,可采用直流快速灵敏继电器组成的电子过电流跳闸保护电路,如图2-11所示。其工作原理是:当主电路过电流时,电流反馈信号电压U增大,稳压管VS被击穿,晶体管V导通,直流快速灵敏继电fi器KA得电并自锁,并断开了电源接触器KM吸引线圈电压,使KM失电切断主电路交流电源,以达到过电流保护的目的。过电流故障排除后,想要恢复供电,先按下复位按钮SB,KA失电,KA常闭触点闭合,按下主电路起动按钮SB,KM得电接通主电路交流电源,恢复正常2供电。调节电位器RP,可以很方便地调节过电流跳闸动作电流的大小。图2-11 电子过电流跳闸保护电路

3)脉冲移相过电流保护。其工作原理与电子过电流跳闸保护电路相似,如图2-12所示。当主电路出现过电流时,电流反馈信号电压U增大,稳压管VS被击穿,V晶体管注入基极电流,使晶体管V输fi12出电压U降低,于是触发电路的触发脉冲迅速右移(即触发延迟角αo增大),使主电路输出整流电压迅速减小,负载电流也迅速减小,达到限流目的。

4)利用反馈控制作过电流保护。这种保护的特点是控制系统本身的动作速度快,在一些容易发生短路的设备如逆变器中,常采用这种保护方法,但内部发生短路时还得靠快熔来保护。

用反馈控制作过电流保护的电路如图2-13所示。当整流器发生短路时,通过电流互感器检测,测得的信号经整流转换成直流电压后送到电压比较器,与过电流整定值进行比较。正常情况下,电流信号小于过电流整定值,电压比较器输出低电平,控制门开放,触发系统受给定电压和偏移电压控制;当负载发生短路时,由电流互感器检测到的电流信号超过过电流整定值,电压比较器输出高电平,控制门关闭,触发系统仅受偏移电压控制。偏移电压预先整定在使触发延迟角α>90°的位置,使整流器立即转入有源逆变状态。整流电路因α突然增大,使整流电压迅速下降,抑制了短路电流,由于电路处于逆变状态,储存在电抗器中的能量不断释放,直到逆变电压降低到使晶闸管无法导通时,逆变结束,整流器停止工作。

5)直流快速断路器过电流保护。在大容量变流装置中经常容易出现直流侧负载发生短路的场合,可以在直流侧装直流快速断路器,用作直流侧过载与短路保护,这种快速断路器动作时间仅2ms,加上断弧时间,也不超过30ms,可见动作时间非常短。图2-12 脉冲移相过电流保护电路图2-13 用反馈控制作过电流保护的电路(2)电压与电流上升率的限制

在正向阻断状态下,晶闸管的J结面相当于一个电容。如果正向2电压上升率太大,对这个电容的充电电流就太大,这个充电电流经门极到达阴极相当于触发电流,一旦达到管子的触发电流值,晶闸管就会误导通而出现过电流,使快熔或晶闸管烧坏。为此,对晶闸管的正向电压上升率du/dt应有一定限制。

限制电压变化率的措施有:

1)给整流装置接上整流变压器。由于变压器有漏感存在以及阻容吸收元件构成的电路具有滤波特性,故电源合上时,加到晶闸管两端的du/dt值不会太大。

2)对于没有整流变压器而直接由电网供电的装置,可在交流电源输入端串接空心小电感L,进线串L抑制电压上升率如图2-14所示。00该空心小电感L与交流侧阻容吸收电路构成滤波电路,用来限制du/0dt不致太大。进线空心电感量可按下式估算:

式中 U、I——交流侧相电压、相电流;22

U——与晶闸管装置容量相等的整流变压器的短路比(阻抗电d1压);

f——频率。

3)每个桥臂串接空心小电感或在桥臂上套入磁环,电感量约为20~30μH,即可限制du/dt值。图2-14 进线串L抑制电压上升率0

晶闸管在触发导通的瞬间,如果阳极电流增大得太快(即di/dt值太大),虽然电流未超过器件的额定值,但由于管心内部J结面还在2逐渐开通的过程,将造成部分已开通的结面电流密度太大,因过热而烧焦。为此,对di/dt限制是必要的。限制电流变化率的措施与限制电压变化率相同。这里特别要指出的是,在大容量或高频的逆变电路中,若采用在桥臂串空心电感的办法,会使换相时间增长,影响电路正常工作。因此通常采用串铁氧磁环办法,因为在管子刚开通时流过小电流,磁环不饱和,限制电流上升率di/dt能力强。当流过大电流时,磁环已饱和,电感量变小,几乎不影响换相时间,能满足大容量、高频变流电路的要求。

采取合理可靠的保护措施,是晶闸管变流装置正常运行的保证。所以在选择主电路器件及其保护措施时,应全面考虑装置的可靠性和经济性。(3)晶闸管的过电压保护

晶闸管从导通到阻断和开关电路一样,因为有电感(主要是变压器漏抗L)释放能量,所以会产生过电压。晶闸管在导通期间,载流T子充满芯片内部,当关断过程中正向电流下降到零时,芯片内部仍残存着载流子,晶闸管并未恢复阻断能力。在反向电压作用下瞬时出现较大的反向电流,使内部残存的载流子迅速消失,晶闸管立即关断。这时反向电流减小的速度极快(di/dt极大),即使回路电流很小,也会产生很大的感应电动势,反而加在已恢复阻断的晶闸管两端,如图2-15a所示。这种由于晶闸管关断过程引起的过电压,称为关断过电压。其值可达工作电压峰值的5~6倍,可能会导致晶闸管的反向击穿,所以必须采取保护措施。

图2-15b所示为在单相半控桥晶闸管关断过程中,晶闸管两端出现的瞬时反向过电压尖峰(毛刺)波形。

对于这种尖峰状的瞬时过电压,常用的保护方法是在晶闸管两端并接RC吸收元件,用电容吸收抑制关断过电压如图2-16所示。利用电容两端电压瞬时不能突变的特性,吸收尖峰过电压,把电压限制在管子允许的范围内。串联电阻的作用是:①阻尼LC电路振荡。由于关断回路电感的存在,在晶闸管阻断时,L、C、R与交流电源刚好组成串联振荡电路,如不串电阻R,电容两端将会产生比电源电压高得多的振荡电压,将导致晶闸管被击穿。②限制晶闸管开通损耗与电流上升率。在晶闸管承受正向电压未导通时,电容C已充电,极性如图2-16所示。在晶闸管触发导通的瞬间,电容C迅速经晶闸管放电。若没有电阻限流,这个放电尖峰电流很大,不仅增加晶闸管开通损耗,而且使流过晶闸管的电流上升率di/dt过大,易损坏晶闸管。在并接阻容元件时,接线要尽量短,以使保护效果较好。

阻容吸收元件参数可按表2-5所提供的经验数据选取,电容耐压一般选晶闸管额定电压的1.1~1.5倍。图2-15 晶闸管关断过程过电压波形

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