浙江大学电气工程学院 -电力电子技术基础 -
1
第四章 主电路计算及保护
主电路形式选用
整流变压器设计计算
整流元件选择
主电路元件保护
电抗器设计
浙江大学电气工程学院 -电力电子技术基础 -
2
主要可控整流电路的技术指标
浙江大学电气工程学院 -电力电子技术基础 -
3
整流变压器参数计算
整流变压器的作用 ∶
1、起隔离作用，将变流装置产生的有害谐波与电网隔离
2、选取合适的 U2,可提高功率因数
已知,U1,Ud,Id
计算,U2,I1,I2,S1,S2,S（计算容量）
定好主电路形式 ? 设计整流变压器 ? 使 U2与 Ud相配
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4
整流变压器参数计算
m axm axm ax pDTdd UUnUUU ?????
一、次级相电压
Ud,直流平均电压
?Udmax, 换流压降
nUT,管压降
UDamx,电机端电压
Upmax,电阻上压降
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5
整流变压器参数计算
1,直流平均电压 Ud
ABU
U
U
U
UUU
d
dd
d 2
02
0
2 ?? ???
A=Ud0/U2 为 α=0时直流平均电压与次级相电压之比
B=Ud/Ud0 为 α=αmin,α=0时直流平均电压之比
ε=0.9 为电网电压波动系数
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6
整流变压器参数计算
2、最大过载电流时的换流压降 ?Udmax
dBd Ix
mU
?2??
1 0 0
%
2
2 k
B
u
I
U ???
d
dk
d I
IuA C UU m a x
2m a x 100
% ???
Uk%:变压器短路比
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7
整流变压器参数计算
3、整流元件正向压降 nUT
n— 串联元件数
UT— 元件正向压降，可查表 1— 7
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8
整流变压器参数计算
4、电动机最大端电压 UDamx ? ?
? ?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
???
?
?
?
?
?
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11
1
1
m a x
m a x
m a xm a x
d
d
aD
a
D
DDD
aDDDp
I
I
rU
R
U
IIU
RIIUU
D
aD
a U
RIr ??其中 ∶
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9
整流变压器参数计算
5、最大过载电流时其它电阻上压降 Upmax
d
d
pDpdp I
IrURIU m a x
m a xm a x
???
D
pD
p U
RIr ??
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10
整流变压器参数计算
? ?
?
?
?
?
?
?
??
??
?
?
?
?
?
???
?
???
d
dk
Ta
D
d
paD
I
Iu
CBA
nUr
I
I
rrU
U
m a x
m a x
2
1 0 0
%
1
?
? ? BAUU D?2.1~12 ?
? ? AUU D5.1~12 ?
简化公式 ∶
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11
整流变压器参数计算
二、变压器原副边电流 I1,I2
kIKI dI ?? 11
dI IIKK 11 ? 21 NNK ?
dI IKI ?? 22
dI IIK 22 ?
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12
整流变压器参数计算
三、容量
IUmS 111 ?
2222 IUmS ?
? ?2121 SSS ??
S1/S2,S1/Pd,S2/Pd,S/Pd
表示变压器的利用程度，
越接近于 1，越好
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13
整流元件的选择
一,UR,IT(AV)的计算
二、晶闸管的串联
元件电压等级不满足实际要求
正反向阻断特性不同时，通过相同电流，各元件受压大不相同
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14
整流元件的选择
均压措施 ∶
(1)、选择特性较一致的元器件
(2)、并电阻,Rj<<阻断电阻
? ?
D R M
R
j I
UR 25.0~1.0?
js
m
RjRj Rn
UKP 12
???
?
???
??
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15
整流元件的选择
瞬态均压,考虑结电容, 触发特性, 导通, 关 断时间,
加 RC阻容 (R防止 di/dt过大 )
? ?
? ? ? ? smsmR n
U
n
UU 8.3~2.2
9.0~8.0
3~2 ??
0.8~0.9：考虑电压分配不均，降压 (10~20)%使用
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16
整流元件的选择
三、晶闸管的并联
均流问题
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17
整流元件的选择
1、电阻均流
适用小容量元件并联，不能动态均流
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18
整流元件的选择
2、电感均流 动态均流作用
特点：损耗小，适合大容量元件并
联，有动态均流作用；体积
大，绕制困难
? ?
? ?
? ? ? ? p
dfb
p
T
AVT n
IK
n
II m a x5.2~7.1
9.0~8.05.1
2~5.1 ??
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19
晶闸管的保护
进行过压、过流保护的必要性
一,过电压保护
过电压类型：操作过电压：拉合闸、器件关断引起
浪涌电压：雷击等引起, 由电网进入装置
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20
晶闸管的保护
浙江大学电气工程学院 -电力电子技术基础 -
21
晶闸管的保护
浙江大学电气工程学院 -电力电子技术基础 -
22
晶闸管的保护
浙江大学电气工程学院 -电力电子技术基础 -
23
晶闸管的保护
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24
晶闸管的保护
（ 1）, 用避雷器防止雷达过电压损坏元件
（ 2）, 三相变压器星形中点通过电容接地, 或次级绕组并联电容,
以防止原边合闸而将高压耦合至副边, 也可在原副边间加
屏蔽层 （ 无电容 ） 。
三相时的情况 ∶
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25
晶闸管的保护
分布电容 C12,C20
2012
12
12 CC
Cuu
??
如 10kV/0.4kV,C12=C20
则 KVU
CC
CUU
mmm 72
1
1
2012
12
12 ????
并接 C2，则
22012
12
12 CCC
Cuu
???
分布电容数值较小，故
20122,CCC ??
得到限制 。
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26
晶闸管的保护
（ 3）, RC抑制空载原边拉闸时的过电压
i0最大时拉闸,LM储存能量为,2
0 )2(2
1 ILW
mm ?
LM储存能量全由 C吸收：
2
2
1
cmm CUW ?
（ 4）, 浪涌电压用非线性电阻进行保护
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27
晶闸管的保护
1,阻容保护
作用：
单相 三相 （ Y,△ 均可 ） 整流式
R,C的计算：
（ 1）, 单相 见 P.115
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28
晶闸管的保护
（ 2）、三相
单相
三相，次级 Y连接 次级△连接
阻容 Y △ Y △
C
R
C
R
1/3C
3R
3C
1/3R
C
R
YRR 3??
YCC 3
1?
?
（ 3）, 整流式阻容
计算式,P.116 表 4— 6
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29
晶闸管的保护
2,非线性电阻保护
主要介绍压敏电阻：
压敏电阻的伏安特性：
正常工作：漏电流小，损耗小
过压时,IY达数千安培, 击穿时动态电阻
很小, 允许浪涌电流大, 抑制过
压能力强, 时间短
接法与阻容同
主要参数 ∶ (1)额定电压,U1mA
(2) 残压比,UY/ U1mA（ 小：灵敏；大：不灵 ）
UY：放电电流达到 IY时的电压
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30
晶闸管的保护
(3) 通流容量
在规定波形下 （ 10μS（ 前沿 ）, 波长 20μS） 允许通过的浪涌 峰值电流
计算,
9.0~8.01
??
mAU
（压敏电阻承受的工作电压峰值）
ε：电压升高系数 ?9.0~8.0,1.1~05.1 允许过压系数
UY不超过元件允许电压最大值
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31
晶闸管的保护
（ 二 ）, 直流侧保护
熔断快熔, 负载能量释放, 方法与交流侧相同 。
（ 三 ）, 主电路元件保护
关断过电压
t1-t2∶ 关断时, 残存大量载流子
t2-t3∶ 反压作用，形成反向电流
载流子很快消失, dia/dt很大,
则 LBdia/dt也很大, 与电源电压顺
串反向加在元件上 。
元件两端并阻容
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32
晶闸管的保护
二, 过电流保护
原因：过载, 直流侧短路, 触发, 控制电路故障, 环流,
逆变失败
保护 ∶ （ 1）, 交流进线电抗器, 限制短路电流
（ 2）, 电流检测, 用过流信号控制触发电路或接触器
（ 3）, 直流快速开关
（ 4）、快熔
a） 交流侧电流有效值 >元件电流 b） 能保护元件 c） 仅对负短路等起作用
浙江大学电气工程学院 -电力电子技术基础 -
33
晶闸管的保护
选用原则：
（ 1）, 额定电压大于线路正常工作电压
（ 2）, 熔件额定电流 （ 有效值 ） <被保护元件对应电流有效值
>实际电流 IT
TKRAVT III ??)(57.1
（ 3）、熔断器 插入式 RTK，大容量；螺旋式 RLS，小容量
三, 电压及电流上升率限制
（一）,du/dt的限制
uAK增加, 结电容中 i 增加,i = C du/dt, 产生误导通
需加阻容限制
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34
晶闸管的保护
1,交流侧 du/dt的限制
由整流变压器 (或 LT进线电抗 )与阻容形成滤波
环节, 使过压衰减 。
2,元件换流时 du/dt的限制
换流重迭，元件电压出现换相缺口
ωt1时, VT1,du/dt过大, 误导通
ωt1时, VT4,du/dt过大, 误导通
VT1,VT4同时导通，出现换流失败
串空芯电抗 LS,利用 R,C,LS串联谐振特
性, 使元件电压波形缺口变平, 使 du/dt下降 。
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35
晶闸管的保护
（ 二 ）, di/dt的限制
电流密度过大而烧毁
产生原因,1,换流电流增长过快
2,直流侧阻容中电容过大, 电容充, 放电电流
3,元件并联的阻容在元件导通时的放电电流
4,并联元件先通者 di/dt较大
限制方法,1,加进线电抗器
2,桥臂串电感 (可限制 1,2,3引起的 di/dt)
3,采用整流式阻容保护
作业 ∶
P.128，习题 4,14
1
第四章 主电路计算及保护
主电路形式选用
整流变压器设计计算
整流元件选择
主电路元件保护
电抗器设计
浙江大学电气工程学院 -电力电子技术基础 -
2
主要可控整流电路的技术指标
浙江大学电气工程学院 -电力电子技术基础 -
3
整流变压器参数计算
整流变压器的作用 ∶
1、起隔离作用，将变流装置产生的有害谐波与电网隔离
2、选取合适的 U2,可提高功率因数
已知,U1,Ud,Id
计算,U2,I1,I2,S1,S2,S（计算容量）
定好主电路形式 ? 设计整流变压器 ? 使 U2与 Ud相配
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4
整流变压器参数计算
m axm axm ax pDTdd UUnUUU ?????
一、次级相电压
Ud,直流平均电压
?Udmax, 换流压降
nUT,管压降
UDamx,电机端电压
Upmax,电阻上压降
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整流变压器参数计算
1,直流平均电压 Ud
ABU
U
U
U
UUU
d
dd
d 2
02
0
2 ?? ???
A=Ud0/U2 为 α=0时直流平均电压与次级相电压之比
B=Ud/Ud0 为 α=αmin,α=0时直流平均电压之比
ε=0.9 为电网电压波动系数
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6
整流变压器参数计算
2、最大过载电流时的换流压降 ?Udmax
dBd Ix
mU
?2??
1 0 0
%
2
2 k
B
u
I
U ???
d
dk
d I
IuA C UU m a x
2m a x 100
% ???
Uk%:变压器短路比
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整流变压器参数计算
3、整流元件正向压降 nUT
n— 串联元件数
UT— 元件正向压降，可查表 1— 7
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8
整流变压器参数计算
4、电动机最大端电压 UDamx ? ?
? ?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
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11
1
1
m a x
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I
I
rU
R
U
IIU
RIIUU
D
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RIr ??其中 ∶
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整流变压器参数计算
5、最大过载电流时其它电阻上压降 Upmax
d
d
pDpdp I
IrURIU m a x
m a xm a x
???
D
pD
p U
RIr ??
浙江大学电气工程学院 -电力电子技术基础 -
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整流变压器参数计算
? ?
?
?
?
?
?
?
??
??
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?
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???
d
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Ta
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2
1 0 0
%
1
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? ? BAUU D?2.1~12 ?
? ? AUU D5.1~12 ?
简化公式 ∶
浙江大学电气工程学院 -电力电子技术基础 -
11
整流变压器参数计算
二、变压器原副边电流 I1,I2
kIKI dI ?? 11
dI IIKK 11 ? 21 NNK ?
dI IKI ?? 22
dI IIK 22 ?
浙江大学电气工程学院 -电力电子技术基础 -
12
整流变压器参数计算
三、容量
IUmS 111 ?
2222 IUmS ?
? ?2121 SSS ??
S1/S2,S1/Pd,S2/Pd,S/Pd
表示变压器的利用程度，
越接近于 1，越好
浙江大学电气工程学院 -电力电子技术基础 -
13
整流元件的选择
一,UR,IT(AV)的计算
二、晶闸管的串联
元件电压等级不满足实际要求
正反向阻断特性不同时，通过相同电流，各元件受压大不相同
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14
整流元件的选择
均压措施 ∶
(1)、选择特性较一致的元器件
(2)、并电阻,Rj<<阻断电阻
? ?
D R M
R
j I
UR 25.0~1.0?
js
m
RjRj Rn
UKP 12
???
?
???
??
浙江大学电气工程学院 -电力电子技术基础 -
15
整流元件的选择
瞬态均压,考虑结电容, 触发特性, 导通, 关 断时间,
加 RC阻容 (R防止 di/dt过大 )
? ?
? ? ? ? smsmR n
U
n
UU 8.3~2.2
9.0~8.0
3~2 ??
0.8~0.9：考虑电压分配不均，降压 (10~20)%使用
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16
整流元件的选择
三、晶闸管的并联
均流问题
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整流元件的选择
1、电阻均流
适用小容量元件并联，不能动态均流
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18
整流元件的选择
2、电感均流 动态均流作用
特点：损耗小，适合大容量元件并
联，有动态均流作用；体积
大，绕制困难
? ?
? ?
? ? ? ? p
dfb
p
T
AVT n
IK
n
II m a x5.2~7.1
9.0~8.05.1
2~5.1 ??
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晶闸管的保护
进行过压、过流保护的必要性
一,过电压保护
过电压类型：操作过电压：拉合闸、器件关断引起
浪涌电压：雷击等引起, 由电网进入装置
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20
晶闸管的保护
浙江大学电气工程学院 -电力电子技术基础 -
21
晶闸管的保护
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22
晶闸管的保护
浙江大学电气工程学院 -电力电子技术基础 -
23
晶闸管的保护
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24
晶闸管的保护
（ 1）, 用避雷器防止雷达过电压损坏元件
（ 2）, 三相变压器星形中点通过电容接地, 或次级绕组并联电容,
以防止原边合闸而将高压耦合至副边, 也可在原副边间加
屏蔽层 （ 无电容 ） 。
三相时的情况 ∶
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25
晶闸管的保护
分布电容 C12,C20
2012
12
12 CC
Cuu
??
如 10kV/0.4kV,C12=C20
则 KVU
CC
CUU
mmm 72
1
1
2012
12
12 ????
并接 C2，则
22012
12
12 CCC
Cuu
???
分布电容数值较小，故
20122,CCC ??
得到限制 。
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26
晶闸管的保护
（ 3）, RC抑制空载原边拉闸时的过电压
i0最大时拉闸,LM储存能量为,2
0 )2(2
1 ILW
mm ?
LM储存能量全由 C吸收：
2
2
1
cmm CUW ?
（ 4）, 浪涌电压用非线性电阻进行保护
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晶闸管的保护
1,阻容保护
作用：
单相 三相 （ Y,△ 均可 ） 整流式
R,C的计算：
（ 1）, 单相 见 P.115
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28
晶闸管的保护
（ 2）、三相
单相
三相，次级 Y连接 次级△连接
阻容 Y △ Y △
C
R
C
R
1/3C
3R
3C
1/3R
C
R
YRR 3??
YCC 3
1?
?
（ 3）, 整流式阻容
计算式,P.116 表 4— 6
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29
晶闸管的保护
2,非线性电阻保护
主要介绍压敏电阻：
压敏电阻的伏安特性：
正常工作：漏电流小，损耗小
过压时,IY达数千安培, 击穿时动态电阻
很小, 允许浪涌电流大, 抑制过
压能力强, 时间短
接法与阻容同
主要参数 ∶ (1)额定电压,U1mA
(2) 残压比,UY/ U1mA（ 小：灵敏；大：不灵 ）
UY：放电电流达到 IY时的电压
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30
晶闸管的保护
(3) 通流容量
在规定波形下 （ 10μS（ 前沿 ）, 波长 20μS） 允许通过的浪涌 峰值电流
计算,
9.0~8.01
??
mAU
（压敏电阻承受的工作电压峰值）
ε：电压升高系数 ?9.0~8.0,1.1~05.1 允许过压系数
UY不超过元件允许电压最大值
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31
晶闸管的保护
（ 二 ）, 直流侧保护
熔断快熔, 负载能量释放, 方法与交流侧相同 。
（ 三 ）, 主电路元件保护
关断过电压
t1-t2∶ 关断时, 残存大量载流子
t2-t3∶ 反压作用，形成反向电流
载流子很快消失, dia/dt很大,
则 LBdia/dt也很大, 与电源电压顺
串反向加在元件上 。
元件两端并阻容
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32
晶闸管的保护
二, 过电流保护
原因：过载, 直流侧短路, 触发, 控制电路故障, 环流,
逆变失败
保护 ∶ （ 1）, 交流进线电抗器, 限制短路电流
（ 2）, 电流检测, 用过流信号控制触发电路或接触器
（ 3）, 直流快速开关
（ 4）、快熔
a） 交流侧电流有效值 >元件电流 b） 能保护元件 c） 仅对负短路等起作用
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33
晶闸管的保护
选用原则：
（ 1）, 额定电压大于线路正常工作电压
（ 2）, 熔件额定电流 （ 有效值 ） <被保护元件对应电流有效值
>实际电流 IT
TKRAVT III ??)(57.1
（ 3）、熔断器 插入式 RTK，大容量；螺旋式 RLS，小容量
三, 电压及电流上升率限制
（一）,du/dt的限制
uAK增加, 结电容中 i 增加,i = C du/dt, 产生误导通
需加阻容限制
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34
晶闸管的保护
1,交流侧 du/dt的限制
由整流变压器 (或 LT进线电抗 )与阻容形成滤波
环节, 使过压衰减 。
2,元件换流时 du/dt的限制
换流重迭，元件电压出现换相缺口
ωt1时, VT1,du/dt过大, 误导通
ωt1时, VT4,du/dt过大, 误导通
VT1,VT4同时导通，出现换流失败
串空芯电抗 LS,利用 R,C,LS串联谐振特
性, 使元件电压波形缺口变平, 使 du/dt下降 。
浙江大学电气工程学院 -电力电子技术基础 -
35
晶闸管的保护
（ 二 ）, di/dt的限制
电流密度过大而烧毁
产生原因,1,换流电流增长过快
2,直流侧阻容中电容过大, 电容充, 放电电流
3,元件并联的阻容在元件导通时的放电电流
4,并联元件先通者 di/dt较大
限制方法,1,加进线电抗器
2,桥臂串电感 (可限制 1,2,3引起的 di/dt)
3,采用整流式阻容保护
作业 ∶
P.128，习题 4,14
