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
(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 VA
U
2
—变比器二次侧相电压有效值，单位为 V
i
o
％ —变压器励磁电流百分值，10～1000 KVA的变压器其值为4～10
u
k
％ —变压器的短路电压百分值，10～1000KVA的变压器其值为5～10
)μF( %6
2
2
o
U
S
iC ××≥
)(
%
%
3.2
o
k
2
2
××≥
i
u
S
U
R
? 电容 C的交流耐压≥1.5 U
C
,U
C
为正常工作时阻容两端交流电压有效值。电阻 R的功率 P
R
的计算可根据以下经验公式估算：
(6-3)
(6-4)
式中 U
C
—正常工作时阻容两端交流电压有效值
I
C
—正常工作时阻容两端交流电流有效值对图6-2(b)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。
RIP
2
CR
)43(?≥
6
CCC
102
×= UfI π
? 图6-2(c)所示的三相电路、变压器二次侧为 Y联结，而阻容保护电路为Δ形联接。对此，可首先按式(6-l)和式(6-2)计算出Y形联接时的阻容值 R,C,然后进行 Y、
Δ联接变换，求得Δ联接时相应的阻容值，即
(6-5)
(6-6)
? 对于大容量的变换器，三相阻容保护装置可采用图6-
2(d)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。 R
C
的作用是吸收电容上的过电压能量。
Y
3RR =
Y
3
1
CC =
如图6 -2(e)所示，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
(6-7)
(6-8)
式中 k=1.5,U
d
是直流端电压。
电容器耐压 U
C
>1.6U
d
，
电阻功率是
(6-9)
)μF( 10
2
%
)1(
047.1
6-
d
do
2
×
=
U
I
f
i
k
C
π
)( )12(k
2
d
d
=
I
U
R
)W(
800800
ddd
R
IUP
P ==
(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，可把浪涌电压限制在电力电子器件允许的电压范围。现在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，它具有正、
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 I
Y
，因此抑制过压的能力强。此外，它对浪涌电压反应快，而且体积小，
是一种较好的过压保护器件。
它的主要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。
? 图6-3 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Δ形
? 图6-4 压敏电阻保护的接法
? 压敏电阻的主要参数：
①额 定 电 压 U
1mA
指漏电流为1 mA时的电压值。
②残 压 比 U
Y
／ U
1mA
U
Y
为放电电流达规定值 I
Y
时的电压。
③ 允 许的通流容量 指在规定的波形下(冲击电流前沿10μs，持续时间20μs)允许通过的浪涌电流。
? 压敏电阻选用方法：
① 额定电压为
(压敏电阻承受工作电压的峰值 ) (6-10)
② U
y
值由被保护元件的耐压值决定。
③ 通流容量应大于实际的浪诵电流。但实际浪涌电流很难计算，故一般当变压器容量大、距外线路近、无避雷器时应尽可能取大值。压敏电阻在二极管整流设备上可代替全部的阻容保护，在晶间管可控整流器上可代替交流侧、直流侧的阻容保护。总的来说，压敏电阻只能用作过压保护，不能作 du/dt保护。
×≥
)9.0~8.0(
mA1
ε
U
6.1.2 过流保护
1,引起过流的原因
? 当电力电子变换器内部某一器件击穿或短路、触发电路或控制电路发生故障、出现过载、直流侧短路、可逆传动系统产生环流或逆变失败，以及交流电源电压过高或过低、缺相等，均可引起变换器内元件的电流超过正常工作电流，即出现过流。由于电力电子器件的电流过载能力比一般电气设备差得多，因此，必须对变换器进行适当的过流保护。变换器的过流一般主要分为两类：过载过流和短路过流。
2,过 流 保护的方法
(1) 交流进线电抗器(图中的 L)，或采用漏抗大的整流变压器，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) 电流检测装置(图中的B)。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(100～
200ms)。故只有电流不大的情况这种保护才能奏效。
(3) 直流快速开关(图中的 Q
DCF
)。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。
(4) 快速熔断器(图中的 FUF)
? 快速熔断器是防止变换器过流损坏的最后一道防线。在晶闸管变换器中，快速熔断器是应用最普遍的过流保护措施，可用于交流侧、直流侧和装置主电路中。其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，但要求正常工作时，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，因为它们流过同 —个电流．因而被广泛使用。
? 图6-6 快速熔断器在电路中的接法
? 与晶闸管串联的快速熔断器的选用原则：
① 快速熔断器的额定电压应大于线路正常工作电压有效值。
② 快速熔断器熔体的额定电流 I
KR
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
(6-11)
式中 I
T(AV)
—晶闸管通态电流平均值
I
KR
—快速熔断器的熔体额定电流
I
T
—流过晶闸管的电流有效值
③ 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。
? 值得指出的是，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，再配合采用快熔，使快熔作为过流保护的最后措施。
TKRT(AV)
57.1 III ≥≥
? 1,电压上升率du／dt的限制
(1) 产生电压上升率d u／d t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d u／d t
(2) 电压上升率d u／d t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 L
T
，配合阻容吸收装置对 du/dt进行抑制。
2,电流上升率di／dt的限制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。
上述的电力电子器件桥臂串联的电感 L
k
和交流进线侧的串联进线电感 L
T
(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6-2(d)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。
6.2.4 散热器小结了解和掌握不同保护的工作原理和应用场合；
保护电路在变换器中的位置和作用；
?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
(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 VA
U
2
—变比器二次侧相电压有效值，单位为 V
i
o
％ —变压器励磁电流百分值，10～1000 KVA的变压器其值为4～10
u
k
％ —变压器的短路电压百分值，10～1000KVA的变压器其值为5～10
)μF( %6
2
2
o
U
S
iC ××≥
)(
%
%
3.2
o
k
2
2
××≥
i
u
S
U
R
? 电容 C的交流耐压≥1.5 U
C
,U
C
为正常工作时阻容两端交流电压有效值。电阻 R的功率 P
R
的计算可根据以下经验公式估算：
(6-3)
(6-4)
式中 U
C
—正常工作时阻容两端交流电压有效值
I
C
—正常工作时阻容两端交流电流有效值对图6-2(b)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。
RIP
2
CR
)43(?≥
6
CCC
102
×= UfI π
? 图6-2(c)所示的三相电路、变压器二次侧为 Y联结，而阻容保护电路为Δ形联接。对此，可首先按式(6-l)和式(6-2)计算出Y形联接时的阻容值 R,C,然后进行 Y、
Δ联接变换，求得Δ联接时相应的阻容值，即
(6-5)
(6-6)
? 对于大容量的变换器，三相阻容保护装置可采用图6-
2(d)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。 R
C
的作用是吸收电容上的过电压能量。
Y
3RR =
Y
3
1
CC =
如图6 -2(e)所示，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
(6-7)
(6-8)
式中 k=1.5,U
d
是直流端电压。
电容器耐压 U
C
>1.6U
d
，
电阻功率是
(6-9)
)μF( 10
2
%
)1(
047.1
6-
d
do
2
×
=
U
I
f
i
k
C
π
)( )12(k
2
d
d
=
I
U
R
)W(
800800
ddd
R
IUP
P ==
(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，可把浪涌电压限制在电力电子器件允许的电压范围。现在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，它具有正、
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 I
Y
，因此抑制过压的能力强。此外，它对浪涌电压反应快，而且体积小，
是一种较好的过压保护器件。
它的主要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。
? 图6-3 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Δ形
? 图6-4 压敏电阻保护的接法
? 压敏电阻的主要参数：
①额 定 电 压 U
1mA
指漏电流为1 mA时的电压值。
②残 压 比 U
Y
／ U
1mA
U
Y
为放电电流达规定值 I
Y
时的电压。
③ 允 许的通流容量 指在规定的波形下(冲击电流前沿10μs，持续时间20μs)允许通过的浪涌电流。
? 压敏电阻选用方法：
① 额定电压为
(压敏电阻承受工作电压的峰值 ) (6-10)
② U
y
值由被保护元件的耐压值决定。
③ 通流容量应大于实际的浪诵电流。但实际浪涌电流很难计算，故一般当变压器容量大、距外线路近、无避雷器时应尽可能取大值。压敏电阻在二极管整流设备上可代替全部的阻容保护，在晶间管可控整流器上可代替交流侧、直流侧的阻容保护。总的来说，压敏电阻只能用作过压保护，不能作 du/dt保护。
×≥
)9.0~8.0(
mA1
ε
U
6.1.2 过流保护
1,引起过流的原因
? 当电力电子变换器内部某一器件击穿或短路、触发电路或控制电路发生故障、出现过载、直流侧短路、可逆传动系统产生环流或逆变失败，以及交流电源电压过高或过低、缺相等，均可引起变换器内元件的电流超过正常工作电流，即出现过流。由于电力电子器件的电流过载能力比一般电气设备差得多，因此，必须对变换器进行适当的过流保护。变换器的过流一般主要分为两类：过载过流和短路过流。
2,过 流 保护的方法
(1) 交流进线电抗器(图中的 L)，或采用漏抗大的整流变压器，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) 电流检测装置(图中的B)。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(100～
200ms)。故只有电流不大的情况这种保护才能奏效。
(3) 直流快速开关(图中的 Q
DCF
)。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。
(4) 快速熔断器(图中的 FUF)
? 快速熔断器是防止变换器过流损坏的最后一道防线。在晶闸管变换器中，快速熔断器是应用最普遍的过流保护措施，可用于交流侧、直流侧和装置主电路中。其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，但要求正常工作时，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，因为它们流过同 —个电流．因而被广泛使用。
? 图6-6 快速熔断器在电路中的接法
? 与晶闸管串联的快速熔断器的选用原则：
① 快速熔断器的额定电压应大于线路正常工作电压有效值。
② 快速熔断器熔体的额定电流 I
KR
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
(6-11)
式中 I
T(AV)
—晶闸管通态电流平均值
I
KR
—快速熔断器的熔体额定电流
I
T
—流过晶闸管的电流有效值
③ 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。
? 值得指出的是，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，再配合采用快熔，使快熔作为过流保护的最后措施。
TKRT(AV)
57.1 III ≥≥
? 1,电压上升率du／dt的限制
(1) 产生电压上升率d u／d t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d u／d t
(2) 电压上升率d u／d t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 L
T
，配合阻容吸收装置对 du/dt进行抑制。
2,电流上升率di／dt的限制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。
上述的电力电子器件桥臂串联的电感 L
k
和交流进线侧的串联进线电感 L
T
(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6-2(d)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。
6.2.4 散热器小结了解和掌握不同保护的工作原理和应用场合；
保护电路在变换器中的位置和作用；
