第7章-电力电子变流装置的控制和保护电路课件

7.1 晶闸管变流装置的保护电路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晶闸管变流装置的触发电路7.3 电力晶体管的驱动电路电力晶体管的驱动电路7.4 IGBT的驱动电路的驱动电路7.5 电力电子变流装置的缓冲电路电力电子变流装置的缓冲电路第第第第7 7章章章章 电力电子变流装置的控制和保护电路电力电子变流装置的控制和保护电路电力电子变流装置的控制和保护电路电力电子变流装置的控制和保护电路7.1 晶闸管变流装置的保护电路第7章 电力电子变流装一、一、晶闸管变流装置的过电流保护晶闸管变流装置的过电流保护过电流过电流过电流过电流过载过载过载过载和和和和短路短路短路短路两种情况。两种情况。两种情况。两种情况。负载触发电路开关电路过电流过电流继电器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快速熔断器变流器直流快速断路器直流快速断路器电流互感器变压器图图图图7.1 7.1 过电流保护措施及其配置位置过电流保护措施及其配置位置过电流保护措施及其配置位置过电流保护措施及其配置位置一、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。（1）快速熔断器保护快速熔断器保护 快速熔断器简称快熔，是电控装置中最普遍使用快速熔断器简称快熔，是电控装置中最普遍使用快速熔断器简称快熔，是电控装置中最普遍使用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。的一种短路保护电器。的一种短路保护电器。的一种短路保护电器。全保护：过载、短路均由快熔进行保护，适用于全保护：过载、短路均由快熔进行保护，适用于全保护：过载、短路均由快熔进行保护，适用于全保护：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。小功率装置或器件裕度较大的场合。小功率装置或器件裕度较大的场合。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：快熔对器件的保护方式：快熔对器件的保护方式：快熔对器件的保护方式：全保护全保护全保护全保护和和和和短路保护短路保护短路保护短路保护两种。两种。两种。两种。短路保护：快熔只在短路电流较大的区域起保护短路保护：快熔只在短路电流较大的区域起保护短路保护：快熔只在短路电流较大的区域起保护短路保护：快熔只在短路电流较大的区域起保护 作用。作用。作用。作用。（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（2）直流快速断路器和过流继电器保护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断路器亦称为直流快速断路器亦称为直流快速断路器亦称为直流快速开关直流快速开关直流快速开关直流快速开关。对于大、中容量的设备及经常逆变时，可用直流对于大、中容量的设备及经常逆变时，可用直流对于大、中容量的设备及经常逆变时，可用直流对于大、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。快速自动开关作直流侧过载或短路保护。快速自动开关作直流侧过载或短路保护。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，要求快速开关比当出现严重过载或短路电流时，要求快速开关比当出现严重过载或短路电流时，要求快速开关比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。快熔先动作，尽量避免快速熔断。快熔先动作，尽量避免快速熔断。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。过流继电器有直流和交流两种。过流继电器有直流和交流两种。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可以在过电流时动作，其整定值必须与晶闸管串可以在过电流时动作，其整定值必须与晶闸管串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。联的快速熔断器的过载特性相适应。联的快速熔断器的过载特性相适应。联的快速熔断器的过载特性相适应。（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（3 3）利用引入电流检测的电子保护电路作过电流保护利用引入电流检测的电子保护电路作过电流保护利用引入电流检测的电子保护电路作过电流保护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在交流侧设置电流检测装置，利用过电流信号去控制在交流侧设置电流检测装置，利用过电流信号去控制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，触发器，使触发脉冲快速后移或瞬时停止使晶闸管关断，触发器，使触发脉冲快速后移或瞬时停止使晶闸管关断，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，停发脉冲后会造从而抑制了过电流。但在可逆系统中，停发脉冲后会造从而抑制了过电流。但在可逆系统中，停发脉冲后会造从而抑制了过电流。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。成逆变失败，因此多采用脉冲快速后移的方法。成逆变失败，因此多采用脉冲快速后移的方法。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电子电路作为第一保护措施，快熔仅作为短路时的部分电子电路作为第一保护措施，快熔仅作为短路时的部分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区段的保护，直流快速断路器整定在电子电路动作之后实区段的保护，直流快速断路器整定在电子电路动作之后实区段的保护，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。现保护，过电流继电器整定在过载时动作。现保护，过电流继电器整定在过载时动作。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。同时采用几种过电流保护措施，提高可靠性和合理性。同时采用几种过电流保护措施，提高可靠性和合理性。同时采用几种过电流保护措施，提高可靠性和合理性。（3）利用引入电流检测的电子保护电路作过电流保护 在交流侧设二、二、二、二、晶闸管的过电压保护晶闸管的过电压保护晶闸管的过电压保护晶闸管的过电压保护电力电子装置可能的过电压电力电子装置可能的过电压电力电子装置可能的过电压电力电子装置可能的过电压外因过电压外因过电压外因过电压外因过电压和和和和内因过电压内因过电压内因过电压内因过电压。外因过电压：主要来自雷击和系统操作过程等外因。外因过电压：主要来自雷击和系统操作过程等外因。外因过电压：主要来自雷击和系统操作过程等外因。外因过电压：主要来自雷击和系统操作过程等外因。1 1）雷击过电压雷击过电压雷击过电压雷击过电压：由雷击引起。：由雷击引起。：由雷击引起。：由雷击引起。2 2）静电感应过电压静电感应过电压静电感应过电压静电感应过电压：由整流变压器的分布电容引起。：由整流变压器的分布电容引起。：由整流变压器的分布电容引起。：由整流变压器的分布电容引起。3 3）操作过电压操作过电压操作过电压操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起。：由分闸、合闸等开关操作引起。：由分闸、合闸等开关操作引起。：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。内因过电压：主要来自电力电子装置内部器件的开关过程。内因过电压：主要来自电力电子装置内部器件的开关过程。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 1）换相过电压换相过电压换相过电压换相过电压：晶闸管在换相结束后，反向电流急剧减小，：晶闸管在换相结束后，反向电流急剧减小，：晶闸管在换相结束后，反向电流急剧减小，：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。会由线路电感在器件两端感应出过电压。会由线路电感在器件两端感应出过电压。会由线路电感在器件两端感应出过电压。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（2 2）晶闸管变流装置运行过电压保护措施晶闸管变流装置运行过电压保护措施晶闸管变流装置运行过电压保护措施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、直流侧保护按过电压保护的部位来分，有交流侧保护、直流侧保护按过电压保护的部位来分，有交流侧保护、直流侧保护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。和器件保护等几部分。和器件保护等几部分。和器件保护等几部分。（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1 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。避雷器保护：在变压器高压侧装避雷器来限制雷击过电压。避雷器保护：在变压器高压侧装避雷器来限制雷击过电压。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 2）利用非线性过电压保护元件保护利用非线性过电压保护元件保护利用非线性过电压保护元件保护利用非线性过电压保护元件保护图图图图7.4 7.4 压敏电阻的伏安特性压敏电阻的伏安特性压敏电阻的伏安特性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、硒堆和转折二极管采用雪崩二极管、金属氧化物压敏电阻、硒堆和转折二极管采用雪崩二极管、金属氧化物压敏电阻、硒堆和转折二极管采用雪崩二极管、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。电阻应用最普遍。电阻应用最普遍。电阻应用最普遍。金属氧化物压敏电阻是由氧化锌、金属氧化物压敏电阻是由氧化锌、金属氧化物压敏电阻是由氧化锌、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氧化铋等烧结制成的非线性电阻氧化铋等烧结制成的非线性电阻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元件，具有正反向都很陡的伏安元件，具有正反向都很陡的伏安元件，具有正反向都很陡的伏安 特性。特性。特性。特性。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）正常工作时，漏电流仅是微安级，故损耗小；当浪涌电压正常工作时，漏电流仅是微安级，故损耗小；当浪涌电压正常工作时，漏电流仅是微安级，故损耗小；当浪涌电压正常工作时，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，抑来到时，反应快，可通过数千安培的放电电流。因此，抑来到时，反应快，可通过数千安培的放电电流。因此，抑来到时，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。制过电压的能力强。制过电压的能力强。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。它还有体积小、价格便宜等优点，是一种较理想的保护元件。它还有体积小、价格便宜等优点，是一种较理想的保护元件。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压敏电阻的主要缺点是持续的平均功率太小压敏电阻的主要缺点是持续的平均功率太小压敏电阻的主要缺点是持续的平均功率太小(仅数瓦仅数瓦仅数瓦仅数瓦)，如果，如果，如果，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。损坏，因此不宜应用于那些频繁出现过电压的场合。损坏，因此不宜应用于那些频繁出现过电压的场合。损坏，因此不宜应用于那些频繁出现过电压的场合。正常工作时，漏电流仅是微安级，故损耗小；当浪涌电压 压敏电3 3）利用储能元件保护利用储能元件保护利用储能元件保护利用储能元件保护 利用储能元件吸收产生过电压的能量实现过电压保护。利用储能元件吸收产生过电压的能量实现过电压保护。利用储能元件吸收产生过电压的能量实现过电压保护。利用储能元件吸收产生过电压的能量实现过电压保护。图图图图7.6 7.6 阻容过电压保护的接法阻容过电压保护的接法阻容过电压保护的接法阻容过电压保护的接法 电容电容电容电容C C是最常用的过压保护元件。是最常用的过压保护元件。是最常用的过压保护元件。是最常用的过压保护元件。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图图图图7.6 7.6 阻容过电压保护的接法阻容过电压保护的接法阻容过电压保护的接法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，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，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，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 C值越大，抑制效果越好。值越大，抑制效果越好。值越大，抑制效果越好。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，抑制串联电阻的目的是消耗部分产生过电压的能量，抑制串联电阻的目的是消耗部分产生过电压的能量，抑制串联电阻的目的是消耗部分产生过电压的能量，抑制LCLC回回回回 路的振荡。路的振荡。路的振荡。路的振荡。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图图图图7.7 RCD7.7 RCD过电压吸收电路过电压吸收电路过电压吸收电路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，最常用对于晶闸管关断过程中产生的尖峰状瞬时过电压，最常用对于晶闸管关断过程中产生的尖峰状瞬时过电压，最常用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。的方法是在晶闸管两端并联阻容保护电路。的方法是在晶闸管两端并联阻容保护电路。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，变压器电流可通过加上阻容后，当晶闸管关断时，变压器电流可通过加上阻容后，当晶闸管关断时，变压器电流可通过加上阻容后，当晶闸管关断时，变压器电流可通过RCRC续流，续流，续流，续流，减小减小减小减小d di i/d/dt t，从而抑制了过电压。，从而抑制了过电压。，从而抑制了过电压。，从而抑制了过电压。串联电阻的作用：串联电阻的作用：串联电阻的作用：串联电阻的作用：抑制抑制抑制抑制LCLC电路振荡。电路振荡。电路振荡。电路振荡。限制晶闸管开通损耗与电流上升率。限制晶闸管开通损耗与电流上升率。限制晶闸管开通损耗与电流上升率。限制晶闸管开通损耗与电流上升率。图7.7 RCD过电压吸收电路对于晶闸管关断过程中产生的尖峰4 4）利用引入电压检测的电子保护电路作过电压保护利用引入电压检测的电子保护电路作过电压保护利用引入电压检测的电子保护电路作过电压保护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。其这是电力电子装置常采用的过电压保护方法。其这是电力电子装置常采用的过电压保护方法。其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与利用电流检测的电子保护电路作过电流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与利用电流检测的电子保护电路作过电流保护原理类似。保护原理类似。保护原理类似。保护原理类似。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三、三、三、三、限制晶闸管的限制晶闸管的限制晶闸管的限制晶闸管的d du u/d/dt t和和和和d di i/d/dt t保护保护保护保护1.限制限制限制限制d du u/d/dt t保护措施保护措施保护措施保护措施 晶闸管在阻断状态下存在结电容。当加在晶闸管上的正向晶闸管在阻断状态下存在结电容。当加在晶闸管上的正向晶闸管在阻断状态下存在结电容。当加在晶闸管上的正向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电压上升率电压上升率电压上升率d du u/d/dt t较大时，结电容充电电流起到触发电流的作较大时，结电容充电电流起到触发电流的作较大时，结电容充电电流起到触发电流的作较大时，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，必须采取措用，使晶闸管误导通，造成装置的失控。因此，必须采取措用，使晶闸管误导通，造成装置的失控。因此，必须采取措用，使晶闸管误导通，造成装置的失控。因此，必须采取措施抑制施抑制施抑制施抑制d du u/d/dt t。产生产生产生产生d du u/d/dt t过大的原因：过大的原因：过大的原因：过大的原因：1 1）由电网侵入的过电压。）由电网侵入的过电压。）由电网侵入的过电压。）由电网侵入的过电压。2 2）晶闸管换相引起。）晶闸管换相引起。）晶闸管换相引起。）晶闸管换相引起。限制限制限制限制d du u/d/dt t过大的主要措施也是在晶闸管两端并联一个过大的主要措施也是在晶闸管两端并联一个过大的主要措施也是在晶闸管两端并联一个过大的主要措施也是在晶闸管两端并联一个RCRC或或或或RCDRCD吸收电路。吸收电路。吸收电路。吸收电路。三、限制晶闸管的du/dt和di/dt保护限制du/dt保护2.限制限制限制限制d di i/d/dt t保护措施保护措施保护措施保护措施 晶闸管在导通瞬间，电流集中在门极附近，随着时间的晶闸管在导通瞬间，电流集中在门极附近，随着时间的晶闸管在导通瞬间，电流集中在门极附近，随着时间的晶闸管在导通瞬间，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。在此过推移导通区才逐渐扩大，直到整个结面导通为止。在此过推移导通区才逐渐扩大，直到整个结面导通为止。在此过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，电流上升率程中，电流上升率程中，电流上升率程中，电流上升率d di i/d/dt t应限制在通态电流临界上升率以内，应限制在通态电流临界上升率以内，应限制在通态电流临界上升率以内，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。否则将导致门极附近过热，损坏晶闸管。否则将导致门极附近过热，损坏晶闸管。否则将导致门极附近过热，损坏晶闸管。产生产生产生产生d di i/d/dt t过大的原因：过大的原因：过大的原因：过大的原因：1 1）晶闸管导通时，与晶闸管并联的阻容保护中的电容突然）晶闸管导通时，与晶闸管并联的阻容保护中的电容突然）晶闸管导通时，与晶闸管并联的阻容保护中的电容突然）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。向晶闸管放电。向晶闸管放电。向晶闸管放电。2 2）交流电源通过晶闸管向直流侧保护电容充电。）交流电源通过晶闸管向直流侧保护电容充电。）交流电源通过晶闸管向直流侧保护电容充电。）交流电源通过晶闸管向直流侧保护电容充电。3 3）直流侧负载突然短路。）直流侧负载突然短路。）直流侧负载突然短路。）直流侧负载突然短路。限制限制限制限制d di i/d/dt t过大，除了在阻容保护中选择合适的电阻，可在过大，除了在阻容保护中选择合适的电阻，可在过大，除了在阻容保护中选择合适的电阻，可在过大，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。每个桥臂上与晶闸管串联一个小电感。每个桥臂上与晶闸管串联一个小电感。每个桥臂上与晶闸管串联一个小电感。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四、四、四、四、晶闸管的门极保护晶闸管的门极保护晶闸管的门极保护晶闸管的门极保护 在主电路和触发电路，一些瞬变电压也可能通过分布电容在主电路和触发电路，一些瞬变电压也可能通过分布电容在主电路和触发电路，一些瞬变电压也可能通过分布电容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。或空间传播进入门极电路。或空间传播进入门极电路。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）的损晶闸管门极保护除了防止本身免遭过电压（过电流）的损晶闸管门极保护除了防止本身免遭过电压（过电流）的损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。坏外，还要防止门极受干扰的影响而使晶闸管误触发导通。坏外，还要防止门极受干扰的影响而使晶闸管误触发导通。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。门极保护一般用电阻、电容、二极管等元件组成。门极保护一般用电阻、电容、二极管等元件组成。门极保护一般用电阻、电容、二极管等元件组成。门极与阴极间电阻门极与阴极间电阻门极与阴极间电阻门极与阴极间电阻R R降低了门极与降低了门极与降低了门极与降低了门极与阴极间电阻，降低了门极灵敏度，从阴极间电阻，降低了门极灵敏度，从阴极间电阻，降低了门极灵敏度，从阴极间电阻，降低了门极灵敏度，从而增加了元件承受而增加了元件承受而增加了元件承受而增加了元件承受d du u/d/dt t的能力并减少的能力并减少的能力并减少的能力并减少了关断时间。了关断时间。了关断时间。了关断时间。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精品课件精品课件！精品课件！精品课件精品课件！精品课件！电容电容电容电容C C紧接于门极与阴极之间，可防止干扰紧接于门极与阴极之间，可防止干扰紧接于门极与阴极之间，可防止干扰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，有助于提的误触发，对高频噪声起旁路作用，有助于提的误触发，对高频噪声起旁路作用，有助于提的误触发，对高频噪声起旁路作用，有助于提高元件件承受高元件件承受高元件件承受高元件件承受d du u/d/dt t的能力，但同时关断时间和的能力，但同时关断时间和的能力，但同时关断时间和的能力，但同时关断时间和开通时间增加。开通时间增加。开通时间增加。开通时间增加。(c)(f)(c)(f)中，二极管中，二极管中，二极管中，二极管VDVD为门极反向过电压保护；为门极反向过电压保护；为门极反向过电压保护；为门极反向过电压保护；VDVD1 1的作用的作用的作用的作用只允许正电压加到门极，阻断反电压；只允许正电压加到门极，阻断反电压；只允许正电压加到门极，阻断反电压；只允许正电压加到门极，阻断反电压；R R为限流电阻；稳压为限流电阻；稳压为限流电阻；稳压为限流电阻；稳压管管管管VDVD2 2为门极正、反电压限幅保护。为门极正、反电压限幅保护。为门极正、反电压限幅保护。为门极正、反电压限幅保护。电容C紧接于门极与阴极之间，可防止干扰(c)(f)中，