电力电子变流装置的控制和保护电路

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。
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（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。
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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 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。
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图7.4 压敏电阻的伏安特性
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。
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四、晶闸管的门极保护
图7.6 阻容过电压保护的接法
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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。
VD
C
R
iC
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。
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。
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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。
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（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。
VD1
R
VD
VD
VD2
c
d
e
f
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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。
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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。
第7章 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 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 7.4 IGBT的驱动电路 7.5 电力电子变流装置的缓冲电路
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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。
交流断路器
变压器 电流互感器
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。
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
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皮肌炎图片——皮肌炎的症状表现
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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。 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
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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。
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第7章 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 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 7.4 IGBT的驱动电路 7.5 电力电子变流装置的缓冲电路
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图7.7 RCD过电压吸收电路
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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。
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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。
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5ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
（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。
同时采用几种过电流保护措施，提高可靠性和合理性。
快速熔断器
变流器 直流快速断路器 负载
过电流 继电器
短路器
电流检测 开关电路
触发电路
动作电流 整定值
电子保护电路
图7.1 过电流保护措施及其配置位置
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（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。
快熔对器件的保护方式：全保护和短路保护两种。
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。 短路保护：快熔只在短路电流较大的区域起保护 作用。
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。
R
了关断时间。
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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
C
开通时间增加。
(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。