電力電子裝置的保護方式
正文
電力電子裝置受所用器件性能的影響，承受過電壓、過電流的能力比較差(例如電動機、變壓器等,通常可在幾倍的額定電流下工作幾秒鐘或幾分鐘，而在同樣條件下電力電子器件只要0.1秒或更短的時間就已損壞)。為了提高電力電子裝置的可靠性，除了設計時合理選擇電力電子器件的電流、電壓容量外，還需採取與一般電工設備不同的一些保護措施，以防止電力電子器件的過電流、過電壓損壞。此外，某些電力電子裝置還對環境條件(如溫度、冷卻水壓力、風速等)有特定的要求，因而需對這些環境條件進行監測，在環境條件越限時進行報警或者停機，保證電力電子器件的可靠運行。過流保護 過載電流流過電力電子器件時會使器件溫度迅速上升，如不及時切斷或限制過電流，很快就會使器件因溫度過高而損壞。過載電流越大，器件能承受過電流的時間越短。晶閘管能夠承受過電流的時間與過電流大小之間的關係如圖1所示，
圖中λ=I
/πI
，I為過電流最大值，I為晶閘管額定電流。電力電子裝置的過電流保護問題主要是其器件的過電流保護。圖中電力電子裝置產生過電流的原因主要有：①負載變化，包括負載大小的變化和負載性質（阻性、感性、容性、線性、非線性等）的變化。②負載短路。③電源異常。④控制電路故障導致裝置工作失常。⑤干擾信號的侵入引起電力電子裝置誤動作。⑥某隻電力電子器件損壞導致其他器件的過電流等。常用的過電流保護措施有以下5種。 採用快速熔斷器 快速熔斷器是一種最簡單有效的過電流保護器件,常與電力電子器件直接串聯。圖2
為三相整流電路採用的快速熔斷器。它在裝置中用作晶閘管過電流保護。在過電流時，快速熔斷器必須在晶閘管損壞以前熔斷，才能起保護作用。普通熔斷器因熔斷時間較長，不能用於電力電子器件的過電流保護。快速熔斷器用一定形狀的銀質或鋁質熔絲，周圍充以石英砂，在過電流流過時，其熔斷時間通常在20毫秒以內。 選用快速熔斷器時應合理選取熔斷器的額定電壓和額定電流，並注意熔斷時間和被保護的電力電子器件所能承受過流時間的配合，以保證過電流發生時，熔斷器在電力電子器件過電流損壞之前切斷過電流。
電力電子裝置一般都同時採用幾種過電流保護措施。快速熔斷器價格較高，更換也麻煩，常常是作為過流保護的最後一道措施。在過電流發生時，應儘量讓別的保護措施先奏效，避免直接燒快速熔斷器。
快速熔斷器常用於工頻整流電路中用以保護整流二極體和晶閘管。對於其他電力電子器件，例如快速晶閘管、高頻晶閘管、大功率電晶體、功率場效應電晶體等，快速熔斷器的熔斷時間仍顯得太長，一般不能直接採用快速熔斷器來進行過電流保護。
設定交流斷路器 交流斷路器設定在變流電路交流電源端，當發生短路或電流超過預定值時，交流斷路器動作,使變流電路與交流電源脫離,實現過電流保護。通常交流斷路器動作時間較長，均為0.1～0.2秒。它的主要作用是切斷變流電路與交流電源的聯接，防止故障電流進一步擴大。
安裝快速直流開關 開關動作時間約在10～20毫秒之間，可以起到保護晶閘管等元件而快速熔斷器又不至於熔斷的作用。常用於中、大容量的電力電子裝置，安裝在變流電路直流端，切斷故障時的直流電源。
加設快速短路器 快速短路器動作時間約為2～3毫秒。在過電流發生時，可使電源變壓器經快速短路器直接短路，防止電流再進入電力電子裝置，從而保護電力電子器件和快速熔斷器。
採用電子電路作為過電流檢測和保護 首先由檢測電路檢測電力電子裝置主電路某處的過電流信號。此信號經放大、識別和處理後，再去控制電力電子裝置的控制電路或附加在主電路上的保護電路，以抑制電力電子器件的過電流。利用電子電路作為過電流檢測和保護的優點是反應速度快；電路的設計、安裝比較靈活；過電流信號可從主電路各不同部位的電流中選取，抑制過電流可以利用主電路本身的控制能力進行負反饋控制，也可控制主電路中附加的保護器件或電路；過流保護動作以後，不需更換任何元件就可重新投入工作。所以，這種過電流保護法常常取得較好的效果，但必須在電力電子裝置中被控制的元器件完好時才能起作用。若裝置中的某些電力電子器件已經損壞，則這種保護方法就不再有效。所以一般仍需同時採用快速熔斷器等其他保護方法。
交流電流檢測常採用電流互感器(見互感器)取信號，直流電流檢測常採用取樣電阻或直流電流互感器。霍耳元件和磁敏電阻等新型器件實用化以後亦開始套用於交直流電流信號的檢測。套用模擬電子技術和數字電子技術可方便地對信號進行識別、放大和處理。微處理器和微型計算機的套用則為多點採樣和信號的綜合處理提供了極為有力的工具。
根據檢測到的過流信號，抑制主電路的過電流可以有以下一些方法：①對於大功率電晶體、功率場效應管等器件，通常採用切除控制極驅動信號的方式將器件關斷以切斷主電流。②對於可關斷晶閘管 (GTO)可採用在控制極加負脈衝的方法將GTO關斷。但GTO關斷過電流的能力有限。 如果過電流較大,門極負脈衝不但不能關斷GTO，反而加速GTO的損壞，所以有時並不採用這種方法。③對於一般晶閘管，由於器件本身無關斷能力，必須採用其他措施來抑制器件的過電流。例如可採用電流負反饋的方法防止電流的上升。強烈的電流負反饋具有截流特性，可將電流強迫限止於某值以下。④可控整流常採用整流電路工作於逆變工作狀態，從而很快抑制過電流。⑤採用分流方法將過電流引向專門設定的旁路保護電路，而避免電力電子器件的損壞。
過電壓保護 電力電子裝置中出現的過電壓按原因可分為外部過電壓和內部過電壓兩類。前者主要來自雷擊，電網變壓器等的開關操作過程以及負載的切換等；後者主要來自裝置內部電力電子器件周期性的換流過程，內部電路的故障，電干擾引起的電路誤動作，以及保護電路動作時電流電壓突然變化等。常用的過電壓保護措施有以下3種。
採用阻容吸收電路 阻容吸收電路又稱緩衝電路。由電容和電阻串聯而成，利用電容來吸收尖峰狀態的過電壓，利用與電容串聯的電阻消耗過電壓的能量，從而抑制電路的振盪。電力電子裝置中許多地方都可採用阻容吸收電路。
例如圖3a為接在三相電源線上的阻容吸收電路，它可抑制由於雷擊或電網變壓器接通與開斷引起的過電壓。圖3b的阻容吸收電路可抑制由晶閘管載流子積累效應引起的換流過電壓。電阻電容參數可根據不同情況下相應的公式計算並結合實際電路和器件的情況選取。 選用非線性電阻器件 利用它們接近於穩壓管的伏安特性和擊穿後其特性可自動恢復的特點，實現電力電子裝置的過電壓保護。常用的器件有以下兩種：①硒堆過電壓抑制器：硒堆由硒片按同一方向串聯而成。當硒堆上加以正向電壓時,硒堆導通；當加上反向電壓時,硒堆不導通，漏電流很小。但當反向電壓超過某一值Um時，流過硒堆的反向電流急劇上升，Um為硒堆擊穿電壓（圖4）。
將硒堆與電力電子器件並聯,當晶閘管正向電壓UT大於Um時,硒堆擊穿,晶閘管端電壓不會超過Um ,Um的大小可以通過改變硒堆中硒片的數目來改變。②壓敏電阻：金屬氧化物壓敏電阻是由氧化鋅、氧化鉍等材料燒結而成的非線性元件。壓敏電阻具有正、反向對稱的伏安特性，類似於二隻矽堆反向串聯的特性，惟其伏安特性曲線更陡。壓敏電阻體積小，反應速度快，擊穿時允許流過的瞬時過電流值大，所以70年代以來套用較多。壓敏電阻主要特性參數有標稱電壓、殘壓和允許通流容量。使用時應根據實際電路情況合理選取。壓敏電阻額定持續功率小，長時間的過壓會導致壓敏電阻損壞；當放電電流流過壓敏電阻時，電阻兩端電壓（即殘壓）較高，壓敏電阻分布電容較大，高頻工作時易發熱。這些在使用中都應加以注意。 採用電子電路作為過電壓檢測和保護 電壓信號的檢測常採用電壓互感器（見互感器）、分壓器等採集電壓信號。套用模擬電子技術和數字電子技術可方便地對信號進行識別、放大和處理。微處理器和微型計算機的套用為多點採樣和信號的綜合處理（包括過電流信號）提供了極為有力的工具。
保護電路根據檢測到的過電壓信號進行過電壓保護的主要方法有3 種：①採用電壓負反饋的方法防止電壓上升。強烈的電壓負反饋具有截壓特性，可將某處電壓限制於一定值以下。②當電力電子器件上可能出現過電壓時,通過控制電路將該器件置於導通狀態,從而消除其過電壓損壞的危險。若器件導通後可能出現過電流，則應同時採用過電流保護措施。③控制附加的過電壓泄放電路動作，使過電壓通過泄放電路泄放，從而避免器件過壓損壞。
故障檢測 對電力電子裝置主電路和控制電路中一些關鍵部位的重要參數進行檢測，以及時發現裝置發生的故障,並自動或人為地進行操作控制,實現對電力電子裝置的保護。故障檢測系統常常採用測量儀表、模擬電子電路和數字電子電路。隨著電力電子技術的發展，裝置的複雜程度越來越高，要求的可靠性也越來越高。微處理器和微型計算機能實現多點採樣，並且具有對數據進行運算、分析、判斷的能力，套用於故障檢測系統可大大增強故障檢測系統的功能。
當電力電子裝置發生故障時，甚至電力電子裝置因故障而停機後,為了向操作和維修人員提供故障信息(故障部位、故障原因、故障性質等),故障顯示系統應能將故障信息保留下來並通過某種顯示告訴操作人員，便於排除故障和維修。常用的故障顯示採用各種指針式儀表和指示燈、發光二極體、蜂鳴器等聲光元件，亦可採用記錄儀表、數字顯示裝置、存儲器、印表機、螢幕顯示裝置等。
