过流保护电路

过流保护电路（共7篇）

过流保护电路 篇1

0 引言

IGBT既具有功率MOSFET的高速开关及电压驱动特性,又具有巨型晶体管(GTR)的低饱和电压特性及易实现较大电流的能力,广泛应用于电机调速、UPS、开关电源等领域。

在IGBT的应用中,过流保护是其中的一项关键技术。过流保护电路不仅关系到IGBT本身的工作性能和运行安全,也影响到整个系统的性能及安全。可以说,过流保护电路的设计水平在很大程度上决定了系统整体设计的成败。

本研究针对IGBT不同的应用场合及多种过流情况分别设计过流保护电路,并对保护电路进行测试。

1 IGBT过流保护电路设计要点

IGBT常见的损坏原因有:过热、栅极过压、UEC(IG-BT集电极-发射极电压)或d UEC/dt超限、过流等[1,2,3]。考虑到IGBT高压大电流的应用场合,过流损坏的出现频率最高,相应的过流保护电路也最为复杂。

1.1 IGBT的特性

1.1.1 IGBT的过流特性

IGBT能承受很短时间的短路电流,且较低的栅极驱动电压能降低短路电流并延长器件的短路承受时间[4]。过流保护电路必须在这段时间内完成过流检测并减小或截断IGBT的集电极电流。

1.1.2 IGBT的锁定效应

IGBT为4层结构,体内存在一个寄生晶体管,当流过IGBT的电流过大或d UEC/dt过高将导致寄生晶体管开通,使栅极失去对集电极电流的控制作用,即产生所谓的锁定效应[5]。过流保护电路的设计须避免IGBT产生锁定效应。

1.1.3 栅极电阻对驱动波形的影响

IGBT的MOS沟道受栅极驱动电压的直接控制,而MOSFET部分直接影响IGBT的通断特性。栅极驱动电路的阻抗包括栅极驱动电路的内阻抗和栅极串联电阻两部分,影响着驱动波形的上升、下降速率。所以栅极电阻影响IGBT的开关时间、电压电流的变化率[6,7]。

1.2 IGBT过流检测

1.2.1 检测集电极电流

本研究用电阻或电流互感器初级与IGBT串联直接检测IGBT集电极电流,当发生过流时封锁驱动信号。

1.2.2 检测负载电流

当负载短路或负载电流超出额定值时,也可能使前级的IGBT集电极电流增大,导致IGBT损坏。当本研究在负载处检测到过流发生时控制IGBT关断,达到保护IGBT的目的,是一种间接的检测方法。

1.2.3 检测UCE电压

UCE在数值上等于集电极电流与器件通态阻抗的乘积,因此一旦IGBT过流,UCE会随着集电极电流的增大而增大[8]。根据这一特性,研究者可以通过检测UCE来判断IGBT是否过流。

另外,通过这种检测方式可以检测IGBT是否退饱和。当IGBT的栅极电压过低时,IGBT会退出饱和区而进入放大区,使器件的开关损耗急剧增大而导致热损坏。IGBT的退饱和会引起UCE的上升,检测电路将其判定为过流而关断IGBT,避免退饱和以至损坏IGBT。

2 IGBT过流保护电路设计

IGBT的过流保护电路可以分为两类:低倍数(1.2~2倍)的过载保护和高倍数(8~10倍)的短路保护。过载可分为持续性的输出过载和IGBT开通时的短暂尖峰电流过载。

为方便叙述电路的工作原理,本研究中所有电路均默认控制信号、驱动信号低电平开通IGBT,过流信号低电平有效,封锁信号高电平有效。

2.1 输出过载保护电路设计

对于输出过载,保护电路不必有很高的响应速度,并且可采用集中式的保护策略,过流时封锁所有IGBT的驱动信号直至控制电路给出复位信号。

本研究采用的输出过载保护电路如图1所示。当过流时比较器的输出由高电平转变为低电平,与非门输出高电平使Q3开通,过流信号变为低电平并自锁。过流信号可以反馈给控制电路封锁驱动信号。当手动按下S1或控制电路给出复位信号都会使Q2导通,Q3重新截止,过流信号恢复高电平。此时,只要过流故障消除,驱动信号就能恢复对IGBT的控制。

2.2 尖峰电流保护电路设计

当IGBT开通时可能因电路结构(如IGBT后级存在大容量电容)而产生尖峰电流,并且出现的频率接近IGBT的工作频率。针对尖峰电流的保护电路可以分为:时间封锁电路和脉冲封锁电路。前者对驱动信号的封锁只持续固定的时长,在保证IGBT完全关断后,如果开通信号依然存在则会再次开通IGBT;后者在下一个开通信号到来前对驱动信号保持封锁。

时间封锁电路的原理图如图2所示。当尖峰电流超过阈值时,比较器输出翻转,Q1导通,C1完成充电,封锁信号变成高电平。IGBT关断后,电流值下降,比较器输出恢复正常时的低电平,Q1截止,C1通过R2及比较器放电,在C1电压下降到或门的输入低电平阈值电压(约0.7 V)之前,封锁信号将维持在高电平。通过调节C1的放电时间就能控制封锁信号的持续时间。

脉冲封锁电路如图3所示。当尖峰电流超出设定值时比较器输出变为低电平(若系统正常,驱动信号此时应为低电平),Q3导通,C1放电,Q1截止,封锁信号变为高电平。Q1保持截止状态直到驱动信号变为高电平使Q2导通对C1充电,Q1导通,封锁信号变为低电平,下一次的开通将不受影响。使用或门是为了避免Q2、Q3同时导通。

2.3 短路保护电路设计

低倍数的过载发生时可通过直接关断IGBT来达到保护的目的,但是在短路电流出现时,为避免IGBT关断时产生较大的di/dt引起过电压和锁定效应损坏,通常采用降栅压和软关断综合保护技术:当检测到短路时立即降低栅压以降低短路电流峰值并提高IGBT的短路承受能力,在栅压降低后延时一段时间以判别短路故障的真实性,如果短路依然存在则对IGBT实施软关断并启动降频保护,如果故障消失则恢复正常的栅压[9,10]。这样,短路电流的幅值和di/dt都能受到限制,IGBT的集电极电流和UCE都运行于安全范围之内,使IGBT不至于因有限次的保护而损坏,并且具有一定的抗干扰能力。

本研究依照上述原理设计的短路保护电路如图4所示。该电路通过检测UCE识别短路故障,并在短路发生时通过降栅压、降频、软关断保护IGBT。

正常工作时,故障检测二极管D1导通,将a点的电压钳位在稳压二极管ZD1的击穿电压以下,Q1保持截止状态,光耦U1截止,过流信号为高电平,Q4导通,C3保持在高电平,反相器输出低电平,Q9导通,C5完全放电,即过流信号、软关断控制、降频控制都不对控制信号进行封锁,控制信号即驱动信号。电容C1为电路正常时硬开关提供短暂的延时,使得Q3开通时UCE有一定的时间从关断时的高压下降至通态压降,而不使保护电路动作。

当发生过流故障时,Q3的UCE上升,a点电位随之上升,到一定值时,ZD1击穿,Q1导通,过流信号随着光耦U1导通变为低电平。并且Q1导通后+15 V通过R4对C2充电,b点电位下降。当b点电压下降约1.4 V时,Q2导通,栅极电压随C2的充电开始下降。通过调节C2和R4的值可以控制电容的充电速度,进而控制发生过流至降栅压的延时及栅极电压的下降速率。当电容充电至ZD2的击穿电压时,ZD2击穿,b点电位不再下降,栅极电压也被钳位在一固定值上,降栅压过程结束。

当电路启动降栅压保护后,过流信号通过U4A与非门封锁控制信号,以避免控制信号在过流故障时对IGBT进行硬关断,保证保护电路能执行一个完整的慢降栅压、软关断的过流保护程序。

同时过流信号变成低电平后Q5开通,C3通过R10放电,当电压下降至0.7 V时,U4B与非门输出翻转为高电平,驱动信号也立即翻转为高电平进行软关断。C3从VCC放电至0.7 V的这段时间内如果过流故障消除,则a点电位下降,Q1恢复截止,C2通过R2放电,b点电位上升,Q2恢复截止,栅极电压恢复为15 V,过流信号变为高电平,C3立刻充电至VCC,电路恢复正常工作,完成真假过流的甄别。通过调节C3和R10的值可以调节延时的长短。

该电路采用改变关断时栅极电阻的方法来实现过流时的软关断。当过流信号变为低电平,Q6、Q7截止,R5串入栅极驱动回路中,当C3放电结束驱动信号变为高电平关断IGBT时,因R5的存在,驱动电压的下降速率变慢,实现了IGBT的软关断。正常情况下通过TLP250和C4驱动Q6、Q7将R5短路。

电路启动软关断的同时U3A反相器输出高电平,Q8导通对C5充电,C5上的电压使驱动信号保持为高电平。过流消除后,Q9开通,C5通过R13放电至0.7 V后,控制信号才能恢复对IGBT的控制作用。本研究通过选取C5、R13的值使C5的放电周期为1 s左右,就能把IGBT的工作频率限制在1 Hz以下。只要故障消除,电路就能恢复到正常状态。

3 测试及结论

本研究依照过流保护测试电路(如图5所示)对保护电路的性能进行测试,通过C1、C2两个大电容之间的放电模拟短路电流,串入L1模拟尖峰电流,通过调节输入电压可以控制短路电流持续时间和尖峰电流幅值。

3.1 输出过载保护电路测试

本研究闭合K1、K2,电流采样点设在输出负载上,以一定的占空比驱动IGBT,闭合K3,使输出电流超出设定值。测试波形如图6所示。

3.2 尖峰电流保护电路测试

本研究闭合K2,将IGBT的集电极电流作为保护电路的采样电流,以一定的占空比开通IGBT。闭合K3,使尖峰电流超出设定值。两种尖峰电流保护电路的测试结果如图7、图8所示。

3.3 短路保护电路测试

本研究闭合K1、K3,保持IGBT为导通状态。闭合K2,使IGBT通过短路电流。测试波形如图9所示。

3.4 结论

测试结果表明:本研究设计的过流保护电路在过流发生时都能及时做出响应,通过采取相应的保护措施将电流限定在安全值以下,使IGBT得到可靠保护而免遭损坏。

4 结束语

根据IGBT的特性,本研究针对不同应用场合、多种过流情况设计了相应的过流保护电路,根据发生过流故障时保护电路的动作可分为:持续封锁的过载保护电路、封锁固定时长的时间封锁保护电路、封锁持续到下个开通信号的脉冲封锁保护电路以及降栅压、降频、软关断短路保护电路。

本研究以具体的电路原理图对过流保护电路的工作原理进行了详尽的分析,并通过实验对设计的所有过流保护电路进行了测试。测试波形表明:本研究设计的过流保护电路在过流发生时都能及时作出响应,通过采取相应的保护措施将电流限定在安全值以下,使IGBT得到可靠保护而免遭损坏。

参考文献

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[10]胡宇,吕征宇.IGBT驱动保护电路的设计与测试[J].机电工程,2008,25(7):58-60.

开关电源的过流保护电路 篇2

1 开关电源常用过流保护电路

1.1 采用电流传感器进行电流检测

过流检测传感器的工作原理如图1所示。通过变流器所获得的变流器次级电流经I/V转换成电压,该电压直流化后,由电压比较器与设定值相比较,若直流电压大于设定值,则发出辨别信号。但是这种检测传感器一般多用于监视感应电源的负载电流,为此需采取如下措施。由于感应电源启动时,启动电流为额定值的数倍,与启动结束时的电流相比大得多,所以在单纯监视电流电瓶的情况下,感应电源启动时应得到必要的输出信号,必须用定时器设定禁止时间,使感应电源启动结束前不输出不必要的信号,定时结束后,转入预定的监视状态[1]。

1.2 启动浪涌电流限制电路

开关电源在加电时,会产生较高的浪涌电流,因此必须在电源的输入端安装防止浪涌电流的软启动装置,才能有效地将浪涌电流减小到允许的范围内。浪涌电流主要是由滤波电容充电引起,在开关管开始导通的瞬间,电容对交流呈现出较低的阻抗。如果不采取任何保护措施,浪涌电流可接近数百A[2]。

开关电源的输入一般采用电容整流滤波电路如图2所示,滤波电容C可选用低频或高频电容器,若用低频电容器则需并联同容量高频电容器来承担充放电电流。图中在整流和滤波之间串入的限流电阻Rsc是为了防止浪涌电流的冲击。合闸时Rsc限制了电容C的充电电流,经过一段时间,C上的电压达到预置值或电容C1上电压达到继电器T动作电压时,Rsc被短路完成了启动。同时还可以采用可控硅等电路来短接Rsc。当合闸时,由于可控硅截止,通过Rsc对电容C进行充电,经一段时间后,触发可控硅导通,从而短接了限流电阻Rsc。

1.3 采用基极驱动电路的限流电路

在一般情况下,利用基极驱动电路将电源的控制电路和开关晶体管隔离开。控制电路与输出电路共地,限流电路可以直接与输出电路连接,工作原理如图3所示,当输出过载或者短路时,V1导通,R3两端电压增大,并与比较器反相端的基准电压比较,控制PWM信号通断。

1.4 通过检测IGBT的Vce

当电源输出过载或者短路时,IGBT的Vce值则变大,根据此原理可以对电路采取保护措施。对此通常使用专用的驱动器EXB841,其内部电路能够很好地完成降栅以及软关断,并具有内部延迟功能,可以消除干扰产生的误动作。其工作原理如图4所示,含有IGBT过流信息的Vce不直接发送到EXB841的集电极电压监视脚6,而是经快速恢复二极管VD1,通过比较器IC1输出接到EXB841的脚6,从而消除正向压降随电流不同而异的情况,采用阈值比较器,提高电流检测的准确性。假如发生了过流,驱动器EXB841的低速切断电路会缓慢关断IGBT,从而避免集电极电流尖峰脉冲损坏IGBT器件。

2 结束语

近年来,开关电源的应用广泛,对其可靠性也有了更高的要求。一旦电子产品出现了故障,如果电子产品输入端短路或者输出端开路,则电源必须关闭其输出电压,才能保护功率MOSFET和输出端设备等不被烧毁,否则可能引起电子产品的进一步损坏,甚至引起操作人员的触电及火灾等。所以开关电源的过流保护功能一定要完善。

摘要：针对当电源输出端超过额定负载或短路时,会对电源造成一定的损坏,使系统无法正常工作,介绍了几种电源的过流保护具体电路,并且对其工作原理进行了分析。

关键词：开关电源,过流保护,过流检测

参考文献

[1]张惠,冯英.电源大全[M].成都:西南交通大学出版社,1993.

[2]杨旭,裴去庆,王兆安.开关电源技术[M].北京:机械工业出版社,2002.

过流保护电路 篇3

驱动电路对于功率变换器具有关键的作用, 它直接关系系统的可靠性和安全性。尤其对于大功率的IGBT模块, 由于其成本高, 可靠的驱动保护电路成为研究的重点。通过对大量的IGBT模块失效分析发现IGBT的过流是导致IGBT模块损坏的主要因素[1]。目前对于IGBT驱动电路的文献都集中于介绍常用的驱动芯片的特点[2,3]以及如何应用[4], 然而对于IGBT驱动芯片的详细工作过程以及过流保护研究的很少, 对于采用仿真软件研究驱动电路工作过程以及过流保护特性的文章少见报道。本文将详细分析基于HCPL-316J驱动电路的工作过程以及过流保护过程并通过Pspice仿真软件进行建模仿真验证.

2 HCPL-316J介绍

HCPL-316J是安华高公司生产的一种光隔离智能驱动芯片, 其特点是:芯片内部集成了集电极和发射极之间的导通电压检测电路和故障反馈电路;驱动电压欠压保护电路;具有过流软关断, 欠压锁定, 故障信号输出的功能。输入兼容CMOS/TTL电平, 输出采用三重复合达林顿管集电极开路输出结构, 可以直接驱动150A/1200V的IGBT模块, 其内部工作电路如图1所示。

3 驱动电路设计和过流分析

3.1 驱动电路组成

考虑到HCPL-316J的单片驱动能力有限, 实用的驱动电路中增加了功率放大部分, 整体驱动电路如图2所示。主要包括:PWM输入部分, 智能驱动芯片HCPL-316J;过流或短路欠饱和检测部分;推挽驱动电路部分;过流短路或欠压故障输出部分。

3.1.1 欠饱和检测电路

欠饱和检测部分电路如图3所示。

IGBT导通时, 电流经电阻R2, 二极管D1和IGBT集电极-发射极两端至VE。欠饱和检测电压大于7伏时启动过流保护功能。

当IGBT关断时, 二极管D1承受反向电压, 此时, 电容C2储存的电荷经内部mos管放电为0。

3.1.2 推挽驱动电路

推挽驱动电路结构如图4所示。输入电压Vdc经电阻R6和稳压管D3分压为18V和6V。电阻R4为充电电阻R5为放电电阻。

改变充放电电阻的大小可以方便控制充放电电流的大小。

3.2 过流保护工作过程

发生过流信号时驱动电路的工作过程如图5所示。

[t0-t 1]时刻, 正常条件下, IGBT导通, 故障输出电压为高电平。此时VDESAT<7V电路正常工作未触发过流保护电路。

[t1-t2]时刻, HCPL-316J的输出Vout为零, IGBT关断。故障输出电压信号VFAULT为高电平, 欠饱和电压检测电路通过内部MOS拉为低电平。

[t2-t3]时刻, PWM信号为高电平, HCPL-316J的输出Vout为高电平, 推挽电路中NPN三极管Q1导通, 此时输出电压VGE正幅值, IGBT导通, 同时故障输出电压信号变为高电平VCC, 欠饱和电压检测电路检测电压, 电路正常工作。

t3时刻, 过流产生, 电路中欠饱和检测电压VFAULT>7, VHCPL-316J过流故障信号VFULT变为低电平, 并进入DSP电路。同时驱动输出电压VGE变为负压, 关断IGBT。

[t3-t4]阶段, 发生过流后, 故障输出电压信号VFAULT为低电平, 输出电压VGE保持关断直到电路复位。

4 仿真分析

基于Pspice软件的器件模型, 能够反映实际元件的特性, 特别适合于电力电子驱动电路的分析研究。仿真驱动原理如图6所示。

为了能够模拟实际的驱动过程, 仿真中设置输入PWM固定占空比为60%, 开关频率为10KHZ。推挽电路中NPN三极管为ZXTN2010Z, PNP三极管为ZXTP2012Z, Vdc为24V, 经分压后变为+18V和-6 V。仿真中采用BUCK电路, 在t=1ms时突加负载, 电路发生过流, 验证驱动电路的过流保护功能。

图7为电路过流仿真波形, 在t=1ms前电路工作正常, 欠饱和检测电路检测电压VDESAT为4.5V, 故障输出VFAULT为高电平5V, 电路正常输出驱动电压VGE。当t=1ms时电路发生过流, VDESAT瞬间电压超过7V, VGE变为负压封锁驱动脉冲, 同时故障信号VFAULT变为0V。

摘要：本文首先分析了基于HCPL-316J电路驱动电路的设计和发生过流时驱动电路的工作过程, 之后建立HCPL-316J驱动电路的仿真模型, 仿真结果验证了理论分析的正确性。

关键词：IGBT,驱动电路,过流保护

参考文献

[1]张海亮, 陈国定, 夏德印.IGBT过流保护电路设计[M].机电工程, 2012 (08) .

[2]孟志强, 陈燕东, 周华安.基于EXB841的IGBT驱动电路优化设计[J].湖南大学学报 (自然科学版) , 2006, 33 (16) :63-67.

厂用分支过流保护动作故障处理 篇4

电厂锅炉引风机启动时出现厂用分支过流保护跳闸, 造成交流电源失电, 影响厂用电系统和机组运行安全。

(1) 电流保护定值。重新校核电流保护定值, 电流定值过小, 导致设备启动时, 过流保护动作。电机启动时电流过大原因: (1) 选用的电机启动电流过大; (2) 电机运行过程中机械传动部分出现卡阻等情况; (3) 电机启动时发生短路故障; (4) 设置不正确, 造成设备启动时保护拒动或误动。

(2) 电缆故障。电缆绝缘性能不良、电缆接地或电缆相间短路, 速断保护或零序过流保护为动作, 导致过流保护动作。

(3) 开关误动。开关质量较差, 启动时开关机构失灵, 引起机构脱扣或脱扣继电器从其他回路得电, 产生励磁, 引起连杆动作, 致使开关误动。人员误碰或误动。

(4) 继电器故障。电机启动时或因机械振动, 引起继电器接触点抖动, 造成继电保护误动作。下一级保护拒动, 导致上一级保护动作跳闸。

2.故障处理

(1) 实际工作中, 因计算或调整保护定值不正确, 应进行保护定值校验。引风机电机额定电流356 A, 除最大电机以外的总负荷电流200 A。引风机电流速断保护一次动作电流Idz'=kkIqd, 其中kk为可靠系数, 取1.3, Iqd通常取6倍电机额定电流, 故Idz'=1.3×6×356=2776.8 A。厂用分支过流Idz=kk (Idz'+Ifh) , kk取1.2, Ifh (除最大电机以外的总负荷电流) 为200 A, 故Idz=1.2× (2776.8+200) =1.2×2976.8=3572.16 A。通过计算复核其一次动作过电流值为3572.16 A, 约3600 A。

查验现场备用电源开关定值。DL-31型过电流继电器定值在9 A, 根据该开关电流互感器变比2000/5, 故该备用分支过流I=9×2000/5=3600 A。对该继电器通入定值电流, 动作情况见表1, 通入3次电流, 继电器可靠动作, 排除其误动。

(2) 电缆检测。对电缆进行外观检查, 无明显短路及电灼伤痕迹。对电缆进行绝缘电阻测量, A相、B相和C相对地分别为100 MΩ, 100MΩ和96 MΩ, 判断电缆良好可靠。

(3) 开关动作可靠性检查。将该厂备用分支开关电源侧及负荷侧隔离刀分断, 做好安全措施, 分别在A421、N421, B421、N421和C421、N421通入3次9 A, 开关1.5 s可靠跳闸。排除开关误动。

(4) 继电器通过电流时无抖动, 并可靠返回。排除继电器保护动作。据输煤集控人员反映, 在锅炉集控开启引风机时, 破碎机同时启动, 超出电流定值, 该分支过电流继电器动作。

3.解决措施

(1) 值长作为生产现场调度总指挥, 对于各负荷的启动必须征得值长统一方可启动。

(2) 下达《关于负荷启动统一调度的通知》, 要求负荷启动由各专业班长汇报电气值班员, 并报告值长统一调度。

(3) 主控室电气值班人员要提高监盘技术水平, 加强责任心, 严格监视备用分支电流情况。

4.建议

(1) 实际工作中对过流动作的保护进行全面分析, 对保护定值校验及保护回路设备检验, 以查明根本原因。选择质量较好的继电器、开关和电缆厂家, 减少不良情况发生, 保证使用周期。

(2) 对继电器建立定期校验制度, 及时发现继电器、开关等存在的问题, 予以处理。对继电保护灵敏性、可靠性、速断性和选择性进行评价, 跟踪继电保护设备的状况。

(3) 定期复核保护定值, 避免发生保护数值的机械游离, 保证其准确性, 满足继电保护要求。核算保护定值正确, 应排除负荷同时启动的偶发性因素。

摘要：电厂厂用分支开关保护动作原因, 全面检查保护定值、回路和设备, 进行试验, 给出解决措施, 消除隐患, 确保厂用电系统安全稳定运行。

基于综合负荷模型的过流保护整定 篇5

电力系统中,暂时性故障的比重往往很大,重合闸技术的广泛应用大大降低了暂时性故障对电力系统的不利影响。故障后线路跳闸至重合闸的这段时间负荷处于失电状态,而后伴随着重合闸动作负荷进入自启动过程。现代电网中,负荷成分越来越复杂,其中各种旋转类负荷占的比重越来越大。负荷特别是旋转类负荷的自启动会产生较大的过电流,这一电流会对过流保护产生何种影响,将是本文重点讨论的问题。目前,电力负荷建模工作已经取得了巨大的学术和应用成果,这为本文的论述提供了坚实的理论依据。

1 综合负荷模型的结构

负荷的构成是多样而复杂的,就个体而言,包括各种各样的工业电机,家用电器等;就负荷的类型来看,又分为静止设备和旋转设备。目前的负荷建模理论中,一般采用综合负荷模型等值电力负荷。其基本思想是将负荷群体看作一个整体,用连接于负荷母线的一台异步电动机和一个静态负荷表述该母线下所接的所有负荷,我们把这种负荷模型称为经典负荷模型,其结构如图1所示[1]。

2 负荷的启动特性

根据以上经典负荷模型的构成,分别讨论静态负荷和动态负荷的启动特性。静态负荷一般指系统中的静止负荷,其模型的指数形式一般如式(1)和式(2)。

式中:PS0为额定电压下静态负荷吸收的有功;pv为有功电压指数;QS0为额定电压下静态负荷吸收的无功;qv为无功电压指数;U0为额定电压。

由该模型可知,静态负荷与电压的关系是呈线型特征的,其启动特性是平稳的。静态负荷在启动过程中没有很大的启动电流,也就是说对系统没有产生额外的冲击。如图2和图3所示为静态负荷电压和功率波动曲线。所以,在分析过程中,我们一般不考虑静态负荷对系统的影响。

动态负荷即异步电动机是负荷启动时产生冲击电流的主要因素。异步电动机的启动是指电机从静止状态加速到工作转速的整个过程。普通的异步电动机如不采取任何措施而在额定电压下直接启动,其启动电流约为其额定电流的5~7倍。电动机启动时,转速n=0,滑差s=1,旋转磁场以同步转速切割转子绕组,在转子感应一个较大的电势,产生较大的转子电流,此时的激磁电流很小,可以忽略不计。因此可以得到[2]:

其中:c1=1+xx1m,将条件c1=1,s=1代入(3)并求幅值可以得到

相较于额定负载下的定子电流:

为了更加直观地比较启动电流与额定电流的大小,我们将电动机的各重要参数取典型值,用以计算这两个电流值。

根据中国电科院提供的模型参数典型值取定子电阻r1=0,转子电阻r2=0.02,定子电抗x1=0.12,转子电抗x2=0.12,激磁电阻rm=0,激磁电抗xm=3.5,初始滑差s0=0.010 6[3],可以计算出c1=1.034,以上典型值都是电动机本身容量下的标么值。根据以上参数可以分别计算出启动电流Ist=8.22U1,额定电流I1=1.068U1。由此我们可知,当负荷模型采用典型参数时,动态负荷的启动电流是额定电流的8倍多。

综合负荷模型中,静态负荷与动态负荷各占有一定比例。所以在计算启动电流时需要计及这两类负荷的综合影响。根据动态负荷占负荷整体的比例,我们可以计算出负荷整体的启动电流和额定电流的关系:

其中:k为总负荷的启动电流与额定电流的倍数关系,p为动态负荷占总负荷的比例。根据式(6),可以计算出动态负荷占有不同比例时,总负荷的启动电流与额定电流的倍数值,其结果如表1所示。

3 启动电流对过流保护的影响

表1中的数据表明,当负荷中含有一定比例的电动机负荷时,重合闸后的自启动过程将产生一定倍数的启动电流。这对过流保护的整定是不利的,过流保护I段是瞬时限的,所以负荷启动电流有可能造成保护的误动,这就要求过流I段从定值上躲开启动电流。电动机的自启动过程一般持续1 s时间,而过流II段的延时一般为0.5~1 s左右,一般来说II段的灵敏性是大于I段的,所以过流II段的启动值也必须躲开启动电流。当然定值的提高在一定程度上减小了过流保护的保护范围。由于III段的延时一般在3 s左右,已经在时间上避开了自启动过程,故定值方面无需考虑与启动电流的配合问题[4]。实际上,现代的微机保护中有很多是采用电流量作为保护启动的判据之一,动态负荷的自启动也会造成这类保护的误启动。

表1中的启动电流倍数是在所有的电动机都自启动且启动过程中不采取任何措施这一最不利条件下计算得出的。实际上,部分大型电动机都装有低电压保护,当电压低于保护定值(一般在0.6~0.8UN)的时候,自动把电动机从系统中切除。重合闸后电压恢复过程中,这部分电动机是不能自启动的。另外,一些电动机启动过程采用降压启动等措施,一定程度上减小了启动电流。因此,启动电流的实际情况要比表1中的计算结果乐观一些。但系统中仍有大量的小型电动机不具备欠压保护等任何防启动电流的措施,所以,重合闸后的动态负荷的自启动电流仍然是各类过流保护整定中不可忽视的问题。

4 解决方案

以上阐述说明,在电流保护中考虑负荷的自启动电流的影响是很有必要的。现代的保护一般也具备使用多套定值的功能,这里建议保护在重合闸时采用另外一套考虑了负荷自启动电流的定值。表1已经列出了动态负荷占总负荷不同比例时采用经典负荷参数计算出的总负荷自启动电流倍数。实际上由于负荷的多样性和区域差异性,经典负荷参数的套用往往也是有条件和场合的。一般情况下,r1,r2,x2,rm,xm这几个参数的在不同地区负荷中的差异不是很大,可以套用经典负荷参数。而x1,s0以及动态负荷占总负荷的比例p往往差异较大。根据负荷辨识理论,当已知功率关于电压的动态响应后,是可以求出负荷模型中各参数的。电力线路配置的故障录波器、PMU等装置记录的线路波动数据都可以用来建立负荷模型,求取模型参数。由于这部分内容属于负荷建模理论,本文不再赘述。这样我们就可以建立如图4所示的系统,使用故障录波器数据对保护定值进行修正,这样既考虑了负荷自启动电流的影响,又提高了电力数据的使用效率。

5 结语

本文利用综合负荷模型为依据,分析了动态负荷自启动过电流问题。从理论上阐述了重合闸后的自启动过程对过流保护整定的影响,并提出了解决方案。

摘要：现代电力系统中,负荷构成的复杂性决定了负荷自启动电流不断增大的趋势,为了分析重合闸时的动态负荷自启动过程中产生的启动过电流对过流保护的影响,运用了综合负荷模型,定性定量地分析了动态负荷占总负荷不同比重时的启动过电流。并提出了针对该问题的相应解决方法。

关键词：重合闸,综合负荷模型,自启动电流

参考文献

[1]鞠平,马大强.电力系统负荷建模[M].北京:水利电力出版社,1995.

[2]周鹗.电机学[M].北京:中国电力出版社,1988.

[3]中国电力科学研究院,近期东北-华北-华中同步互联系统仿真计算中电动机参数选取的建议[Z].2005.

过流保护电路 篇6

近年来, 开关电源已被越来越多的用户所采用。作为开关电源用的大功率开关器件IGBT以其独特的优点受到众多厂家的青睐, 河北工业大学电工厂也将IGBT应用于电焊机和励磁开关调节器中。

IGBT应用关键的技术之一是过流保护。过流保护不仅直接关系到IGBT器件本身的工作性能和运行安全, 还影响到整个系统的性能和安全。IGBT应用是否成功在很大程度上取决于过流保护系统的优劣。

1 IGBT过流机理和工作特性

1.1 IGBT过流

IGBT能承受的过流时间通常仅为几微秒, 这与SCR、GTR (几十微秒) 等器件相比要小得多, 它要求过流保护电路能准确、敏捷地检测过流信号, 快速传递和处理信息, 可靠的保护动作。另外, 由于IGBT内部存在一个寄生晶闸管, 此寄生晶闸管一旦触通, IGBT便失去栅极的控制而无法关断, 即产生所谓的擎住现象。擎住现象有静态擎住和动态擎住两种。静态擎住指流过IGBT的稳态电流过大时所产生的擎住现象。在开通和关断过程中, 若开关速度过快, 也会使寄生晶闸管触通而产生动态擎住。过流保护电路应该使IGBT避免发生擎住现象。

1.2 IGBT的工作特性

图1所示的IGBT输出特性是指在一定的VGE值下, 产生某一特定IC同VCE的相互关系。

集电极—发射极电压VCE/V

栅极—发射极电压VGE/V

图2给出了饱和压降和栅极—发射极电压VGE 的关系, VCE (set) (IGBT的通态压降) 是由结温、集电极电流IC和栅极—发射极电压VGE的函数。VGE的增加会加大沟道的电导, 从而降低VCE (set) 。

2 IGBT过流检测原理及过流保护的方法

IGBT的特点之一是其通态压降VCE可以反映导电电流的大小。由图1 IGBT静态输出特性可见, 在驱动电压VGE=10 V、IC=40 A时, 集电极—发射极间饱和压降VCE (set) =2.4 V, 一旦出现电流增大VCE则随IC的增大而增大;当IC达到160 A时, VCE则增大到4 V。根据这一特性, IGBT的过流检测可通过检测其集电极—发射极电压来代替。这种简单的检测方法带来了另一优点就是可防止IGBT工作时退出饱和区。工作时, VGE过低, 则IGBT的工作点将进入接近水平的特性。IGBT退出饱和特性而进入放大区, VCE增大, 使集电极功耗急剧增大, 造成器件热损坏。采用检测VCE (set) 的方法可避免出现这种情况, 驱动电压过低, 将导致VCE上升, 保护电路将判定为过流而关断IGBT, 因此这种检测方法也称为退饱和检测。

根据上述的特点, IGBT的过流保护的基本方法有降栅压保护和慢关断保护。它们的作用是设法延长允许承受过流的时间, 减小关断时的过电压, 避免发生擎住现象。

慢关断保护是指出现过流关断IGBT时, 关断速度不能太快。这是因为过流关断时, 大电流迅速下降, 很大的di/dt将在电路电感元件上产生很高的感应电势, 在IGBT上产生强烈的过压而击穿元件。另外, 过流时关断速度过快, 会使IGBT产生动态擎住, 以至无法关断而造成IGBT损坏。慢关断保护是IGBT过流保护的基本方法之一。市场上较多的驱动模块的过流保护都是应用这一方法。富士公司的IGBT采用模块EXB系列就采用了该方法, 下面选用这种模块作为例子进一步说明。

EXB841电路原理及过流保护实用整定方法原理见图3。

2.1 正常开通过程

当控制电路使EXB841输入端脚14和脚15输入10 mA的电流流过时, 光电耦合器ISO1导通, A点电位迅速下降至0, 使V1和V2截止;V2截止使D点电位上升至20 V, V4导通, V5截止, EXB841通过V4及栅极电阻RG向IGBT提供电流 (电压) 使之迅速导通, VCE下降至特性曲线的某一值, 曲线特性的值为3 V左右。与此同时, V1截止使+20 V电源通过R3向电容C2充电, B点电位上升, 其上升值及上升速率将分别取决于R3与R4 、R5以及VD7正向压降、IGBT导通压降, VCE形成的这一串负载的分压比。

2.2 正常关断过程

控制电路使EXB841输入端脚14、15无电流通过, 光电耦合器IS01不通, A点电位上升使V1和V2导通;使V4截止, V5导通;IGBT栅极电荷通过V5迅速放电, 使EXB841的脚3电位迅速下降至0 (低于脚1～5 V) , IGBT可靠关断, VCE迅速上升, EXB841的脚6悬空, VD7反向截止。与此同时, V1导通, C2通过V1快速放电, 使B点、C点电位嵌在0, 使VZ1不会导通, IGBT正常关断。

2.3 保护动作

如果IGBT处于正常导通, 则V1 、V2截止, V4导通, V5截止, B点和C点电位稳定在11 V左右, VZ1不会被击穿, V3不导通, F点电位保持为20 V, 二极管VD6截止。

当过流发生时, IGBT的VCE随电流的上升而增高;当增至5 V时, C点的电位也将提高到13 V, 而使VZ1击穿。由于C4的作用, D点的电位由+20 V逐渐下降, 从而实现缓关断IGBT。IGBT的栅极电压降至10 V以下时, 所承受的短路过流能力增加到15 μs, 因此, 当过流封锁电路在EXB841的脚5输出过流检测信号后, 应延时8～10 μs封锁, 这样才能很好地实现过流保护。

综上所述, 快速恢复整流二极管VD7是EXB841外接元件中很重要的一个部件, 它的正向压降的大小直接关系到EXB841过流检测响应速度以及过流值的整定。二极管的正向导通压降不能偏小, 因为偏小将使IGBT在正常工作时C点电位偏低, 一旦发生过流, VD7阻断, VZ1的反向击穿将延长, 超出IGBT的短路承受能力, 导致过流保护失败。但VD7压降不能过大, 这将使C点电位上升而接近13 V, 将导致误过流检测频繁出现, 使抗外界干扰能力下降, 以至于IGBT正常工作时, 栅控触发电压频繁下降而增大了IGBT的开关损耗, 导致元件发热。

3 过流保护的实用整定方法

中国市场上流行的几种驱动块, 如日本三菱、富士公司、英达公司等型号, 其共同特点是驱动块本身的过流保护临界电压动作值都是一个固定值, 不可调节的, 一般来说为7～10 V。而在实用中是希望临界电压的动作值是可调的, 这样可以对过电流值进行整定, 满足不同线路的保护要求。根据其保护的基本原理, 可通过调整串联在IGBT集电极与驱动块之间的二极管D7的个数, 使这些二极管通态压降之和等于或略大于驱动块保护动作电压与IGBT过流所对应的饱和压降VCE之差加5 V。

式 (1) 只适用于富士EXB模块。其他公司的产品可以按照同样的原理得到类似的结果。

增加二极管的数量就增大了二极管正向压降, 也就降低了过电流动作值。但实现这一整定却很困难。靠串接二极管来调整保护动作值的方法只能是一个阶梯一个阶梯的整定。因此, 串联二极管的方法很难做到精确整定过流保护的临界动作点。

由分析可知改变保护动作值, 实质上就是改变脚6 (C点) 的嵌位电压。而这点的电压就是由R3、R4、R5、VD7、VCE、+5 V这条支路分压形成的。要改变这点电压, 只需改变R5的大小即可。一般增大R5即可降低IC的动作值。模块中R5为内置元件, 实际应用时可在模块外与VD7串联相接一个电阻即可。

按图3所示接线。选用两个相互独立的电源A、B, 其零点不相联接。令WR1=0, 调整WR2使K点电位VKE升至相对应整定IC的VCE。在输入端给定一个使IGBT导通信号, 然后逐渐增大WR1阻值, 一直到驱动模块保护恰好动作 (用示波器监视栅极电压, 确定模块是否动作) 。此时WR1值即为应串联之电阻值。

4 结论

由于二极管D7的反向耐压, 恢复时间等参数与原设计是一样的, 只是在分压回路略有变动, 对驱动模块的动、静特性影响很小, 改动很简易。

上述整定方法在实际设备应用中获得了良好的应用效果。由于驱动模块本身参数也有分散性, 因此最好针对每一对应之驱动模块进行实测整定。如果VCE选定有误差, 可以重复调试到满足要求。

摘要：IGBT中关键的应用技术之一是过流保护, 过流保护不仅直接关系到IGBT器件本身的工作性能和运行安全, 而且影响到整个系统的性能和安全。对此, 分析了IGBT过流的检测及保护的原理, 并基于典型驱动模块EXB841的工作原理提出了过流保护临界动作值的实用整定原则。

关键词：IGBT,过流保护,参数整定

参考文献

[1]钱文明.用于IGBT的专用集成驱动器HR065的设计原理与应用研究[J].电气传动, 1995 (2) .

过流保护电路 篇7

1 电流互感器的工作原理

电流互感器是电力系统中测量仪表, 继电保护等二次设备获取一次回路电流信息的传感器, 将高电流按比例转化为低电流。电流互感器的原边接在一次系统, 副边接测量仪表和继电保护等装置[1,2], 常用于大功率检测电路, 起到电器隔离作用, 并且检测电流小, 损耗小。电流互感器的运行情况相当于副边短路的变压器, 电流互感器原边电流与副边电流的比, 即实际电流比, 表示为:

2 设计方案

电流互感器将待测大电流转化为较小的电流, 在通过电流互感器的负极检测电阻转化为电压, 经二级滤波电路, 经过A/D转化为数字量, 数字信号经单片机AT89C51采集并转化为实际电流值, 并进行显示。当所测值超出安全值范围时, 蜂鸣器报警, 并控制继电器切断电路电源[3,4], 设计框图如下图所示。

3 实验结果

对大功率家用电器进行多次过流保护实验, 该过流保护装置监测到的实际电流值与理论值相符合。实验结果表明, 在0-10m A的安全电流范围内, 该过流保护装置输出稳定;当检测电流大于30m A时, 过流保护装置启动, 蜂鸣器报警, 继电器断电, 可见电流互感器能够起到过电流保护的作用, 且安全可靠。

4 结论

设计的基于电流互感器的过流保护装置, 利用互感器电流检测法, 将待测大电流转换为小电流, 当用电器电流过大时, 过流保护装置启动, 能够实现报警和断电功能, 安全可靠, 并且成本低, 具有较高的实用价值。

参考文献

[1]王欣.同步电动机保护器的研究[D].沈阳工业大学, 2007.

[2]王少伟.在线电流检测无线报警系统的设计[J].科技信息, 2009 (34) :5-6.

[3]胡汉才.单片机原理及其接口技术[M].北京:清华大学出版社, 2006:78-79.