电力电子化直流电源系统中过电压保护的触发电路

技术领域

本发明涉及电力电子化直流电源系统，尤其涉及一种电力电子化直流电源系统中过电压保护的触发电路。

背景技术

电力电子技术的应用领域已经十分广泛，与电能相关的行业均有其身影。确切地讲，离开电力电子技术的现代化电力系统建设，是无法实现的。电力电子化直流电源系统作为电力电子技术应用的一个重要领域，其广泛应用于直流输电、电气化铁道、直流电动机调速、同步发电机励磁、电镀、电解铝、电解食盐水等诸多行业。

电力电子化直流电源系统给生产和生活带来极大方便的同时，也引发了一系列的技术问题，比如如何抑制产生的过电压。在电力电子化直流电源系统设计过程中，除了电力电子器件参数选择合适、驱动电路设计良好之外，合适的过电压保护电路设计尤其触发电路是必须要认真考虑的，性能和功能良好的过电压保护触发电路是过电压保护措施的关键。传统的过电压保护触发电路，普遍存在过电压保护触发电路设计及使用复杂、消耗过电压能量不足、过电压保护触发可靠性低、一块硬件触发电路不同时具备正向/负向双极性过电压保护的触发能力等问题，结果直接影响到电力电子化直流电源系统的工作性能，甚至直接危及到与其相连系统的设备安全。

发明内容

发明目的：本发明目的是提供一种电力电子化直流电源系统中过电压保护的触发电路，具备抑制正向或负向双极性过电压的保护能力，为电力电子化的直流电源系统的安全稳定运行提供保障。

技术方案：本发明提供一种电力电子化直流电源系统中过电压保护的触发电路，涉及电力电子化的直流电源系统、抑制回路、主回路和直流负载，抑制回路中设有触发电路，触发电路由电阻和二极管组成，触发电路向主回路中的开关元件输出导通的触发信号，实现抑制直流侧的正向或负向双极性过电压。

进一步地，触发电路的接线端1与二极管V31的阳极连接，二极管V31的阴极和接线端2连接，电阻R48与二极管V31并联；

接线端2和节点5之间设有依次串接的二极管V32、V33、V34，接线端2与二极管V32的阳极连接，二极管V34的阴极为节点5，电阻R52与二极管V32并联，电阻R53与二极管V33并联，电阻R54与二极管V34并联；

接线端2和节点6之间设有依次串接的二极管V47、V46、V45，接线端2与二极管V47的阴极连接，二极管V45的阳极为节点6，电阻R67与二极管V47并联，电阻R66与二极管V46并联，电阻R65与二极管V45并联；

节点5和节点6之间依次串接二极管V21和电阻R22，二极管V21的阳极与节点5连接；

节点5和接线端3之间设有依次串接的二极管V44、V43、V42，节点5与二极管V44的阴极连接，二极管V42的阳极与接线端3连接，电阻R64与二极管V44并联，电阻R63与二极管V43并联，电阻R62与二极管V42并联；

节点6和接线端3之间设有依次串接的二极管V35、V36、V37，节点6与二极管V35的阳极连接，二极管V37的阴极与接线端3连接，电阻R55与二极管V35并联，电阻R56与二极管V36并联，电阻R57与二极管V37并联；

接线端3与二极管V41的阴极连接，二极管V41的阳极和接线端4连接，电阻R38与二极管V41并联。

进一步地，电阻R38、R48、R22为线绕式电阻，二极管V21为转折二极管，根据过电压保护整定电压值选择转折二极管残压。

进一步地，在电力电子化直流电源系统中出现正向过电压时，接线端3和4之间的正向过电压分量表达式为：

其中，//表示为并联，U

进一步地，在电力电子化直流电源系统中出现反向过电压时，接线端2和1之间的反向过电压分量表达式为：

其中，//表示为并联，U

进一步地，主回路由非线性电阻和半控型电力半导体器件串接组成。

进一步地，在直流侧进行正向或负向双极性过电压保护时，非线性电阻一端与触发电路的接线端1连接，非线性电阻另一端与正向的半控型电力半导体器件阳极连接，正向的半控型电力半导体器件阴极与触发电路的接线端4连接，正向的半控型电力半导体器件门极与触发电路的接线端3连接，反向的半控型电力半导体器件的阳极和阴极与正向的半控型电力半导体器件的阳极和阴极相反并接，反向的半控型电力半导体器件门极与触发电路的接线端2连接。

进一步地，在直流侧进行正向单极性过电压保护时，非线性电阻一端与触发电路的接线端1连接，非线性电阻另一端与正向的半控型电力半导体器件阳极连接，正向的半控型电力半导体器件阴极与触发电路的接线端4连接，正向的半控型电力半导体器件门极与触发电路的接线端3连接。

进一步地，在直流侧进行反向单极性过电压保护时，非线性电阻一端与触发电路的接线端1连接，非线性电阻另一端与反向的半控型电力半导体器件阴极连接，反向的半控型电力半导体器件的阳极与触发电路的接线端4连接，反向的半控型电力半导体器件门极与触发电路的接线端2连接。

进一步地，电阻R52至R57和电阻R62至R67为金属膜电阻。金属膜电阻具有通过功率大、散热良好，成本低廉；电阻R22为高功率型电阻。。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著的优点：当电力电子化直流电源系统中产生正向或负向双极性过电压时，通过电阻和二极管对称设计的触发电路，向主回路中的半控型电力半导体器件输出导通的触发信号，半控型电力半导体器件的导通使得过电压被非线性电阻抑制，实现抑制直流侧的正向或负向双极性过电压，为电力电子化直流电源系统安全稳定运行提供重要保障。

附图说明

图1为本发明的正向或负向双极性过电压保护触发电路原理图；

图2为本发明的正向、负向双极性过电压保护触发电路PCB板；

图3为本发明的触发电路正向过电压保护时的工作回路；

图4为本发明的触发电路反向过电压保护时的工作回路；

图5为本发明的触发电路应用在直流侧进行正向或负向双极性过电压保护的接线；

图6为本发明的触发电路应用在直流侧进行正向单极性过电压保护的接线；

图7为本发明的触发电路应用在直流侧进行负向单极性过电压保护的接线；

图8为本发明的触发电路正向过电压保护工作电路；

图9为本发明的触发电路反向过电压保护工作电路；

图10为本发明的继电器转换电路图；

图11为本发明的继电器转换电路的工作接线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

电路原理图、PCB板及元器件材料清单，分别如图1、图2和表1所示。

如图1，触发电路的接线端1与二极管V31的阳极连接，二极管V31的阴极和接线端2连接，电阻R48与二极管V31并联；

接线端2和节点5之间设有依次串接的二极管V32、V33、V34，接线端2与二极管V32的阳极连接，二极管V34的阴极为节点5，电阻R52与二极管V32并联，电阻R53与二极管V33并联，电阻R54与二极管V34并联；

接线端2和节点6之间设有依次串接的二极管V47、V46、V45，接线端2与二极管V47的阴极连接，二极管V45的阳极为节点6，电阻R67与二极管V47并联，电阻R66与二极管V46并联，电阻R65与二极管V45并联；

节点5和节点6之间依次串接二极管V21和电阻R22，二极管V21的阳极与节点5连接；

节点5和接线端3之间设有依次串接的二极管V44、V43、V42，节点5与二极管V44的阴极连接，二极管V42的阳极与接线端3连接，电阻R64与二极管V44并联，电阻R63与二极管V43并联，电阻R62与二极管V42并联；

节点6和接线端3之间设有依次串接的二极管V35、V36、V37，节点6与二极管V35的阳极连接，二极管V37的阴极与接线端3连接，电阻R55与二极管V35并联，电阻R56与二极管V36并联，电阻R57与二极管V37并联；

接线端3与二极管V41的阴极连接，二极管V41的阳极和接线端4连接，电阻R38与二极管V41并联。

其中，各优选的元器件型号如表1所示。

表1双极性过电压保护触发电路主要元器件清单

如图5所示，触发电路应用在直流侧进行正向/负向双极性过电压保护的接线。以下仅为叙述的方便，给出如下假定：当图5中接线端1的电位高于接线端4的电位时，称之为正向过电压；当图5中接线端1的电位低于接线端4的电位时，称之为反向过电压。非线性电阻一端与触发电路的接线端1连接，非线性电阻另一端与正向的半控型电力半导体器件阳极连接，正向的半控型电力半导体器件阴极与触发电路的接线端4连接，正向的半控型电力半导体器件门极与触发电路的接线端3连接，反向的半控型电力半导体器件的阳极和阴极与正向的半控型电力半导体器件的阳极和阴极相反并接，反向的半控型电力半导体器件门极与触发电路的接线端2连接。

(1)在电力电子化直流电源系统中出现正向过电压，且正向过电压高于转折二极管V21的残压时，触发电路正向过电压保护时的工作回路见图3所示。此时二极管V31短接电阻R48，正向过电压在电阻R38两端形成正向过电压分量，这一正向过电压分量去触发正向过电压保护主回路中相应的开关元件(包括电力电子开关)闭合或导通，以实现抑制正向过电压的目的。

在电力电子化直流电源系统中出现正向过电压，并达到正向过电压保护整定值U+时，转折二极管V21导通，相应的触发电路正向过电压保护工作电路见图8所示，则图8中端子3和4之间的正向过电压分量U34为

式中，//表示为并联。

这样，对应所产生的正向过电压分量U34就可以作为过电压保护主回路中相应开关元件闭合或导通的触发信号，以实现抑制正向过电压的目的，其中开关元件也包括电力电子开关。

如图6所示，触发电路应用在直流侧进行正向单极性过电压保护的接线。在直流侧进行正向单极性过电压保护时，非线性电阻一端与触发电路的接线端1连接，非线性电阻另一端与正向的半控型电力半导体器件阳极连接，正向的半控型电力半导体器件阴极与触发电路的接线端4连接，正向的半控型电力半导体器件门极与触发电路的接线端3连接。

(2)在电力电子化直流电源系统中出现反向过电压，且反向过电压高于转折二极管V21的残压时，触发电路反向过电压保护时的工作回路见图4所示。此时二极管V31短接电阻R38，正向过电压在电阻R48两端形成反向过电压分量，这一反向过电压分量去触发反向过电压保护主回路中相应的开关元件闭合或导通，以实现抑制反向过电压的目的。

在电力电子化直流电源系统中出现反向过电压，并达到反向过电压保护整定值U-时，转折二极管V21导通，相应的触发电路反向过电压保护工作电路见图9所示，则图9中端子2和1之间的反向过电压分量U21为

式中，//表示为并联。

这样，对应所产生的反向过电压分量U21就可以作为过电压保护主回路中相应开关元件(包括电力电子开关)闭合或导通的触发信号，以实现抑制反向过电压的目的。

如图7所示，触发电路应用在直流侧进行负向单极性过电压保护的接线。在直流侧进行反向单极性过电压保护时，非线性电阻一端与触发电路的接线端1连接，非线性电阻另一端与反向的半控型电力半导体器件阴极连接，反向的半控型电力半导体器件的阳极与触发电路的接线端4连接，反向的半控型电力半导体器件门极与触发电路的接线端2连接。

为了有效抑制电力电子化的直流电源系统中出现时间较长的正、反向过电压，提高过电压保护触发电路的过电压抑制能力，可以将表1中的电阻R22更换为高功率型电阻。

主回路中的半控型电力半导体器件也可以替换成其它种类的电力电子开关或机械开关以配合触发电路，及时有效地导通主回路，抑制正反向过电压。例如，当采用机械开关时，可配合继电器转换电路以导通机械开关。

如图10所示，正向或反向双极性过电压触发电路动作时，触发电路端子3或2输出触发电压信号，使V2或V1导通。相应地，正向或反向过电压的事件引起电流互感器CT输出瞬时电压信号，在JS01元件的保持功能下，JS01输出干接点闭合信号，使得继电器K1、延时继电器K2及其常闭节点，在直流电压220V作用下，形成闭合回路，继电器K1动作并输出干节点信号，如图11所示，该信号可作为机械开关操作控制回路的闭合控制信号，机械开关闭合，最终实现抑制正、反向过电压的目的。