关于K3 继电器续流二极管问题的分析

2022-02-19张健

科学技术创新 2022年1期

张健

（中电投东北新能源发展有限公司，辽宁沈阳 110000）

1 K3 继电器在变桨系统中的应用

在1.5MW 机组变桨柜中，K3 继电器的吸合通过A1、A2触点连接T1 模块转换的24V 电压，由92°限位开关控制，采用失电保护形式，在限位开关闭合状态的时候为常开闭合状态，同时通过21、24 常开触点闭合给KL1104 发送限位开关正常信号，11、14 号常开触点连接AC2 变频器的KEY 端子，用以控制变桨系统的自动变桨，K3 得电时，11、14 常开触点闭合，自动变桨可用。K3 继电器续流二极管的LED 小灯常亮。当限位开关动作后，K3 继电器失电，11、14 常开触点断开，自动变桨不可用，21、24 常开触点断开，KL1104 接收不到限位开关正常信号后报故障。

K3 继电器的开合由限位开关控制，在限位开关动作时K3 继电器A1、A2 线圈也动作，而继电器线圈是一个电感量很大的电感,在断电时会产生很高的自感电势，所以K3 继电器线圈在断电时会在我们的电路中产生一个很大的反向电动势，这个电压会损害我们电路中的元件，所以在继电器线圈上反向并联一个二极管，主要是保护我们的继电器线圈和电路中电子元件不受高压损坏，它能将产生的反向电动势通过二极管回路释放掉，起到保护作用。

2 续流二极管作用及工作原理

续流二极管(flyback diode)，有时也称为飞轮二极管或是snubber 二极管，是一种配合电感性负载使用的二极管，当电感性负载的电流有突然的变化或减少时，电感二端会产生突变电压，可能会破坏其他元件。配合续流二极管时，其电流可以较平缓地变化，避免突波电压的发生。我们通常所说的“续流二极管”由于在电路中起到续流的作用而得名，一般选择快速恢复二极管或者肖特基二极管来作为“续流二极管”，它在电路中一般用来保护元件不被感应电压击穿或烧坏，以并联的方式接到产生感应电动势的元件两端，并与其形成回路，使其产生的高电动势在回路以续电流方式消耗，从而起到保护电路中的元件不被损坏的作用。二极管有正负极之分，用万用表可以测出来，看上面的标示也能看出来，如果电压不是高过它的反向击穿电压一般不会击穿。二极管种类有很多，按照所用的半导体材料，可分为锗二极管（Ge 管）和硅二极管（Si 管）。根据其不同用途，可分为检波二极管、整流二极管、稳压二极管、开关二极管等。按照管芯结构，又可分为点接触型二极管、面接触型二极管及平面型二极管。点接触型二极管是用一根很细的金属丝压在光洁的半导体晶片表面，通以脉冲电流，使触丝一端与晶片牢固地烧结在一起，形成一个“PN 结”。由于是点接触，只允许通过较小的电流（不超过几十毫安），适用于高频小电流电路，如收音机的检波等。面接触型二极管的“PN 结”面积较大，允许通过较大的电流（几安到几十安），主要用于把交流电变换成直流电的“整流”电路中。平面型二极管是一种特制的硅二极管，它不仅能通过较大的电流，而且性能稳定可靠，多用于开关、脉冲及高频电路中。

续流二极管都是并联在线圈的两端，线圈在通过电流时，会在其两端产生感应电动势。当电流消失时，其感应电动势会对电路中的原件产生反向电压。当反向电压高于原件的反向击穿电压时，会把原件如三极管等造成损坏。续流二极管并联在线圈两端，当流过线圈中的电流消失时，线圈产生的感应电动势通过二极管和线圈构成的回路产生热量而被消耗掉，从而保护了电路中的其它元件不受损坏。

续流二极管在电路中反向并联在继电器或电感线圈的两端，当电感线圈断电时其两端的电动势并不立即消失，此时残余电动势通过一个二极管释放，起这种作用的二极管叫续流二极管，元器件本身是个二极管只不过它在这起续流作用而已。例如在继电器线圈两端反向接的二极管或单向可控硅两端反向接的二极管起到的都是续流保护的作用。

由于继电器的线圈是一个很大的电感，它能以磁场的形式储存电能，所以当继电器吸合的时候能够存储大量的磁场，当控制继电器的三极管由导通变为截止时线圈断电，但是线圈里存在磁场，这时将产生反向电动势电压，最高可达1000v 以上，很容易击穿三极管或电路中其他元件。续流二极管的保护作用是由于二极管的接入正好和反向电动势电压极性方向一致，把反向电动势通过续流二极管以电流的形式中和掉从而保护了其他电路元器件，因此它一般是开关速度比较快的二极管。

续流二极管经常和储能元件一起使用，防止电压电流突变，提供通路。电感可以经过它给负载提供持续的电流，以免负载电流突变，起到平滑电流的作用，在开关电源中，就能见到一个由二极管和电阻串连起来构成的的续流电路。这个电路与变压器原边并联，当开关管关断时，续流电路可以释放掉变压器线圈中储存的能量，防止感应电压过高，击穿开关管。一般选择快速恢复二极管或者肖特基二极管，用来把线圈产生的反向电势释放掉。

在图1 中KR 在VT 导通时，上面电压为上正下负，电流方向由上向下。在VT 关断时会，KR 中电流突然中断，会产生感应电势，其方向是保持电流不变，即总想保持KR 电流方向为由上至下，这个感应电势与电源电压迭加后加在VT两端，容易使VT 击穿。为此加上VD，将KR 产生的感应电势短路掉，正如我们日常所说的“顺时针方向在二极管和继电器所形成的小回路里面流动”，从而保护VT。图中的R、C也是利用C 上电压不能突变的原理，来吸收感应电势。可见续流二极管并不是一个实质的元件,只是在电路中起到的作用称做“续流”。续流二极管在正激开关电源的作用：在正激开关电源中当MOS 关断的时候变压器副边靠电感中储存的能量对外提供电流。为使电感在有负载时发挥这种作用在变压器的副边增加续流二极管。当MOS 关断时电感负载和续流二极管会产生通路将电感中的能量对外传递。只有在有外负载的情况下续流二极管中采用电流流过变流技术中续流二极管在电路里起什么作用：在电子变流电路中整流部分单相桥式整流是实际应用最多的单相整流电路。而三相桥式整流是电力系统特别是发电机励磁系统应用最多的方式，这两种电路都要接入续流二极管。其作用大致是一样的，以单相桥式电路为例说明当可控整流桥接入感性负载时由于电感电流不能突变，在可控硅关断期内必须在负载两端接入续流二极管以保持电感电流的通路，以防止可控硅关断时在电感负载两端产生危险的过电压和可控硅能够换相导通。然而发电机励磁系统应用较多的三相桥式整流电路有三相半控桥不三相全控桥电路之分。因此为了保证整流元件可靠换流半控桥需要在感性负载两端并联续流二极管而全控桥不需要这样做。当导通角改变时半控桥的平均电压和线电流的变化较全控桥慢。在现如今使用较多的如变频器等设备中包含有整流和逆变等变流电路其中用到的续流二极管一般都是在变频器内部的直流母线上加续流二极管，那是因为如果负载是电感元件时当，母线上大容量的逆变器发生故障时，直流母线上会产生巨大的反向浪涌能量，此时我们需要给这些能量提供一个泻放通道，否则巨大的能量将击穿戒烧毁小逆变器。而这个通道就需要二极管来构成，故应为续流二极管，因为单向半波可控整流电路带大电感负载时为什么必须加续流二极管，单向半波可控整流带大电感负载在负半周可控硅截止时电感负载会产生很高的反向感应电动势，此反向电动势足以使可控硅击穿烧毁。

图1 续流二极管原理图

3 变桨柜中续流二极管击穿的原因

在变桨系统中，T1 模块将NG5 提供的60V 电通过DC-DC 变换为可用的24V 电与K3 继电器线圈的A1、A2触点连接，在变桨系统正常情况下限位开关为常闭状态，此时相当于K3 继电器回路只有电源与K3 继电器与反并联的续流二极管组成一个回路，当NG5 充电过程中出现电压波动或者故障，造成T1 模块变换出的电压产生波动，当电压波动大于续流二极管额定的反向导通压降时就可能出现续流二极管被击穿的情况，此时变桨柜中T1模块24V 电回路中（图2）。

图2 K3 继电器短路等效图

续流二极管不再有反向压降相当于短路状态，T1 回路中电流瞬间增大，虽然在回路中有10A 保险F5 的保护，但是根据接近开关和旋转编码器的额定电流可以看出，接近开关，旋转编码器的额定电流只有200mA 和50mA，因此，在F5 保险起到保护作用以前，这两个器件已经被过流损伤，无法使用（图3）。

图3 旋转编码器额定电压、电流

图5 某风场14#机组3 号柜低电压b 文件截图

案例：

（1）机组出现续流二极管被击穿情况，故障文件显示的是安全链故障，现场人员进行检测发现K3 继电器的LED 灯不亮，检查发现续流二极管已经被击穿，同时24V 回路的KL5001、旋转编码器、接近开关已经烧毁。此时观察故障文件中超级电容两端高低电压发现，前期高电压为29V，而低电压为-0.158V，压差为30V 左右，所以此时超级电容两端电压输出正常（图4-5）。

图4 某风场14#机组3 号柜高电压b 文件截图

而在运行中高电压出现波动，低电压突然增大到87V，出现近50V 的反向压降。由于我们的机组在测量高低电压取的是超级电容的正极和中间电压进行测量，所以此时的在超级电容两端产生的反向压降将大于50V，再经过T1 模块转换电压后产生过大的反向压降将续流二极管反向击穿。

（2）某风场23#风机出现故障，现场观察风机故障停机后叶片角度在0°不动，面板监视显示数据丢失，上风机检查发现NG5 充电不正常，测量NG5 连接超级电容电压正常，但是甩开NG5 的60VGND 对地测量发现有电压为120V，判断为NG5 发生故障，此时模块F5 保险被击穿，导致模块断电无法工作，更换NG5、F5 保险后发现K3 继电器上LED 小灯不亮，进行检查发现K3 继电器续流二极管被反向击穿，更换后正常，但是旋转编码器，接近开关，KL5001 由于24V直流回路短路电流过大已经烧毁，无法使用。

4 建议改进措施

4.1 更换K3 继电器续流二极管

目前我们使用的K3 继电器是意大利finder 的继电器，续流二极管的反向压降最大为28V，而在现场的测试中发现使续流二极管被击穿的最大电压超过40V，尽管我们已经开始对电磁刹车的线圈和续流二极管进行改造，但是改造后仍然有K3 继电器续流二极管被击穿的事故发生，所以可以肯定降低后的电压仍然大于续流二极管的反向压降。如果考虑增大续流二极管的反向抗压能力，会在一定程度上保障K3继电器续流二极管的稳定性。

4.2 增加24V 隔离开关稳压电源

由于变桨系统24V 直流回路的电源由T1 模块转换过来，所以在供电环节存在一定问题，如果系统出现故障产生电压波动，会直接影响到T1 模块的电压转换，造成K3 继电器续流二极管被反向击穿，因此我们可以考虑加装隔离24V隔离开关稳压电源来防止变桨柜直流控制单元供电重产生的波动，将回路中NG 产生的转换电压与直流回路进行隔离，用来保障在机组NG5 出现故障产生的电压波动影响到24V 直流回路造成敏感元件的损伤。

如图6 所示，因为T1 是直流斩波的DC-DC 模块，所以在构造中没有对一次和二次回路进行隔离，所以加装一个24V 隔离电源，对T1 模块的24V 电进行隔离得到稳定的24V直流电，给24V 回路进行供电。

图6 加装24V 隔离电源图示

DC/DC24V 隔离稳压电源参数：

特点：输入与输出隔离, 输入电压：DC20V-32V (极限18V-36V）,输出电压：DC24V(20V-28V 可调),外形尺寸：长度215mm x 宽度115mm x 高50mm。

5 结论

K3 继电器续流二极管被击穿现象在现场出现比较频繁，但是需要认真去研究，这里只是我的一点不成熟的浅显认识。虽然在变桨系统中K3 继电器续流二极管只是很小的一个部分，但是它出现故障后所造成的损失却是不小的，从防微杜渐的角度考虑我们应该对其有所了解，防止同类故障的反复发生，虽然K3 继电器在没有安装续流二极管仍然能够正常使用，但是一旦出现冲限位故障，将会造成对敏感元器件如：旋编、接近开关、KL5001 的电压冲击导致彻底损坏，所以这种情况下最好的办法是等待备件以防止更大的失误出现。由于现场工作条件的局限性，无法对改进措施进行实践，所以改进方面的提出会存在或多或少的不成熟和错误的地方，请各位同事进行指正。