缓冲电路分析的意义

2021-10-16

缓冲电路分析的意义

许多电路元件可能由于过压、过热、过流或电压和电流的不必要变化而失效。对于过流情况，可以通过在特定位置使用熔断器来保护组件。同样，对于过热，散热片和风扇用于将多余的热量从不需要的区域推开。虽然开关负载在大型配电设施中是常见的做法，但在某些情况下，开关可能会导致产生瞬态条件，从而扰乱系统的稳定性。

这种干扰会导致设备绝缘水平的超出，即随着时间的推移降低其绝缘效果。这就是缓冲电路发挥作用的地方。缓冲电路是一种公认的方法，可以减轻开关瞬变的影响，以保持电力系统齿轮的可靠性并使其长期运行。

什么是缓冲电路？

定义：缓冲器是一种电路，它通过限制或停止（缓冲）电压尖峰即开关电压幅度及其上升速率来起到保护作用，从而降低总功耗。它通过钳位电压尖峰来工作，但不会改变系统的振铃频率。

当这个由电阻器、电容器、保险丝和避雷器组成的电路与所需设备一起工作时，它会吸收电压上升并使其波形中的干扰正常化。这种电路在消除瞬态电压和平滑谐振和反射方面是最好的，甚至在它们建立的机会之前。

电压异常或扰动也称为瞬态恢复电压 (TRV)，其原因有很多，包括：

系统绝缘损坏。

立即中断输电线路上的断路器。

一道雷击。

系统负载的突然变化。

闪络（弧闪）。

变压器故障。

机器立即跳闸。

用于缓冲电路设计的开关波形

在直接进入缓冲电路的设计之前，必须了解电源电路的波形。这些波形为我们提供了动力，更重要的是提供了一种模式来了解缓冲器的使用和有关其设计的信息。

日常使用的许多不同设备都有不同的电路。幸运的是，它们都有一个共同的类或与之相关的共同波形。这种分类使我们能够轻松地为一组具有相同特性的设备设计缓冲电路，而不是从每个设备收集数据。

虽然缓冲电路基本上由电阻器和电容器组成，但鉴于需要对电路基础有深入而扎实的知识，设计它是电路设计中最复杂的任务之一。但是，阅读本文后，您可能对如何设计所需器件的良好缓冲电路略有了解。

缓冲电路设计

缓冲电路的设计由串联的电容器和与晶闸管并联的电阻器组成。当最初施加电压时，缓冲电路表现为短路，因此器件两端的电压为零。

电容器两端的电压逐渐增加，但速度较慢，因此晶闸管两端的 dv/dt（电压变化率）保持在所需范围内。在接通晶闸管之前，电容器已充满电，一旦晶闸管接通，它就会通过可控硅二极管 (SCR) 放电。

然后通过与电容器 (C) 串联的电阻器 (R) 限制放电电流，以将电流值及其变化率 (di/dt) 保持在安全边界内。

电容器和电阻器选择

缓冲电路的电容器通常承受高峰值电流和电压变化率 (dv/dt)。传统的缓冲电路必须满足两个主要要求。

缓冲电容器中存储的能量应大于电路电感中的能量。

缓冲电路的时间常数是预期导通时间的 10%，即与最短导通时间相比较小。

为了使缓冲电路的电阻器在此振铃频率下有效，电容器用于最小化频率切换时的耗散。完美的设计是在振铃频率选择电容的阻抗与电阻的阻抗相同。

缓冲电路分析方法

缓冲电路研究的分析分 3 个主要步骤完成：

量化瞬态：

对相关区域及其下游连接的设备进行彻底研究、分析，然后在 EMTP（电磁瞬态程序）中建模。在该程序中，TRV 的关键参数包括其幅度、上升速率、频率和能量是从建议的模拟中提取的。针对不同的场景进行了许多模拟，包括最坏的情况，并估计了设备损坏的概率。

频率响应（故障区域下游）：

下一步是对相关区域下游系统设备的频率响应进行分析，以找出系统自然发生频率与瞬态之间共振的任何可能性。在任何可能的每个可能点重复此步骤以避免此类事件的进一步发生。

缓冲电路参数：

此过程的最后一步是为缓冲电路的设计推荐合适的参数，以将系统的浪涌和开关瞬变降低到所需的水平。最重要的是将连接的缓冲电路的频率响应与系统的频率响应同步，并严格记录和记录其响应偏差。

使用缓冲电路的必要性分析

正如之前在同一篇博客中所讨论的，设备的立即跳闸会导致阻抗突然变化到很高的值，这种情况允许小电流流过设备，从而在设备上产生高电压。更快的电流变化率 (di/dt) 也具有非常相似的效果。这种情况需要像缓冲电路这样的元件才能长期发挥作用。

缓冲电路负责以下功能：

降低设备开/关状态下的电压。

将电流和电压的变化率保持在瞬态中的最佳值。

消除电力系统中的浪涌。

保护敏感设备以长期执行。

缓冲电路分析的预期结果

相关保护设备或任何断路器甚至下游系统都针对瞬变的“不想要的最坏情况”条件进行了至关重要的评估，并通过缓冲电路分析的反推荐行动计划来处理此类情况。

总结整个讨论，可以从缓冲电路分析中得出以下主要观点：

下游系统和瞬变之间的共振可能性降低。

在到达下游设备之前将浪涌和瞬变处理到安全水平。

设备需要更少的维护，即延长使用寿命。

系统的整体性能 % 可靠性提高。

阅读完这篇技术博客后，您应该对电源系统中这种缓冲器电路研究的重要性有所了解。

如何通过仿真检测最坏情况瞬变？

为什么要将开关瞬变降低到最低水平？

如何减少设备损坏，提高系统可靠性？

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