關于K3 繼電器續(xù)流二極管問題的分析

張健

（中電投東北新能源發(fā)展有限公司，遼寧 沈陽 110000）

1 K3 繼電器在變槳系統(tǒng)中的應用

在1.5MW 機組變槳柜中，K3 繼電器的吸合通過A1、A2觸點連接T1 模塊轉換的24V 電壓，由92°限位開關控制，采用失電保護形式，在限位開關閉合狀態(tài)的時候為常開閉合狀態(tài)，同時通過21、24 常開觸點閉合給KL1104 發(fā)送限位開關正常信號，11、14 號常開觸點連接AC2 變頻器的KEY 端子，用以控制變槳系統(tǒng)的自動變槳，K3 得電時，11、14 常開觸點閉合，自動變槳可用。K3 繼電器續(xù)流二極管的LED 小燈常亮。當限位開關動作后，K3 繼電器失電，11、14 常開觸點斷開，自動變槳不可用，21、24 常開觸點斷開，KL1104 接收不到限位開關正常信號后報故障。

K3 繼電器的開合由限位開關控制，在限位開關動作時K3 繼電器A1、A2 線圈也動作，而繼電器線圈是一個電感量很大的電感,在斷電時會產(chǎn)生很高的自感電勢，所以K3 繼電器線圈在斷電時會在我們的電路中產(chǎn)生一個很大的反向電動勢，這個電壓會損害我們電路中的元件，所以在繼電器線圈上反向并聯(lián)一個二極管，主要是保護我們的繼電器線圈和電路中電子元件不受高壓損壞，它能將產(chǎn)生的反向電動勢通過二極管回路釋放掉，起到保護作用。

2 續(xù)流二極管作用及工作原理

續(xù)流二極管(flyback diode)，有時也稱為飛輪二極管或是snubber 二極管，是一種配合電感性負載使用的二極管，當電感性負載的電流有突然的變化或減少時，電感二端會產(chǎn)生突變電壓，可能會破壞其他元件。配合續(xù)流二極管時，其電流可以較平緩地變化，避免突波電壓的發(fā)生。我們通常所說的“續(xù)流二極管”由于在電路中起到續(xù)流的作用而得名，一般選擇快速恢復二極管或者肖特基二極管來作為“續(xù)流二極管”，它在電路中一般用來保護元件不被感應電壓擊穿或燒壞，以并聯(lián)的方式接到產(chǎn)生感應電動勢的元件兩端，并與其形成回路，使其產(chǎn)生的高電動勢在回路以續(xù)電流方式消耗，從而起到保護電路中的元件不被損壞的作用。二極管有正負極之分，用萬用表可以測出來，看上面的標示也能看出來，如果電壓不是高過它的反向擊穿電壓一般不會擊穿。 二極管種類有很多，按照所用的半導體材料，可分為鍺二極管（Ge 管）和硅二極管（Si 管）。根據(jù)其不同用途，可分為檢波二極管、整流二極管、穩(wěn)壓二極管、開關二極管等。按照管芯結構，又可分為點接觸型二極管、面接觸型二極管及平面型二極管。點接觸型二極管是用一根很細的金屬絲壓在光潔的半導體晶片表面，通以脈沖電流，使觸絲一端與晶片牢固地燒結在一起，形成一個“PN 結”。由于是點接觸，只允許通過較小的電流（不超過幾十毫安），適用于高頻小電流電路，如收音機的檢波等。面接觸型二極管的“PN 結”面積較大，允許通過較大的電流（幾安到幾十安），主要用于把交流電變換成直流電的“整流”電路中。平面型二極管是一種特制的硅二極管，它不僅能通過較大的電流，而且性能穩(wěn)定可靠，多用于開關、脈沖及高頻電路中。

續(xù)流二極管都是并聯(lián)在線圈的兩端，線圈在通過電流時，會在其兩端產(chǎn)生感應電動勢。當電流消失時，其感應電動勢會對電路中的原件產(chǎn)生反向電壓。當反向電壓高于原件的反向擊穿電壓時，會把原件如三極管等造成損壞。續(xù)流二極管并聯(lián)在線圈兩端，當流過線圈中的電流消失時，線圈產(chǎn)生的感應電動勢通過二極管和線圈構成的回路產(chǎn)生熱量而被消耗掉，從而保護了電路中的其它元件不受損壞。

續(xù)流二極管在電路中反向并聯(lián)在繼電器或電感線圈的兩端，當電感線圈斷電時其兩端的電動勢并不立即消失，此時殘余電動勢通過一個二極管釋放，起這種作用的二極管叫續(xù)流二極管，元器件本身是個二極管只不過它在這起續(xù)流作用而已。例如在繼電器線圈兩端反向接的二極管或單向可控硅兩端反向接的二極管起到的都是續(xù)流保護的作用。

由于繼電器的線圈是一個很大的電感，它能以磁場的形式儲存電能，所以當繼電器吸合的時候能夠存儲大量的磁場，當控制繼電器的三極管由導通變?yōu)榻刂箷r線圈斷電，但是線圈里存在磁場，這時將產(chǎn)生反向電動勢電壓，最高可達1000v 以上，很容易擊穿三極管或電路中其他元件。續(xù)流二極管的保護作用是由于二極管的接入正好和反向電動勢電壓極性方向一致，把反向電動勢通過續(xù)流二極管以電流的形式中和掉從而保護了其他電路元器件，因此它一般是開關速度比較快的二極管。

續(xù)流二極管經(jīng)常和儲能元件一起使用，防止電壓電流突變，提供通路。電感可以經(jīng)過它給負載提供持續(xù)的電流，以免負載電流突變，起到平滑電流的作用，在開關電源中，就能見到一個由二極管和電阻串連起來構成的的續(xù)流電路。這個電路與變壓器原邊并聯(lián)，當開關管關斷時，續(xù)流電路可以釋放掉變壓器線圈中儲存的能量，防止感應電壓過高，擊穿開關管。一般選擇快速恢復二極管或者肖特基二極管，用來把線圈產(chǎn)生的反向電勢釋放掉。

在圖1 中KR 在VT 導通時，上面電壓為上正下負，電流方向由上向下。在VT 關斷時會，KR 中電流突然中斷，會產(chǎn)生感應電勢，其方向是保持電流不變，即總想保持KR 電流方向為由上至下，這個感應電勢與電源電壓迭加后加在VT兩端，容易使VT 擊穿。為此加上VD，將KR 產(chǎn)生的感應電勢短路掉，正如我們日常所說的“順時針方向在二極管和繼電器所形成的小回路里面流動”，從而保護VT。圖中的R、C也是利用C 上電壓不能突變的原理，來吸收感應電勢?？梢娎m(xù)流二極管并不是一個實質的元件,只是在電路中起到的作用稱做“續(xù)流”。續(xù)流二極管在正激開關電源的作用：在正激開關電源中當MOS 關斷的時候變壓器副邊靠電感中儲存的能量對外提供電流。為使電感在有負載時發(fā)揮這種作用在變壓器的副邊增加續(xù)流二極管。當MOS 關斷時電感負載和續(xù)流二極管會產(chǎn)生通路將電感中的能量對外傳遞。只有在有外負載的情況下續(xù)流二極管中采用電流流過變流技術中續(xù)流二極管在電路里起什么作用：在電子變流電路中整流部分單相橋式整流是實際應用最多的單相整流電路。而三相橋式整流是電力系統(tǒng)特別是發(fā)電機勵磁系統(tǒng)應用最多的方式，這兩種電路都要接入續(xù)流二極管。其作用大致是一樣的，以單相橋式電路為例說明當可控整流橋接入感性負載時由于電感電流不能突變，在可控硅關斷期內必須在負載兩端接入續(xù)流二極管以保持電感電流的通路，以防止可控硅關斷時在電感負載兩端產(chǎn)生危險的過電壓和可控硅能夠換相導通。 然而發(fā)電機勵磁系統(tǒng)應用較多的三相橋式整流電路有三相半控橋不三相全控橋電路之分。因此為了保證整流元件可靠換流半控橋需要在感性負載兩端并聯(lián)續(xù)流二極管而全控橋不需要這樣做。當導通角改變時半控橋的平均電壓和線電流的變化較全控橋慢。在現(xiàn)如今使用較多的如變頻器等設備中包含有整流和逆變等變流電路其中用到的續(xù)流二極管一般都是在變頻器內部的直流母線上加續(xù)流二極管，那是因為如果負載是電感元件時當，母線上大容量的逆變器發(fā)生故障時，直流母線上會產(chǎn)生巨大的反向浪涌能量，此時我們需要給這些能量提供一個瀉放通道，否則巨大的能量將擊穿戒燒毀小逆變器。而這個通道就需要二極管來構成，故應為續(xù)流二極管，因為單向半波可控整流電路帶大電感負載時為什么必須加續(xù)流二極管，單向半波可控整流帶大電感負載在負半周可控硅截止時電感負載會產(chǎn)生很高的反向感應電動勢，此反向電動勢足以使可控硅擊穿燒毀。

圖1 續(xù)流二極管原理圖

3 變槳柜中續(xù)流二極管擊穿的原因

在變槳系統(tǒng)中，T1 模塊將NG5 提供的60V 電通過DC-DC 變換為可用的24V 電與K3 繼電器線圈的A1、A2觸點連接，在變槳系統(tǒng)正常情況下限位開關為常閉狀態(tài)，此時相當于K3 繼電器回路只有電源與K3 繼電器與反并聯(lián)的續(xù)流二極管組成一個回路，當NG5 充電過程中出現(xiàn)電壓波動或者故障，造成T1 模塊變換出的電壓產(chǎn)生波動，當電壓波動大于續(xù)流二極管額定的反向導通壓降時就可能出現(xiàn)續(xù)流二極管被擊穿的情況，此時變槳柜中T1模塊24V 電回路中（圖2）。

圖2 K3 繼電器短路等效圖

續(xù)流二極管不再有反向壓降相當于短路狀態(tài)，T1 回路中電流瞬間增大，雖然在回路中有10A 保險F5 的保護，但是根據(jù)接近開關和旋轉編碼器的額定電流可以看出，接近開關，旋轉編碼器的額定電流只有200mA 和50mA，因此，在F5 保險起到保護作用以前，這兩個器件已經(jīng)被過流損傷，無法使用（圖3）。

圖3 旋轉編碼器額定電壓、電流

圖5 某風場14#機組3 號柜低電壓b 文件截圖

案例：

（1）機組出現(xiàn)續(xù)流二極管被擊穿情況，故障文件顯示的是安全鏈故障，現(xiàn)場人員進行檢測發(fā)現(xiàn)K3 繼電器的LED 燈不亮，檢查發(fā)現(xiàn)續(xù)流二極管已經(jīng)被擊穿，同時24V 回路的KL5001、旋轉編碼器、接近開關已經(jīng)燒毀。此時觀察故障文件中超級電容兩端高低電壓發(fā)現(xiàn)，前期高電壓為29V，而低電壓為-0.158V，壓差為30V 左右，所以此時超級電容兩端電壓輸出正常（圖4-5）。

圖4 某風場14#機組3 號柜高電壓b 文件截圖

而在運行中高電壓出現(xiàn)波動，低電壓突然增大到87V，出現(xiàn)近50V 的反向壓降。由于我們的機組在測量高低電壓取的是超級電容的正極和中間電壓進行測量，所以此時的在超級電容兩端產(chǎn)生的反向壓降將大于50V，再經(jīng)過T1 模塊轉換電壓后產(chǎn)生過大的反向壓降將續(xù)流二極管反向擊穿。

（2）某風場23#風機出現(xiàn)故障，現(xiàn)場觀察風機故障停機后葉片角度在0°不動，面板監(jiān)視顯示數(shù)據(jù)丟失，上風機檢查發(fā)現(xiàn)NG5 充電不正常，測量NG5 連接超級電容電壓正常，但是甩開NG5 的60VGND 對地測量發(fā)現(xiàn)有電壓為120V，判斷為NG5 發(fā)生故障，此時模塊F5 保險被擊穿，導致模塊斷電無法工作，更換NG5、F5 保險后發(fā)現(xiàn)K3 繼電器上LED 小燈不亮，進行檢查發(fā)現(xiàn)K3 繼電器續(xù)流二極管被反向擊穿，更換后正常，但是旋轉編碼器，接近開關，KL5001 由于24V直流回路短路電流過大已經(jīng)燒毀，無法使用。

4 建議改進措施

4.1 更換K3 繼電器續(xù)流二極管

目前我們使用的K3 繼電器是意大利finder 的繼電器，續(xù)流二極管的反向壓降最大為28V，而在現(xiàn)場的測試中發(fā)現(xiàn)使續(xù)流二極管被擊穿的最大電壓超過40V，盡管我們已經(jīng)開始對電磁剎車的線圈和續(xù)流二極管進行改造，但是改造后仍然有K3 繼電器續(xù)流二極管被擊穿的事故發(fā)生，所以可以肯定降低后的電壓仍然大于續(xù)流二極管的反向壓降。如果考慮增大續(xù)流二極管的反向抗壓能力，會在一定程度上保障K3繼電器續(xù)流二極管的穩(wěn)定性。

4.2 增加24V 隔離開關穩(wěn)壓電源

由于變槳系統(tǒng)24V 直流回路的電源由T1 模塊轉換過來，所以在供電環(huán)節(jié)存在一定問題，如果系統(tǒng)出現(xiàn)故障產(chǎn)生電壓波動，會直接影響到T1 模塊的電壓轉換，造成K3 繼電器續(xù)流二極管被反向擊穿，因此我們可以考慮加裝隔離24V隔離開關穩(wěn)壓電源來防止變槳柜直流控制單元供電重產(chǎn)生的波動，將回路中NG 產(chǎn)生的轉換電壓與直流回路進行隔離，用來保障在機組NG5 出現(xiàn)故障產(chǎn)生的電壓波動影響到24V 直流回路造成敏感元件的損傷。

如圖6 所示，因為T1 是直流斬波的DC-DC 模塊，所以在構造中沒有對一次和二次回路進行隔離，所以加裝一個24V 隔離電源，對T1 模塊的24V 電進行隔離得到穩(wěn)定的24V直流電，給24V 回路進行供電。

圖6 加裝24V 隔離電源圖示

DC/DC24V 隔離穩(wěn)壓電源參數(shù)：

特點：輸入與輸出隔離, 輸入電壓：DC20V-32V (極限18V-36V）,輸出電壓：DC24V(20V-28V 可調),外形尺寸：長度215mm x 寬度115mm x 高50mm。

5 結論

K3 繼電器續(xù)流二極管被擊穿現(xiàn)象在現(xiàn)場出現(xiàn)比較頻繁，但是需要認真去研究，這里只是我的一點不成熟的淺顯認識。雖然在變槳系統(tǒng)中K3 繼電器續(xù)流二極管只是很小的一個部分，但是它出現(xiàn)故障后所造成的損失卻是不小的，從防微杜漸的角度考慮我們應該對其有所了解，防止同類故障的反復發(fā)生，雖然K3 繼電器在沒有安裝續(xù)流二極管仍然能夠正常使用，但是一旦出現(xiàn)沖限位故障，將會造成對敏感元器件如：旋編、接近開關、KL5001 的電壓沖擊導致徹底損壞，所以這種情況下最好的辦法是等待備件以防止更大的失誤出現(xiàn)。由于現(xiàn)場工作條件的局限性，無法對改進措施進行實踐，所以改進方面的提出會存在或多或少的不成熟和錯誤的地方，請各位同事進行指正。

6 致謝

在現(xiàn)場工作的這段時期中，感謝各位同事給予的指導和幫助，更加佩服的是現(xiàn)場人員在各種惡劣條件下所進行的嚴謹、細致的工作。目前在技術上尚不成熟的我會在以后的工作中向各位同事多多學習，做好現(xiàn)場調試和維護的每一個步驟，充實和提高自己。