CN1009981B

CN1009981B - 具有过电压保护的电流源功率转换装置

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Publication number: CN1009981B
Application number: CN88102486A
Authority: CN
Inventors: 安藤武喜; 中村清; 三根俊介; 稻葉博美; 黑沢俊明; 中里真朗; 坂井吉男
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1987-04-22
Filing date: 1988-04-22
Publication date: 1990-10-10
Also published as: KR920001165B1; US4884182A; GB2204196A; KR880013303A; GB8809372D0; GB2204196B; JPH088778B2; JPS6474068A; CN88102486A

Abstract

一种电流源功率转换装置，其中，交流-直流转换器经直流电抗器连接至直流-交流逆变器，两能量吸收装置分别连接到转换器和逆变器直流端，由此形成一个回路，使得当直流电抗器的电感所感生的电压大于第一预定值时，使电流经这两个能量吸收部件和直流电抗器环流。

Description

本发明涉及一种具有改进的过电压保护的电流源功率转换装置，特别是涉及这样一种电流源功率转换装置过电压保护的改进，这种电流源功率转换装置具有交流-直流转换器和通过一个直流电抗器与该转换器耦合的直流-交流逆变器。

近年来，电流源功率转换装置已被广泛地用来控制交流负载，例如，控制感应电动机。众所周知，电流源功率转换装置具有交流-直流转换器和直流-交流逆变器，其中，交流-直流转换器由许多半导体开关器件组成，这些器件反复地导通或关断，把交流电源提供的交流功率转换成直流功率，直流-交流转换器也由许多反复导通或关断的半导体开关器件组成，把直流功率转换成交流功率，提供给交流负载，例如供给感应电动机。而且，在上述转换器和逆变器之间具有一电抗器，为逆变器提供恒定的电流。

在这种电流源功率转换装置中，当转换器或逆变器的开关器件在开关操作的过程中关断时，或当其中任何一个有电流通过的开关器件，突然异常地断开时，通过这一功率转换装置电路中的电流突然中断，由于电路中存在电感，感应出很高的电压，这一电感包括存在于电路交流侧中的电感，即交流电源中的电感和交流负载以及直流电抗器中的电感。由此感应出的高电压加到各个电路元件上，特别是，当这一高电压成为开关器件的过电压时，会导致器件的击穿。

通常，对如上所述的这种电流源功率转换装置并未采取适当的保护以有效地防止半导体开关器件由于这种过电压而被破坏，例如，在由伊濑敏史（Ise）等人题为“采用反馈电压限幅电路的GTO转换器的结构和性能”一文中（《日本电气工程师学会》杂志，106卷，1986年第9期，第25至32页），揭示了一种转换器的控制极关断可控硅（闸门电路断开晶闸管）的过电压保护，用以控制供给超导电磁线圈的电流，电流本身则是由交流功率转换成直流功率而得的。

在这一转换器中，由于交流侧或上述线圈的漏感，在GTO关断时感应出高电压。按照如前所述的已有技术，这一高电压的感应通过用连接至转换器直流侧的能量吸收电路吸收储存在这些电感内的能量而加以消除。当GTO关断时，存储在这些电感内的能量释放出来，形成在能量吸收电路、线圈（负载）、转换器和交流电源中环流的电流，结果是在电流的循环流动中，能量被这一能量吸收电路所吸收。

正如上面的已有技术所揭示的，在线圈等负载连接至转换器的情形下，当GTO被关断或异常地断开时，释放储存在电路电感中能量的电流总是能够自动地通过负载环流，但是，如果逆变器作为负载连接该转换器，这一电流仅能在逆变器正常工作时环流，假如转换器和逆变器的GTO同时异常地断开，则无法形成释放存储能量的循环电路，假如存储能量不能释放，会感应出高电压并加到GTO上，这样，GTO就会由于过电压而损坏，上述已有技术对此并未提供任何有效的防范措施。

本发明的目的是在电流源功率转换装置中提供一种改进的过电压保护，该转换装置包括：一个用于把交流电源提供的交流功率转换成直流功率的转换器，一个用于把转换后得到直流功率逆变成提供交流负载的逆变器，以及一个处于上述转换器和逆变器之间的直流电抗器，逆变器经这一电抗器得到转换后的直流功率。

本发明的特点在于，在这种电流源功率转换装置中，有着两组能量吸收装置，每一组包括一个整流器和一个跨接在该整流器直流输出端的能量吸收元件，一组能量吸收装置的整流器的交流输入端连接到转换器的交流输入端，其直流输出端则通过二极管跨接到转换器的直流输出端，另一组能量吸收装置的整流器的交流输入端连接到逆变器的交流输出端，其直流输出端则通过二极管跨接到转换器的直流输入端，这样就形成了包括两组能量吸收装置和上述直流电抗器的电路，当存在于这一功率转换装置电路中的电感感应出大于第一预定值的电压时，电流可以经过一电路环流。

按照本发明，总是可以建立一个用于释放功率转换装置电路中存在的电感所储存的能量的电路，这样，即使转换器和逆变器的半导体开关器件同时异常地断开，储存在电感内的能量也能释放，所以，没有过电压加到这些半导体开关器件上。

按照本发明的一个细节特征，设置了过电压检测装置，用来检测两个能量吸收装置中至少一个所包含的能量吸收元件两端出现的电压是否过第二预定值，利用这一过电压检测装置的输出，可以实现进一步确保如上述的过电压保护的各种保护。

而且，按照本发明的另一细节特征，还设置了电压供应装置，用来在功率转换装置运行之前向两个能量吸收装置中至少一个所包含的能量吸收元件提供电压，这就使得能量吸收元件的电压保持在一所希望的值上，它比第二预定值小，但比第一预定值大，由于把能量吸收元件的电压保持在这样一个值上，就有可能在功率转换装置开始运行时防止冲击（浪涌）电流进入能量吸收元件。

按照本发明的再一个细节特征，在两个能量吸收装置中至少一个内设置了反馈装置，它在能量吸收元件的电压超过第二预定值时，把储存在能量吸收元件内的能量反馈至交流电源，这样，可以大大改善交流侧电压和电流波形的畸变。

本发明的其它特点和优点将通过下列参照附图所作的描述而变得十分明显，并将在权利要求中显著地指出。

图1是按照本发明的一个实施例的电流源功率转换装置的整体结构的示意图;

图2是用来说明图1实施例中过电压保护操作的图;图3a至3e表示在图1的装置中各个部分的信号波形和变化方式;

图4表示图1实施例中一个修改部分;

图5是按照本发明另一个实施例的电流源功率转换装置的结构的示意图;

图6是用于解释图5实施例中所采用的电压供应器件的工作的图;

图7是按照本发明再一个实施例的电流源功率转换装置的结构的示意图;

图8是用来说明图5或图7的实施例中过电压保护操作的图。

下面将参照附图对实施本发明一些例子给出详细说明。

首先参见图1。图中示出了按照本发明一个实施例的电流源功率转换装置的整体结构，其中转换器3通过直流电抗器7连接至逆变器5。转换器3由接成桥接整流电路的晶体管3a至3f和与对应的晶体管串联连接的二极管组成，交流电源9通过接触器11和电抗器13向转换器3供应交流功率。

对交流电源9还设置了与转换器3相并联的三相全波整流器15，该整流器15的两个直流输出端经二极管17、19对应地连接至转换器3的直流输出端，电容21跨接在整流器15的直流输出端上。电容21用作能量吸收元件，吸收存在于该功率转换装置电路中的电感（下面称为电路电感）所储存的能量，这将在后面加以叙述。电阻23进一步并联连接在电容21上，以消耗电容21所吸收的能量，就这样，形成了能量吸收装置。

逆变器5由接成桥接整流电路的晶体管5a至5f和与对应的晶体管串联连接的二极管组成。逆变器5的直流输入端经直流电抗器7连接至转换器3的直流输出端，其交流输出端连接至交流负载，即图中的交流电动机M。

三相全波整流器27与逆变器5的交流输出端相并联地连接到负载25，该整流器27的两个直流输出端经二极管29、31对应地连接至逆变器5的直流输入端。电容33跨接在整流器27直流输出端上，电容33用作能量吸收元件，吸收储存在电路电感中的能量，电阻35进一步并联连接在电容33上，以释放其中所吸收的能量，整流器27的两个直流输出端经二极管29、31对应地连接至逆变器5的直流输入端。这样，形成了另一个能量吸收装置。

开关41和电阻43组成的电路为直流电抗器7提供了放电电路，当开关41导通时，储存在直流电抗器7内的能量释放至电阻43并在其中消耗掉，开关41由后面将描述的保护信号导通。

转换器3的交流输入端和逆变器5的交流输出端分别具有电容37、39。电容37、39实际上带有用来抑制对其最初充电时冲击（浪涌）电流的电阻，但这些电阻在图中未画出。

电容21、23上的电压从电阻23、25的两端检测，检测到的信号被耦合至过电压检测器51，在从电阻23或35上检测到的信号超过预定值时它产生输出信号，过电压检测器51的输出信号耦合至异常情况诊断单元53。

单元53通常可以由用来控制功率转换装置各种操作的微处理器的一个功能来实现。单元53根据来自过电压检测器51的输出产生各种保护信号，其中之一是用来导通开关41的信号，其它保护信号是送至转换器3和逆变器5的驱动电路55、57的信号。

驱动电路55、57放大来自转换器控制器和逆变器控制器（两者均未画出）的基极信号，并把放大后的信号加到转换器3和逆变器5的相应的电阻上，当来自单元53的信号加到驱动电路55、57上时，基极信号被中断，转换器3和逆变器5停止工作。

单元53所产生的最后一个保护信号是送至用来使接触器11动作的致动器59的信号，致动器 59使接触器11响应于来自单元53的信号而关断。

现在参见图3a至3e。下面将对图1中电路的工作加以说明。在图3a中，画出了交流电压源9的U、V、W₁三相的电压波形，画出的是对应于U相电压半周的波形。在图3b中，画出了晶体管3a至3f上的基极信号。在这一实施例中的基极信号是在脉冲宽度调制（PWM）控制的基础上产生的，然而，因为转换器3的控制方式本身与本发明的内容无关，这里略去了对它的进一步描述。

转换器3被图3b所示的基极信号控制的结果是，流过电容21的电流如图3c所示，其电压变化如图3d所示。电容21的电压逐步增加，当超过电压Ed时，过电压检测器51产生如图3e所示的输出信号，单元53监视图3e所示信号的持续时间或该信号出现的次数，在持续时间或出现次数超过预定值时产生保护信号。

下面，将叙述图1所示功率转换装置中过电压保护的工作情形。

首先叙述对直流电抗器7所感应的过电压的保护操作过程。当转换器3的晶体管3a对3f中任何一个异常地断开时，流过直流电抗器7的电流中断，储存在直流电抗器7内的能量通过下列电路释放：直流电抗器7-二极管29-电容器33-二极管31-二极管19-电容21-二极管17-直流电抗器7。即，由储存在直流电抗器7内的能量所引起的电流通过上述电路环流，储存在直流电抗器7内的能量转移到电容21、33上，防止了直流电抗器7内感应出高电压，转移到电容21、33上的能量分别释放到电阻23、25上并在此消耗掉。也就是说，储存在直流电抗器7内的能量被由整流器15、27，电容21、33和电阻23、35组成的两个能量吸收装置所吸收。当逆变器5的晶体管5a至5f中任何一个异常地断开时，其情况与上面所叙述的相同。而且，当转换器3和逆变器5的晶体管同时异常地断开时，也是按照如上所述的同样方式，防止感应出高的电压。在任何情况下，储存在直流电抗器7内的能量由包括这两个能量吸收装置的回路消耗掉，由此抑制了其中感生的高电压。

其次，储存在包括电抗器13的交流电源侧和交流负载侧即25的电路电感内的能量以下列方式消耗掉：当转换器3中的晶体管3a至3f中任一晶体管例如晶体管3a异常地断开时，正从该晶体管3a流过的电流转换到图中点划线所示的电路，即，经电源9-整流器15（二极管15d）-电容21-二极管17-直流电抗器7-二极管29-电容33-二极管31-转换器3（晶体管3e或3f）-电源9。而且，如果逆变器5的晶体管5a至5f中任一晶体管，例如晶体管5a异常地断开时，正在流过该晶体管5a的电流转换至二极管29，随后继续经下列电路流动：二极管29-电容33-整流器27（二极管27f）-电动机25-逆变器5（晶体管5e或5f）-二极管19-电容21-二极管17-直流电抗器7-二极管29。

通过上述回路，储存在交流电源侧电路电感中的能量转移至电容21、33上。类似地，储存在交流负载侧的电路电感内的能量也转移到电容21、33。在这两种情形下，转移并储存到电容21、33内的能量分别释放至电阻23、25，并在其中消耗掉。所以，即使转换器3和逆变器5的晶体管同时异常地断开，储存在交流电源侧和交流负载侧的电路电感内的能量都有效地消耗掉，这样就防止了高电压的产生。

此外，众所周知，在转换器3或逆变器5的功率转换操作中，晶体管被强制换向，在这种强制换向过程中，储存在交流电源侧和交流负载的电路电感内的能量有时会产生高电压，这就意味着在功率转换装置的正常工作期间电流也流入能量吸收装置，能量吸收装置的电路元件必须具有可以同转换器3和逆变器5相比的大容量。

可是，因为在许多情形下，实际上在转换器3的交流输出端和逆变器5的交流输出端分别具有电容37、39，在功率转换装置的正常工作期间大电流就不会流入能量吸收装置的电容21、33，所以，在设置了电容37、39的情形下，能量吸收装置的电路元件不需要具有如此大的容量。可以认为，能量吸收装置和电容37、39共同起到了吸收储存在交流电路的电路电感中的能量的作用，换句话说，前者在转换器3和逆变器5的晶体管异常地断开时吸收释放的能量，而后者在转换器3和逆变器5正常工作着的晶体管换向期间吸收释放的能量，从这一点来说，电容37、39也可以被称作能量吸收装置。

图2的曲线表示电容37、39的容量与正常工作中换向时电路电感所感生的电压之间的关系。

从图中可见，要是没有电容37、39，由电路电感所感生的电压将高达V_x明显超过晶体管额定电压V_r，这样的电压V_x将使晶体管击穿。如果设置了容量如P点所示的电容37、39，在晶体管换向时由电路电感感生的电压减小至电压V_o，换句话说，可以认为，在范围A即V_x-V_o内所指出的电压被电容37、39所吸收。在这一情况下，功率转换装置继续正常工作，在晶体管两端出现电压V_o，由此，电压V_o可以被称作晶体管的工作电压，如果由于流经晶体管的电流的异常中断感生出如Q点所示的电压，这一如Q点所示的电压就出现在晶体管的两端。该电压与电压V_x相比是很小的，所以，整流器15、27和能量吸收装置的电容21、33只要具有足以吸收这一较小电压的容量就可以了。这样，能量吸收装置起保护作用的范围如范围B所示，即从电压V_o至晶体管的额定电压V_r。而且，过电压检测器51的检测电平设定在R点，即Ed。

如上所述，储存在包括直流电抗器的电路电感内的能量转移到能量吸收装置的电容21、33，并在连接至电容21、33的电阻23、25中消耗掉。但是，如果储存在直流电抗器7内的能量较大，使得电容21、33不能很好地吸收，电容电压就会升高，这由过电压检测器51所检测。过电压检测器51的输出信号使产生保护信号之一的异常情况诊断单元53开始工作。这一保护信号使开关41导通，这样，储存在直流电抗器7内的能量由电阻43消耗掉。结果，防止了储存在直流电抗器7内能量进一步转移到电容21、33，限制了电容电压的增加。

此外，单元53还产生其他保护信号给驱动电路55、57，使基极信号中断以停止转换器3和逆变器5的工作，所以，可防止功率转换装置整体被损坏，能够实现工作相当可靠的功率转换装置。

在上述实施例中，应当注意电容21、33在功率转换装置的正常工作期间被充电到电压V_o，所以，在由电路电感引起的电压超过电压V_o时，能量吸收装置开始其第一作用（功能）。该作用（功能）可用图4所示的电路来代替，其中画出了对图1实施例所作的修改。

主要是，电流检测器61、65和非线性电阻元件63、67如可变电阻代替了图1中的电容21、35和检测其两端电压的电压检测器。可变电阻63、67的电压选定在图2中V_o和Ed之间的适当值，当电路电感引起的电压超过可变电阻63、67的选定电压时，电流开始在其中流过，检测器61、65检测这一电流而产生输出信号，这样，电流检测器61、65和可变电阻63、67的结合可以获得与图1中相关部分的同样作用。

现在请参见图5，下面将说明根据本发明另一个实施例的功率转换装置。按照这一实施例，在开始工作时易F出现的失误现象可被有效地避免。

在图1所示的电路中，当接触器11闭合时，由于电容21中没有任何电荷，一个大的充电电流（实际上等于短路电流），流入能量吸收装置的电容21，结果，转换器3交流输入端的电压降到极低的电压。功率转换装置的各个控制部件都在转换器3的交流输入端取得电功率，所以，如下所述的电压的严重降低使这些控制部件无法工作，造成功率转换装置失灵。

在本实施例中，如图5所示，比图1实施例中增加了电压供应装置，用来在功率转换装置开始工作之前向电容21、23充电，即，设置了一个具有两组次级线圈的变压器71，其初级线圈经开关81到交流电源供应，该开关81在接触器11闭合之前接通，两组次级线圈分别连接到整流器73、75，每一组均产生输出电压E_s，分别经电阻77、79提供给电容21、33。

按照本实施例，避免了在功率转换装置开始工作时冲击（浪涌）电流流入电容21，因为电容预先充电到了电压E_s。而且，本实施例还具有下列优点。如图6所示，当接触器11在时刻t闭合时，如果电容21不预先充电，其电压如E₁所示上升，电压E₁需要时间τ₁才能上升到过电压检测器51的检测电平Ed，相反，在本实施例中，电容21的电压如E₁所示增加，因为电容21已被充电至上述电压E_s，所以，电容21的电压E₁达到检测电平Ed的时间变为τ₂，比τ₁小得多。这就意味着很快便能检测到过电压。

在图5中，为转换器侧的电容21和逆变器侧的电容33都提供了电压供应装置，可是，电压供应装置只要为电容21和33之一提供就足够了，最好是供应转换器侧的电容21，因为冲击（浪涌）电流流入逆变器侧的电容33是很少发生的。

现在请参照图7，下面将说明本发明的又一个实施例。在这一实施例中，其中的主要部分也与图1的实施例相同，区别仅在于比图1实施例增加了两个逆变器的83、85和一个具有两组次级线圈的变压器91。逆变器83、85的直流端分别经电抗器87、89耦合至电容21、33，逆变器83、85的交流端连接到变压器91的次级线圈，其初级线圈连接到转换器3的交流输入端。

而且，可以仅在转换器侧设置一个附加逆变器，例如，在交流负载25的额定电压较低的情形下，即使电路电感感生出高电压，晶体管的额定电压仍有着足够的余量。

增加的逆变器83、85由相应的控制器（未画出）控制，以使它们的直流输出端保持预定的电压，例如Es，如果电容21、33的电压超过电压Es，储存在其内的能量经附加逆变器83、85和变压器91反馈给交流电源。防止电路电感感生出高电压的操作与图1和图5实施例中已经描述过的相同。在本实施例中，可减小电源侧的电压和电流波形的畸变。

图8所示的关系与图2的相同。与图5的实施例的情形类似，图8中的电压Es选得大于晶体管工作电压V₀的值，但小于过电压检测器51的检测电平Ed′。

Claims

1、一种电流源功率转换装置，包括：

由交流电源经接触器供电，用于将交流功率转换成直流功率的转换器，

与所述的转换器的一个直流输出端串联的直流电抗器，

由所述的转换器经所述的直流电抗器供电、用于将直流功率逆变成提供给交流负载的交流功率的逆变器，

其特征在于：

包括第一整流器和第一电容器的第一能量吸收装置，所述的第一整流器的交流端连接到所述的转换器的交流端，其直流端经二极管连接在所述直流电抗器与所述转换器之间，并与所述转换器的直流端并联，所述第一电容器与所述第一整流器的直流端并联，

包括第二整流器和第二电容器的第二能量吸收装置，所述第二整流器的交流端连接到所述逆变器的交流端，其直流端经二极管连接在所述直流电抗器与所述逆变器之间，所述第二电容器与所述第二整流器的直流端并联，

由此，所述的第一和第二能量吸收装置及所述直流电抗器形成一个环流回路，当所述的直流电抗器感生的电压大于第一预定值时，由储存在所述直流电抗器中的能量引起的电流能够经其环流。

2、如权利要求1所述的电流源功率转换装置，其特征在于，进一步具有连接到所述转换器的交流端的第三能量吸收装置和连接到所述逆变器交流端的第四能量吸收装置。

3、如权利要求1所述的电流源功率转换装置，其特征在于，至少在所述的第一和第二能量吸收装置之一中进一步具有过电压检测器，该过电压检测器至少检测上述第一和第二电容器之一的电压，并在检测到的电容电压超过比第一预定值大的第二预定值时，产生过电压检测信号。

4、如权利要求3所述的电流源功率转换装置，其特征在于，具有与所述直流电抗器并联、响应于上述过电压检测信号使储存在所述的直流电抗器内的能量消耗掉的能量消耗电路。

5、如权利要求3所述的电流源功率转换装置，其特征在于，接触器响应于过电压检测信号而断开。

6、如权利要求3所述的电流源功率转换装置，其特征在于，送至所述的转换器和逆变器中至少一个的控制信号响应于上述过电压检测信号而中断。

7、如权利要求3所述的电流源功率转换装置，其特征在于，所述的过电压检测器在有预定数量的脉冲状信号出现时产生过电压检测信号，每一脉冲状信号是在所述第一第二电容器中至少一个的电压大于第二预定值时产生的。

8、如权利要求3所述的电流源功率转换装置，其特征在于，所述的过电压检测器，在一预定期间持续检测到出现脉冲状信号时，产生过电压检测信号，每一脉冲状信号是在所述第一和第二电容器中至少一个的电压大于第二预定值时产生的。

9、如权利要求3所述的电流源功率转换装置，其特征在于，至少在所述第一和第二能量吸收装置之一内进一步具有用于把所述第一和第二电容器中至少一个的电压保持在所需值的电压供应装置，该所需值大于第一预定值，小于第二预定值。

10、如权利要求9所述的电流源功率转换装置，其特征在于，所述的电压供应装置包括由交流电源经开关供电的变压器和用于把变压器的输出电压整流成为所需值的直流输出电压的整流器，其中，开关在功率转换装置启动时，在接触器之前先行闭合。

11、如权利要求9所述的电流源功率转换装置，其特征在于，至少在同所述的转换器相连接的所述第一能量吸收装置中具有所述的电压供应装置。

12、如权利要求3所述的电流源功率转换装置，其特征在于，至少在所述第一和第二能量吸收装置之一中，进一步具有在第一和第二能量装置之一中的电容器的电压超过大于第一预定值而又小于第二预定值的所需值时，把储存在该电容中的能量反馈至交流电源的反馈装置。