CN101145685A - 一种三相晶闸管全控桥有源逆变器逆变颠覆保护器 - Google Patents

Abstract

一种三相晶闸管全控桥有源逆变器逆变颠覆保护器，属保护技术领域，用于解决逆变颠覆保护问题。其技术方案是，它包括颠覆信号检测电路和串联于有源逆变器直流回路中的带有反并联二极管的IGBT快速开关，所述颠覆信号检测电路包括交流电压检测电路、直流过流检测电路和逆变器控制板电源检测电路，它们的输出信号经或运算和功放后控制IGBT的通断，或门的使能端接逆变器控制板的充放电信号。本发明通用性强、适于制成标准元器件，保护功能齐全，能对各种晶闸管有源逆变电路因多种原因导致的逆变颠覆实施有效、可靠保护。

Description

一种三相晶闸管全控桥有源逆变器逆变颠覆保护器

技术领域

本发明涉及一种通用性强、保护功能齐全的逆变器逆变颠覆保护电器，属控制技术领域。

背景技术

逆变器的颠覆，是指逆变器正常工作条件受到破坏的状态，逆变器颠覆时，必须采取保护措施。目前，防止逆变颠覆的保护电路主要有以下四种形式：第一种是采用晶闸管高速开关进行保护，这种方法主要是针对交流电源突然断电、缺相或电压过低引起的逆变失败；第二种是采用单电容辅助关断保护电路，这种方法主要解决电网交流侧瞬时停电所引发的逆变颠覆；第三种是利用强迫换流保护电路解决晶闸管二次换相失败所引发的逆变颠覆；第四种主要解决斩波式串级调速系统在电网故障时，供电电压突然大幅度降低或消失时的晶闸管逆变器逆变颠覆问题。以上四种形式中，前三种形式都可归结为利用强迫换流保护防止逆变颠覆，其电路结构复杂，保护时效性差，且都是仅针对某一种故障进行保护，不能够针对所有因素引发的逆变颠覆进行保护；第四种形式由于逆变颠覆保护功能的实现直接与串级调速系统结构相关联，更不能作为一种普遍适用的保护电路。总而言之，现有的逆变颠覆保护电路存在的缺点可归纳为以下两点：

1)通用性不强，不能作为一种普遍适用的保护电路。通用性强是指不仅可用于串级调速，还可适用于电池化成等所有晶闸管全控桥有源逆变领域，即只要有晶闸管有源逆变就可使用其进行保护。

2)保护功能不齐全。

A)只保护外部电网侧各种故障，例如：交流断相、瞬时停电及电压大波动等所引发的单相或三相晶闸管全控桥有源逆变电路逆变颠覆。

B)只保护控制系统内部各种故障所引发的单相或三相晶闸管全控桥有源逆变电路逆变颠覆，如丢失触发脉冲、控制系统异常等所引发的逆变颠覆。

C)只保护单相或三相晶闸管全控桥有源逆变电路直流侧的过电流故障引发的逆变颠覆。

发明内容

本发明用于克服现有技术的缺陷、提供一种通用性强、保护功能齐全的三相晶闸管全控桥有源逆变器逆变颠覆保护器。

本发明所称问题是以下述技术方案实现的：

一种三相晶闸管全控桥有源逆变器逆变颠覆保护器，它包括颠覆信号检测电路和串联于有源逆变器直流回路中的带有反并联二极管的IGBT快速开关，所述颠覆信号检测电路包括交流电压检测电路、直流过流检测电路和逆变器控制板电源检测电路，它们的输出信号经或运算和功放后控制IGBT的通断，或门的使能端接逆变器控制板的充放电信号。

上述三相晶闸管全控桥有源逆变器逆变颠覆保护器，所述交流电压检测电路包括三个结构相同的单相交流电压检测电路，分别检测逆变器交流侧三个相线，每相交流电压检测电路均由依次连接的交流分压电路、比较整形电路和判断输出电路组成，所述交流分压电路由两个串联分压电阻构成；所述比较整形电路由双向稳压管WY、电阻R1和比较器U1构成，交流分压电路的输出信号依次经双向稳压管WY、电阻R1接地，电阻R1上的输出信号接比较器U1的正向输入端，比较器U1的反向输入端接参考电压，所述判断输出电路为一个由555集成电路芯片U2构成的定时器，定时器的复位端接比较器U1的OUT端，其信号输出端OUT接或门的一个输入端。

上述三相晶闸管全控桥有源逆变器逆变颠覆保护器，所述逆变器控制板电源检测电路由一个电压取样电位器W、电源监测芯片U4、延时开通电路和快关电路组成，电源监测芯片U4采用MAX706，所述电压取样电位器W接逆变器控制板工作电源，其输出信号接电源监测芯片U4的PF1端，所述延时开通电路为由电阻R8和电容C4组成的积分电路，积分电路输入端接电源监测芯片U4的输出端PFO，输出端接或门的一个输入端，所述快关电路由PNP三极管Q构成，三极管Q的基极接电源监测芯片U4的输出端PFO，集电极接地，发射极接或门的一个输入端。

上述三相晶闸管全控桥有源逆变器逆变颠覆保护器，所述直流过流检测电路由一个电流取样电阻R4和比较器U3组成，所述取样电阻R4直接串接于逆变器直流回路中或间接接于逆变器直流回路的霍尔电流传感器二次侧，其输出信号接比较器U3的正向输入端，比较器U3的反向输入端接参考电压U_zd，比较器U3的输出端OUT接或门的一个输入端。

上述三相晶闸管全控桥有源逆变器逆变颠覆保护器，在逆变器直流侧增设平波电抗器L，所述平波电抗器L串联于逆变器直流回路中，其取值原则是： $\frac{L}{R_L}>0.02s,$ 其中：L为平波电抗器电感系数，R_L为逆变电路等效负载电阻。

上述三相晶闸管全控桥有源逆变器逆变颠覆保护器，增设续流电路，所述续流电路由电阻R0、电容C0组成，它们串联连接后并联于快速开关上，它们的取值范围是0： $R_0>\frac{U_C}{I_N}.$ 、 $C_0=\frac{{\mathrm{LI}}_o^2}{U_C^2},$ 其中，I_N为逆变电流额定值，U_c为续流电容电压最大允许值，I₀为逆变电流最大允许值，L为平波电抗器电感系数。

本发明在有源逆变器直流侧串接一个快速开关(具有反并联二极管的IGBT器件)，整流时，与IGBT反并联的二极管导通，形成整流回路；有源逆变时，开通快速开关，形成逆变回路。在有源逆变过程中，一旦检测到直流电流过流，交流电压闪变，甚至交流电压突然中断等情形，迅速关断快速开关，经过续流后，最终可靠地分断有源逆变回路。另外，当逆变器控制电路上电时，延时开通快速开关；当逆变器控制电路掉电时，加速关断快速开关，以避免在上电与掉电期间，因控制电路处于紊乱状态，出现触发脉冲延迟发布、失触发或误触发等现象引起逆变器颠覆。本发明通用性强、、适于制成标准元器件，保护功能齐全，能对各种晶闸管有源逆变电路因多种原因导致的逆变颠覆实施有效、可靠保护。

附图说明

图1是本发明的原理框图；

图2是单相交流电压检测电路的电原理图；

图3是直流过流检测电路的电原理图；

图4是逆变器控制板电源检测电路的电原理图；

图5是单相颠覆的原理图；

图6是两相颠覆的原理图。

图中各标号为：

T、变压器，SCR1～SCR1O、晶闸管，L、平波电抗器，IGBT、绝缘栅双极晶体管，BT、蓄电池，WY、双向稳压管，U1、比较器，U2、555集成电路芯片，U3、电压比较器，U4、电源监测芯片，Q、三极管，X_TA、A相电源电抗，X_TB、B相电源电抗，X_TC、C相电源电抗，U_A、A相电压源，U_B、B相电压源，U_C、C相电压源，E、蓄电池电动势，R_d、蓄电池内阻，i_d、直流电流。

文中所用符号的意义：β、超前角，μ、换相重叠角，γ、换相裕度角，I_NB、逆变电流，I₀、逆变电流最大允许值，I_N、逆变电流额定值，U_c、续流电容电压最大允许值。

具体实施方式

逆变器的颠覆，是指逆变器正常工作条件受到破坏的状态。它包括换流器故障的直通、失通、误触发和失触发等内容。从现象上看，是电流不能按正常换相程序成功地由导通阀转移到相继阀去。其表现形式有两种：一种是故障电流经过接在变压器一相上的两个阀，即单相颠覆，如图5所示，另一种是在变压器相间电压和直流电压的同时作用下，使变压器绕组和直流电路均有很大的故障电流通过，即两相颠覆，如图6所示。

引起逆变器颠覆的外因，有直流电压增高(相应于直流电流增大)、接收电网交流电压降低、触发命令延误发布等。引起逆变器颠覆的内因，有可控硅阀拒绝执行开通指令、阀击穿短路等。从统计结果看，由外因引起逆变器颠覆故障占多数。

通过深入分析逆变器颠覆的物理过程，可以总结出四种典型的不同起因下逆变器颠覆的故障情形。

(1)触发脉冲延迟发布导致逆变器颠覆。触发脉冲延迟发布，使换相裕度角不足，可能导致逆变器连续换相失败，结果造成变压器二次交流线电压与直流串联构成回路，此时逆变器作整流器运行，这样，在线路阻抗不变的情况下，相关的交直流线路上通过的电流将大幅度增大，发生逆变器两相颠覆故障。

(2)直流电压增高或直流电流增大而导致逆变器颠覆。在接收电网电压大小不变的情况下，由β＝u+γ(β为超前角，u为换相重叠角，γ换相裕度角)，而换相重叠角u是直流电流的函数，所以直流电流增大后，换相重叠角u也相应增大，在超前角β恒定的情况下，换相裕度角γ也相应于换相重叠角u的增大而减小，其后果就是导致换相失败，最终造成单相颠覆，甚至在某些情况下，还可能出现两相颠覆故障。

(3)接收电网电压下降导致逆变器颠覆。当接收电网发生单相接地短路、两相短路、两相接地短路及三相短路故障，出现大范围的电压暂降或电压短时中断，接收电网相电压的下降，相当于超前角由原来的β缩小为β′，则换相裕度角将相应减小一个角度(β-β′)，这相当于触发脉冲延迟(β-β′)的角度，其结果都是导致换相裕度角小于正常情况下的数值；不仅如此，换流至故障相后，直流电流迅速增大，使得换相裕度角进一步减小，最终造成逆变器两相颠覆故障。

(4)可控硅阀的失触发、误触发或击穿造成颠覆。

若按照正常顺序应该在t₁时刻发出触发脉冲k₃使可控硅阀3开通，但在t₁时刻可控硅阀3未得到触发脉冲k₃，致使阀1继续导通。到下一时刻t₂，发出触发脉冲k₄，阀2开始向阀4换相，于是直流侧通过阀1和阀4短路，形成单相颠覆故障，这是可控硅阀的失触发造成颠覆的情形。

可控硅阀的误触发或正向击穿都能引起逆变器的颠覆，其表现形式都是在阀处于正向阻断电压下开通。例如，在阀2向阀4换相的过程中，阀1被误触发或正向击穿，阀1便由阻断状态变为导通状态。由于阀1的导通，为直流侧通过阀1和阀4形成通道提供了条件，所以可控硅阀的误触发或正向击穿都能引起逆变器的单相颠覆故障。

通过上述分析可知，引起逆变器颠覆的起因主要有：①触发脉冲延迟发布；②直流电压突然增高或直流电流增大；③接收电网电压下降；④可控硅阀的失触发、误触发或击穿。逆变器颠覆可以归结为两种表现形式：①故障电流经过接在变压器一相上的两个阀形成单相颠覆故障；②变压器相间电压和直流电压串联形成两相颠覆故障。故提出在直流侧串接一个快速开关(例如具有反并联二极管的IGBI器件)，整流时，与IGBT反并联的二极管导通，形成整流回路；有源逆变时，同时开通快速开关，形成逆变回路，在有源逆变过程中，一旦检测到直流电流过流，交流电压闪变，甚至交流电压突然中断等情形，迅速关断快速开关，经过续流后，最终可靠地分断有源逆变回路，具体措施如下：

1.适当加大逆变器直流侧平波电抗器的电感系数，限制可能出现的电流增长速度，以使换相裕度角γ留有必要的储备，提高逆变器颠覆发生的门槛。

2.准确监测接收电网电压，当接收电网出现电压暂降或电压短时中断事件，例如，交流接收电网发生单相接地、两相接地，相间短路以及三相接地故障等引起电压暂降或电压短时中断，检测电路应准确判断，及时动作，有效保护逆变器。

3.检测直流电流，当发生可控硅阀的触发脉冲延迟发布、失触发、误触发或击穿等情形时，直流电流将迅速增大并超过设定值，检测电路应及时动作，有效保护逆变器。

4.正确监视逆变器的投入与退出，即上电与掉电过程。当逆变器控制电路上电时，延时开通快速开关；当逆变器控制电路掉电时，加速关断快速开关，以避免在上电与掉电期间，控制电路可能处于紊乱状态，出现触发脉冲延迟发布、失触发或误触发等现象引起逆变器颠覆。具体的方法以监视控制电路的工作电源电压为最简单，即：上电时控制电路的工作电源电压达到正常工作值，再延迟预设的一段时间，才开通快速开关；掉电时控制电路的工作电源电压降到预设的电压值时，迅速关断快速开关。

参看图1，逆变器颠覆保护电路如图1中虚框内部分，只有当有源逆变时，控制主板的充放电信号才使或门有逻辑输出，当电路正常工作时，或门的输出信号使快速开关处于导通状态，当颠覆信号检测电路检测到任意一个异常现象时，或门的输出信号使快速开关关断，实现对电路的保护。

1.逆变器交流电压检测：

交流接收电网发生单相接地、两相接地，相间短路以及三相接地故障可能引起系统供电电压较为严重的跌落，供电系统保护装置切除故障、误动等均可引起供电中断；具有故障自动恢复(重合闸等)的断电则为短时间中断。其特征可能是一相、二相或三相电压暂降或电压中断。

参看图2，交流分压电路为连接于逆变器交流侧相电压上的两个串联分压电阻，它们串接点的输出信号接比较整形电路，比较整形电路由双向稳压管WY、电阻R1和比较器U1构成，交流分压电路的输出信号依次经双向稳压管WY、电阻R1接地，电阻R1上的输出信号经一个耦合电阻R2接比较器U1的正向输入端，比较器U1的反向输入端接一个参考电压，U2、R3、C1、C2、C3构成一个定时器，该部分电路的工作原理是：交流电压由电阻R9、R10分压后，经串联的双向稳压二极管WY(预设电压值)进一步降压，当交流分压电压高于预设的电压值，下一级比较器U1将周期性地输出一个正脉冲，通过U2(555集成电路芯片)的“THRES”脚，周期性地复位555定时器，U2的“OUT”脚输出低电平。当交流分压后电压低于预设的电压值，下一级比较器输出将维持低电平，不能复位555定时器，适当配置R9、C1的参数，可保证工频一个周期过后，U2的“OUT”脚立即输出高电平。

2.逆变器直流电流检测：

当发生可控硅阀的触发脉冲延迟发布、失触发、误触发或击穿等情形时，直流电流将迅速增大并超过设定值，检测电路应及时动作，有效保护逆变器。

参看图3，取样电阻R4串接于逆变直流回路中(或间接接于逆变器直流回路的霍尔电流传感器二次测)，其信号输出端经一个耦合电阻R5接比较器U3的正向输入端，比较器U3的反向输入端经一个电阻R6接一个参考电压Uzd，比较器U3的输出端OUT经一个电阻R7接或门的一个输入端。

该部分电路的工作原理是：先通过电阻R4(或霍尔电流传感器等)将直流电流按比例变换为电压信号，与直流电流设定值U_zd比较，当检测电流对应的电压信号大于直流电流设定值时，U3的OUT端为高电平，过流保护电路输出为高，否则为低。

3.控制电路的工作电源电压检测：

在上电与掉电过程中，控制电路的工作电源未稳定之前，控制电路还处在紊乱状态，往往是引起误触发、失触发的多发期间，故在上电初期，控制电路的工作电源电压稳定后，应再延迟预设一段时间，才开通快速开关；掉电时控制电路的工作电源电压降到预设的电压值时，迅速关断快速开关。

参看图4，该部分电路的工作原理是：由一个电源监测专用芯片U4作为核心(MAX706)，将控制电路的工作电源电压分压后的值U_s1与门槛电压(MAX706的比较器反向端“—”电压为1.25V)进行比较，当控制电路的工作电源电压正常，U_DD＝1，电路延时预设的时间，直到U_SHD＝1，形成开通快速开关的必要条件；当控制电路的工作电源电压低于门槛值，U_DD＝0，通过PNP型三极管Q1瞬间将快速开关开通信号U_KG拉低，形成迅速关断快速开关的充分条件。

4.保护器续流回路参数的计算

对于整流和有源逆变双向工作方式的电路，保护器快速开关分断是需要可靠的续流电路的，以避免快速开关关断时两端出现过电压。续流电路采用RC并联电路，R₀的选取原则是：考虑到续流电路的电容C₀上储能的泄放是通过快速开关的再开通，因此，应根据快速开关允许通过的额定电流来确定电阻R₀的阻值；电容的耐压应低于快速开关的额定电压，电容量的选取原则依据：

$\frac{1}{2}{\mathrm{LI}}_o^2=\frac{1}{2}{C}_0{U}_C^2$

故： $C_0=\frac{{\mathrm{LI}}_o^2}{U_C^2}$

$R_0>\frac{U_C}{I_N}.$

Claims (6)

1.一种三相晶闸管全控桥有源逆变器逆变颠覆保护器，其特征是，它包括颠覆信号检测电路和串联于有源逆变器直流回路中的带有反并联二极管的IGBT快速开关，所述颠覆信号检测电路包括交流电压检测电路、直流过流检测电路和逆变器控制板电源检测电路，它们的输出信号经或运算和功放后控制IGBT的通断，或门的使能端接逆变器控制板的充放电信号。

2.根据权利要求1所述三相晶闸管全控桥有源逆变器逆变颠覆保护器，其特征是，所述交流电压检测电路包括三个结构相同的单相交流电压检测电路，分别检测逆变器交流侧三个相线，每相交流电压检测电路均由依次连接的交流分压电路、比较整形电路和判断输出电路组成，所述交流分压电路由两个串联分压电阻构成；所述比较整形电路由双向稳压管(WY)、电阻(R1)和比较器(U1)构成，交流分压电路的输出信号依次经双向稳压管(WY)、电阻(R1)接地，电阻(R1)上的输出信号接比较器(U1)的正向输入端，比较器(U1)的反向输入端接参考电压，所述判断输出电路为一个由555集成电路芯片(U2)构成的定时器，定时器的复位端接比较器(U1)的OUT端，其信号输出端OUT接或门的一个输入端。

3.根据权利要求2所述三相晶闸管全控桥有源逆变器逆变颠覆保护器，其特征是，所述逆变器控制板电源检测电路由一个电压取样电位器(W)、电源监测芯片(U4)、延时开通电路和快关电路组成，电源监测芯片(U4)采用MAX706，所述电压取样电位器(W)接逆变器控制板工作电源，其输出信号接电源监测芯片(U4)的PF1端，所述延时开通电路为由电阻(R8)和电容(C4)组成的积分电路，积分电路输入端接电源监测芯片(U4)的输出端，输出端接或门的一个输入端，所述快关电路由PNP三极管(Q)构成，三极管(Q)的基极接电源监测芯片(U4)的输出端

，集电极接地，发射极接或门的一个输入端。

4.根据权利要求3所述三相晶闸管全控桥有源逆变器逆变颠覆保护器，其特征是，所述直流过流检测电路由一个电流取样电阻(R4)和比较器(U3)组成，所述取样电阻(R4)串接于逆变器直流回路中，其信号输出端接比较器(U3)的正向输入端，比较器(U3)的反向输入端接参考电压(Uzd)，比较器(U3)的输出端OUT接或门的一个输入端。

5.根据权利要求1或2所述三相晶闸管全控桥有源逆变器逆变颠覆保护器，其特征是，在逆变器直流侧增设平波电抗器(L)，所述平波电抗器(L)串联于逆变器直流回路中，其取值范围是： $\frac{L}{R_L}>0.02s,$ 其中：L为平波电抗器电感系数，R_L为逆变电路等效负载电阻。

6.根据权利要求5所述三相晶闸管全控桥有源逆变器逆变颠覆保护器，其特征是，增设续流电路，所述续流电路由电阻(R0)、电容(C0)组成，它们串联连接后并联于快速开关上，它们的取值范围是： $R_0>\frac{U_C}{I_N},$ $C_0=\frac{{\mathrm{LI}}_0^2}{U_C^2},$ 其中，I_N为逆变电流额定值，U_C为续流电容电压最大允许值，I₀为逆变电流最大允许值，L为平波电抗器电感系数。

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