CN1198849A - 变流器故障电流的测定方法和带受控半导体开关的变流器 - Google Patents

变流器故障电流的测定方法和带受控半导体开关的变流器 Download PDF

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Abstract

测定变流器中的故障电流时,其中变流器的多个半导体开关经过脉宽调制(PWM－VSI),将来自中间电路的直流电压转换成三相交流电压,测定变流器正负轨道中的直流电流,从而可以检测短路故障和接地故障,重组相电流时保持高的灵敏度。相电流的重组是借助于所谓矢量调制(叫做SFAVM)进行的,即将各晶体管开关的状态以具八个作用状态的矢量场(SFAVM)表示,其中在六个作用状态下电流流入变流器中,在两个作用状态下变流器中没有电流流动。根据直流电流测定可以重组相电流,且可以检测所有故障。如上所述,测定是在测定直流电流的情况下进行的,为此采用了两个变换器,两变换器构制成使其在相同的电流下产生两个不同的物理值,从而使相电流即使变流器无故障时也可以重组。本发明特别适用于电动机的控制、有源变流器、有源滤波器、补偿器等。

Description

变流器故障电流的测定方法 和带受控半导体开关的变流器
本发明涉及一种变流器故障电流的测定方法，其中各受控半导体开关经过脉宽调制，从而将中间电路来的直流电压变换成多相交流电压，且相电流通过测定中间电路的电流而重组，通过测定流向各开关的正向电流和从各开关流出的反向电流进行电流故障检测。
本发明还涉及一种具有受控半导体开关的变流器，变流器的各受控半导体开关经过脉宽调制，从而将来自中间电路的直流电压变换成多相交流电压，且相电流通过测定中间电路的电流而重组，且其中的测定装置，通过测定流向各半导体开关的正向电流和从各半导体开关流出的反向电流，也起故障电流检测器的作用。
Frede Blaabjerg和John Pedersen写的、由丹麦奥尔堡大学能量技术协会发表的题为“具有实际相电流信息的新型低成本全故障保护式PWM-VSI变流器”的一文中介绍了上述那一类方法。1995年4月3日至7日的日本横滨IPEC’95发表了该篇文章。
这种变流器由六个通过八个可能有的开关状态控制的晶体管组成。在所述八个可能有的开关状态中，有两个状态在各相线之间没有电压产生，其余的六个状态则产生电压，当电压加到某一负载上时导致相间电压的产生，从而又导致中间电路电流IDC的产生。电流在中间电路的正电流轨道中流向各晶体管，在中间电路的负电流轨道中从各晶体管返回。三个相电流可通过例如在中间电路的负电流轨道的测定重组，如上所述文章所叙述的那样，这方面稍后即将说明。
举例说，这种变流器可用于电动机控制，但也可用在有源变流器、有源滤波器、补偿器等中。
故障，例如变流器中的短路，牵涉到的电流量是极大的，因此需要能快速地发现故障，这一点极端重要。
上述文章列举了各种故障的检测。在第一实施例中，故障电流用四个电流传感器测定，每相一个电流传感器，一个电流传感器测定直流电流。显然，这是一种颇为昂贵的解决方案，因此上述文章中建议直流电流的测定一部分供三个相电流的重组用，一部分供故障检测用，即使还转绕各相另外采用了一个能检测接地故障的电流传感器。
最后，上述文章提到了只用一个电流传感器重组三个相电流的方法，三个相连接成使所有故障能检测出来。电流传感器测定正向和反向直流电流，在测定过程中将该两个电流加起来。然而，这种方法有一个缺点，即电流传感器测定双重电流，从而使这种测量和接地故障检测的分辨率减半。
本发明的目的是改进上述三个相电流的重组使测量和故隙检测的分辨率达到最佳的程度。
按照本发明，上述目的是通过如权利要求1的前序部分所述的的方法达到的，所述方法的特征在于，电流的测定是借助于电流传感器测定正向电流与反向电流之间的差值进行的，通过该测定将正向电流转换成第一物理值，同时将反向电流转换成第二物理值，第一第二物理值在正向电流与反向电流相等时是不相同的。
这样就能检测任何故障，保持各相电流的重组，因为两物理值的和在变流器无故障运行时都不会是零。特别是，当变流器取各相之间无电压的状态时，可以检测出故障，这时各相电流的重组能在两物理值总和的基础上进行。
如权利要求2中所述，正向电流和反向电流是用具有两个变换器的电流传感器测定的，其中第一变换器将正向电流转换成第一物理值，另一个变换器将反向电流转换成第二物理值。
若变换器采用圈数不同的线圈，尤其是绕制成使其中一个线圈比另一个线圈多一圈时，可以达到最高的分辨率。此外，若其中一个线圈的圈数正好为一圈，则频率特性达到最佳的程度。
如上所述，本发明还涉及权利要求6的前序部分所述的那一种带受控半导体开关的变流器。本发明的特征在于，由测定装置将正向电流转换成第一物理值，同时将反向电流转换成第二物理值，第一物理量在正反向电流相等时与第二物理值不同。
从从属权利要求中可以看出本发明各实施例的优点。
下面根据附图说明本发明。附图中：
图1示出了现有的带电流互感器的PWM-VSI型变流器；
图2也示出了现有的PWM-VSI型但带故障电流保护的变流器；
图3用矢量表示法示出变流器是如何调制的；
图4示出了三相交流电压矢量的几何布局；
图5示出了变流器的相电流随图3和图4的电压矢量而变化的一览表；
图6示出了带本发明保护措施的一个电流电路；
图7示出了变流器支路短路的一个实例；
图8示出了两相短路的一个实例；
图9示出了接地故障的一个实例；
图10示出了为使用本发明的保护措施而制备的电流传感器。
图1示出了一个由六个晶体管T1，T2，T3，T4，T5，T6连接成三相交流器桥组成的三相PWM-VSI(脉宽调制电压源变流器)，各晶体管与周知的一个续流二极管并联连接。各晶体管的基极/栅极加上适当的电压U1、U2和U3时(参看下文)，成对连接的各晶体管的输出端会有相电压和相电流iS1、iS2和iS3产生，这些相电压和相电流可以作为控制电流引到呈电动机形式的负载上。
各晶体管由一个中间电流电路1供应直流电压。在各晶体管从导通转入不导通状态时，变流器桥将交流电压转换成三相交流电压。
按周知的方法可以通过测定中间电路中的电流iDC而重组各相电流。此外，即使各晶体管的基极/栅极加上电压，例如若测定电流iDC，测定iDC可以揭示变流器中是否出故障，中间电路应该没有电流。然而，在图1所示电路的所有情况下，不能肯定是否有故障，例如若所有晶体管T1、T2和T3都导通而负载出现接地故障。这样电流是不能到达电流传感器的。若电流传感器放在中间电流电路载有正向电流的电流轨道中，可以考虑对晶体管T4、T5和T6进行模拟。
图2示出了与图1所示不同的变流器，不同的地方在于，中间电流电路中的正向电流和反向电流都加以测定，然后加起来。这样，所有三个晶体管T1、T2和T3都导通时，也可以发现接地故障。但这样做的缺点是，所测定的电流分散开，从而使确定相电流和检测接地故障的分辨率减半。
下面参阅图3至图5说明变流器是如何按本发明控制的。
各晶体管T1，T2，T3，T4，T5和T6说明变流器是如何按本发明控制的。
各晶体管T1，T2，T3，T4，T5和T6切换成使中间电路中出现独特限定的电流，这些电流可能(参看图5)在每个单一切换状态下涉及某一相，即电流iS1、-iS1、iS2、-iS2、iS3、-iS3。此外，变流器可以在中间电路中处于无电流的状态。这用符号表示时可以用矢量表示法，如图5中的一览表所示。从该一览表可知，用矢量(x，y，z)可以分配给八个切换状态中的每一个，其中x表示晶体管T1的状态中的每一个，逻辑“1”表示导通，逻辑“0”表示截止。这同样适用于晶体管T2，晶体管T2的状态为y，晶体管T3的状态为z。此外请注意，晶体管T4、T5和T6与晶体管T1、T2和T3是互补地工作的，即T1导通，T4截止，T1截止，T4导通等。
如图3中所示，在时间T1加上电压矢量(100)的相位，在时间T2加上电压矢量(110)的相位，这相当于脉宽调制，可以在负载上的频率和幅值合乎要求的情况下使电压US规格化。US的角度与各时间的相对持续时间成正比。请注意，当(x，y，z)＝(0，0，0)或(1，1，1)时，负载从中间电路切除，即US＝0。
此外，从图4还可以看出，与图5比较，适当选取(x，y，z)时，任何电压都可与负载配用。
图4示出了分成I、II、III、IV、V、VI6个区的符号矢量示意图。这6个区分别由图5表中的电压矢量确定，从而可以往负载中加一定的相电流。
在区IV加相当于相电流iS2和-iS1的电压矢量US的实例是各晶体管按下列矢量顺序转换的情况：
(000)，(010)，(011)，(111)，(111)，(011)，(010)，(000)。
请注意，最后一个相电流是根据下式确定的：
iS1+iS2+iS3＝0
当改变开关频率和各相电流的持续时间时，在上述区IV切换顺序的情况下可以给负载产生一定的电压矢量。
其它区的电压矢量可按完全类似的方式产生。
由于变流器的调制是通过图5八种状态之间的切换而产生电压矢量的，因而测定iDC由于各相电流与iDC之间独特的相互关系而可以确定三相电流。
下面说明按本发明测定iDC如何能改进变流器中可能有的故障的检测。图6示出了改进的基本原理，可以看到，和图1及图2一样，三相变流器连接呈三相交流电动机的形式的负载。
从图中可以看到，电流的测定和图2中一样是通过测定正向和反向电流进行的。不同的地方在于，进行测定使得正向电流iDC能与反向电流iDC加以区别。
为明了起见，下面的等式成立：
                iDC＝N1×if-N2×it其中N1和N2为电流传感器线圈的圈数。
若没有接地或相-零故障时N1＝N2，两电流就会彼此抵消而使得出的iDC＝0，这虽然确保变流器没有故障，但同时也就使重组相电流所需要的信息消失。
但若N1≠N2，则在维持正负直流支路故障检测的情况下可以测定得出的iDC以重组相电流，也就是说，同时也维持高灵敏度。
换句话说，与按图1进行的配置相比，能达到在直流中间电路全面保护变流器的目的，而且在各相从中间电路其中一个电流轨道断开的情况下以(000)或(111)加上电压矢量且与图2中的实施例相比较时，确保在维持全面故障检测的情况下的高分辨率。
在这方面还应该指出的是，就图2的实施例来说，电流传感器的驱动范围可以例如从50安减半至25安，从而使其更便宜。
在不考虑频率动态范围的情况下，线圈圈数N1和N2最好尽可能少，这同时确保对各电源开关过电压保护最低的可能要求。
举例说，N2＝1时，N1＝N2+1。
下面参阅图7至图9说明三相变流器的一些可能故障情况。
图7示出了变流器支路短路的情况，以粗线表示，即T1和T4同时导通。电流iSH会在短路支路流通，这时if＝it＝iSH。在比较器5中极限值I极限与iDC比较时可以检测出故障。当然，这同样适用于其它变流器支路。
图8示出了两相短路的故障情况。所加上的电压矢量为(011)。
在此情况下，iSH会如粗线所示的那样流通，即从T2通过各相iS2和iS3并通过T4。和图7中的故障情况一样。在比较器中电流if＝it＝iSH可与极限值比较，得出故障信息。
最后，图9示出了发生接地故障的情况，这里以粗线表示，所述故障是因其中一相S3无意中接地引起的。
在此情况下有两种可能性，即所谓小接地故障和真正短路接地。
小接地故障通过往各相加电压矢量(000)或(111)检测，若比较器电路5经比较发现IPE大于IPE极限，则会在“与”电路7中检测出接地故障，“与”电路7只有加上电压矢量(000)或(111)时才可以导通。
真正短路接地如早先所述的那样通过在比较器5中比较iDC和i极限而予以检测。
可能的0导线故障可按同样的方式检测。
图10是一个实施例中测定电流的示意图。如图中所示，在变流器12与中间电路1之间加了一个带两线圈10，11的一个微分变压器9，正向电流if通往线圈10，反向电流it通往线圈11。微分变压器的缝隙中装了一个霍尔元件13。霍尔元件将缝隙中形成的磁场转换成通过放大器14引出的电流。
操作方式如下。
若正向电流if与反向电流it同值，则当线圈10和11圈数不同(例如，如图中所示的那样线圈10两圈、线圈11三圈)时，变压器缝隙中会形成磁场，磁场经霍尔元件检测，由霍尔元件将其转换成电流。
有了这种测定装备，可以用电流测定检测故障并重组相电流。
虽然上面是就变流器接电动机的情况来说明本发明的，但本发明的原理只要是在专利权利要求书所述的范围内是完全可以应用在其它方面的，例如应用到有源变流器、有源滤波器和衬偿器等等。

Claims (15)

1.一种测定变流器(12)中故障电流的方法，其中受控半导体开关(T1，T2，T3，T4，T5，T6)经脉宽调制，从而将来自中间电路(1)的直流电压转换成多相交流电压，相电流通过测定中间电路中的电流而重组，电流故障通过测定流向各开关的正向电流和从各开关出来的反向电流而予以检测，其特征在于，借助测定正向电流与反向电流差值的电流传感器(4)进行电流测定，由此将正向电流转换成第一物理值，反向电流转换成第二物理值，正向电流和反向电流相等时，第一和第二物理值不同。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，正向电流和反向电流由具有两个变换器(10，11)的电流传感器(4)测定，两变换器中的第一变换器(10)将正向电流转换成第一物理值，第二变换器(11)将反向电流转换成第二物理值量。
3.根据权利要求2的方法，其特征在于，变换器采用圈数不同的两个线圈(10，11)。
4.根据权利要求3的方法，其特征在于，线圈(11)的圈数比另一线圈(10)多一圈。
5.根据权利要求3或4的方法，其特征在于，其中一个线圈的圈数正好为一圈。
6.一种变换器(12)，带多个受控半导体开关(T1，T2，T3，T4，T5，T6)，这些开关经脉宽调制，从而将来自中间电路(1)的直流电压转换成多相交流电压，其中相电流用测定中间电路的电流的测定装置(4)重组，所述测定装置，通过测定流向各半导体开关的正向电流和从各半导体开关流出的反向直流还起故障电流器的作用，其特征在于，测定装置(4)将正向电流转换成第一物理值，将反向电流转换成第二物理值，正向电流与反向电流相等时，第一物理值与第二物理值不同。
7.根据权利要求6的变流器，其特征在于，测定装置(4)有两个变换器(10，11)，分别用于将正向和反向电流转换成第一和第二物理值。
8.根据权利要求7的变流器，其特征在于，测定装置(4)是个带两个线圈的微分变压器(9)。
9.根据权利要求8的变流器，其特征在于，微分变压器(9)连接霍尔元件(13)。
10.根据权利要求8或9的变流器，其特征在于，微分变压器(9)有两个圈数不同的线圈。
11.根据权利要求10的变流器，其特征在于，其中一个线圈(11)的圈数比另一个线圈(10)多一圈。
12.根据权利要求10或11的变流器，其特征在于，其中一个线圈的圈数正好为一圈。
13.根据权利要求6至11任一项的变流器，其特征在于，故障电流检测器(4)用以检测变流器支路中的短路故障。
14.根据权利要求6至11任一项的变流器，其特征在于，故障电流检测器(4)用以检测两相短路故障。
15.根据权利要求6至11任一项的变流器，其特征在于，故障电流检测器(4)用以检测短路接地故障。
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