CN201616662U - Igct电压源型三电平中压变频器的桥臂直通保护器 - Google Patents

Igct电压源型三电平中压变频器的桥臂直通保护器 Download PDF

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徐道恒
楚子林
王建峰
伍丰林
许希
金雪峰
刘国林
赵相宾
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Abstract

本实用新型公开一种IGCT电压源型三电平中压变频器的桥臂直通保护器，该桥臂直通保护器并联设置在由依次并联的整流器、直流滤波电容和逆变器构成的IGCT电压源型三电平中压变频器的直流回路中，包括有正向并联在直流正母线与直流零母线上的上组正向浪涌电流旁路吸收回路和上组反向浪涌电流旁路回路，以及正向并联在直流零母线与直流负母线上的下组正向浪涌电流旁路吸收回路和下组反向浪涌电流旁路回路。本实用新型造价低、可靠，在发生桥臂直通故障时能有效保护IGCT电压源型三电平中压变频器。适用于所有使用IGCT元件组成的电压源型三电平中压变频器的桥臂直通保护。适用于其整流器和逆变器中任一桥臂的直通故障保护。

Description

IGCT电压源型三电平中压变频器的桥臂直通保护器
技术领域
本实用新型属于一种大功率中压变频交流调速用变频器，特别是涉及一种在发生桥臂直通故障时能有效保护变频器的IGCT电压源型三电平中压变频器的桥臂直通保护器。
背景技术
IGCT(集成门极换向晶闸管)是一种应用于电力变换的大功率半导体开关器件，具有导通电流大、通态压降低、以及快速关断的特点，是目前制造大功率三电平中压变频器的主要功率开关器件。
图1所示的是一个有源前端型IGCT电压源型三电平中压变频器。在IGCT电压源型三电平中压变频器中，由于IGCT器件失效、或反向并联的快恢复续流二极管反向击穿、或外部触发控制回路的硬件故障、或控制软件编写错误等情况下，某一相桥臂可能会出现直通短路(如图2所示)。桥臂直通短路可以有多种情况，图2中仅画出其中4种。
IGCT的致命弱点是一旦流过它的电流超过其关断电流，将不能关断。直通短路情况下流过直通桥臂IGCT的电流将大大超过其关断电流，所以直通桥臂IGCT不能关断。由于桥臂回路电感很小(5~10μH)，如果没有保护措施，直流电容通过直通桥臂放电的电流将迅速上升，并超过IGCT允许的浪涌电流，使桥臂IGCT损坏。
解决上述直通短路问题、保护IGCT，大致有两类方法：一类是断路的方法，即采用断路器件(如快速熔断器、更大电流的IGCT器件等)串联在直流母线上，直通短路时将IGCT的电流通路断开；另一类是旁路分流的方法，即采用半导体开关器件与IGCT回路并联，并设计使旁路分流回路的阻抗小于IGCT桥臂阻抗，在IGCT桥臂直通短路时，开通旁路分流，迅速泄放直流回路的能量，使IGCT桥臂直通短路时的最大浪涌电流小于允许值，达到保护IGCT的目的。
目前，现有的快速熔断器，一般其熔断时间在几ms到10ms，而上述直通故障电流的上升率一般在数百A/μs，其有效保护动作必须在十几μs至几十μs内启动，因此现有快速熔断器的响应时间过慢，不能满足需要；同时快速熔断器要做到中压、大电流，在制造工艺上也相当困难，散热以及损耗成为非常棘手的问题，处理不好还可能爆炸。
断路的另一种方法是采用更大电流的IGCT器件串联在直流母线上，它的响应速度完全可以满足断路的要求。但这种方法仅适合于变频器所用IGCT元件电流较小(输出功率较小)情况，如果变频器所用IGCT已经是最大电流规格的，则不适合采用这个方法。此外，由于IGCT本身价格较高，采用这个方法的成本相对较高。
断路保护的另一个缺点是保护元件串联在直流回路中，正常工作时流过工作电流，增加了导通损耗，如果采用IGCT还需加散热器。旁路分流的方法克服了上述断路保护的缺点，是目前大功率IGCT电压源型三电平中压变频器桥臂直通较为合适有效的保护方法。
发明内容
本实用新型为解决公知技术中存在的技术问题，提供一种在发生桥臂直通故障时能有效保护IGCT电压源型三电平中压变频器的IGCT电压源型三电平中压变频器的桥臂直通保护器。
本实用新型为解决公知技术中存在的技术问题，提供一种IGCT电压源型三电平中压变频器的桥臂直通保护器，该桥臂直通保护器并联设置在由依次并联的整流器、直流滤波电容和逆变器构成的IGCT电压源型三电平中压变频器的直流回路中，包括有正向并联在直流正母线与直流零母线上的上组正向浪涌电流旁路吸收回路和上组反向浪涌电流旁路回路，以及正向并联在直流零母线与直流负母线上的下组正向浪涌电流旁路吸收回路和下组反向浪涌电流旁路回路。
所述的上组正向浪涌电流旁路吸收回路包括有：第一低压高能压敏电阻与第一陶瓷电阻相并联后，一端通过第一空芯电抗器连接到直流正母线上，另一端通过第一晶闸管连接到直流零母线上。
所述的上组反向浪涌电流旁路回路包括反向并联在直流正母线与直流零母线上的第一二极管。
所述的下组正向浪涌电流旁路吸收回路包括有：第二低压高能压敏电阻与第二陶瓷电阻相并联后，一端通过第二晶闸管连接到直流零母线上，另一端通过第二空芯电抗器连接到直流负母线上。
所述的下组反向浪涌电流旁路回路包括反向并联在直流零母线与直流负母线上的第二二极管。
本实用新型具有的优点和积极效果是：本实用新型的IGCT电压源型三电平中压变频器的桥臂直通保护器，采用相对廉价的普通晶闸管、快恢复二极管、压敏电阻、陶瓷电阻、空芯电抗器等构成IGCT电压源型三电平中压变频器的桥臂直通保护器4，造价低、可靠，在发生桥臂直通故障时能有效保护IGCT电压源型三电平中压变频器。
本实用新型适用于所有使用IGCT元件组成的电压源型三电平中压变频器的桥臂直通保护，如：①采用二极管整流器和IGCT三电平逆变器构成的电压源型中压变频器；②采用晶闸管整流器和IGCT三电平逆变器构成的电压源型中压变频器；③采用二极管、晶闸管混合整流器和IGCT三电平逆变器构成的电压源型中压变频器；④采用IGCT三电平整流器和IGCT三电平逆变器构成的电压源型中压变频器。对于第④种变频器，其整流器与逆变器都是三电平变流器的型式，背靠背连接(见图1)，本实用新型适用于其整流器和逆变器中任一桥臂的直通故障保护。
附图说明
图1是有源前端型IGCT电压源型三电平中压变频器主回路电路原理图。
图2是IGCT电压源型三电平中压变频器桥臂直通故障的四种情况的电路示意图，
其中：
图2a为由于V11(或V13)控制失效(或控制错误)导致的桥臂直通的情况；
图2b为由于V12(或V14)控制失效(或控制错误)导致的桥臂直通的情况；
图2c为由于桥臂中任意2只IGCT控制失效、或桥臂中任意2只IGCT控制错误导致的桥臂直通的情况；
图2d为由于中点钳位二极管D15反向击穿，导致的桥臂直通的情况。
图3是带有桥臂直通保护器的三电平IGCT电压源型中压变频器主回路电路原理图。
图中的标号分别是：
1-整流器；2-直流滤波电容；3-逆变器；4-桥臂直通保护器；5-直流正母线；6-直流负母线；7-直流零母线；8-高压开关；9-变压器；10-电网；11-电动机；12-上组正向浪涌电流旁路吸收回路；13-上组反向浪涌电流旁路回路；14-下组正向浪涌电流旁路吸收回路；15-下组反向浪涌电流旁路回路；16-直通短路回路。
具体实施方式
为能进一步了解本实用新型的发明内容、特点及功效，兹列举以下实施例，并配合附图详细说明本实用新型的IGCT电压源型三电平中压变频器的桥臂直通保护器如下：
如图3所示，本实用新型的IGCT电压源型三电平中压变频器的桥臂直通保护器4，并联设置在由依次并联的整流器1、直流滤波电容2和逆变器3构成的三电平集成门极换向晶闸管电压源变频器的直流回路中，包括有正向并联在直流正母线5与直流零母线7上的上组正向浪涌电流旁路吸收回路12和上组反向浪涌电流旁路回路13，以及正向并联在直流零母线7与直流负母线6上的下组正向浪涌电流旁路吸收回路14和下组反向浪涌电流旁路回路15。
所述的上组正向浪涌电流旁路吸收回路包括有：第一低压高能压敏电阻RV1与第一陶瓷电阻R1相并联后，一端通过第一空芯电抗器L1连接在直流正母线5上，另一端通过第一晶闸管V1连接在直流零母线7上。
所述的上组反向浪涌电流旁路回路由反向并联在直流正母线5与直流零母线7上的第一二极管D1构成。
所述的下组正向浪涌电流旁路吸收回路包括有：第二低压高能压敏电阻RV2与第二陶瓷电阻R2相并联后，一端通过第二晶闸管V2连接在直流零母线7上，另一端通过第二空芯电抗器L2连接在直流负母线6上。
所述的下组反向浪涌电流旁路回路由反向并联在直流零母线7与直流负母线6上的第二二极管D2构成。
低压高能压敏电阻和陶瓷电阻均具有体积小、短时吸收能量高的特点，其热容量参数与变频器容量成正比关系。根据试验及工程经验，对于7～10MVA的中压变频器，RV1～RV2选用数百kJ的低压高能压敏电阻，当单片高能压敏电阻热容量不足时，采用数片参数一致的高能压敏电阻并联连接，可在桥臂直通保护器保护过程的前段，有效吸收大部分浪涌电流能量；陶瓷电阻R1、R2在臂直通保护器保护过程中吸收剩余浪涌电流能量，选用几十kJ的陶瓷电阻。
由于旁路晶闸管在变频系统正常工作时不流通电流(仅有极微小的漏电流)，所以正常运行情况下的损耗基本可以忽略。
IGCT电压源型三电平中压变频器中，连接到直流正母线和负母线上的逆变器串联有di/dt(电流上升率)限制电抗器(如图2中的L11、L12)，由于负载电动机的电感远大于di/dt限制电抗器电感，正常工作电流的di/dt主要受负载电感限制，一般di/dt限制电抗器上产生的压降较小、或产生的较高电压持续时间很短；当直通故障时，由于电容电压不能突变，使直通初始时的直流电压突加到桥臂di/dt限制电抗器上，产生一个持续的较高感应电压。因此通过检测di/dt限制电抗器上的电压，可判断桥臂直通故障。
以IGCT电压源型三电平中压变频器中的逆变器为例，当IGCT电压源型三电平逆变器某桥臂发生直通故障时，流过直通桥臂的电流主要来自三部分：一部分来自直流滤波电容放电、一部分来自整流器、一部分来自负载侧。由于整流器侧和负载侧的等效串联电感较大(一般mH级)，其流向直通桥臂的电流上升率较低，而直流滤波电容回路电感很小(一般几百nH级)，加上di/dt限制电抗器的电感，直通回路总电感为几μH~十几μH，故其流向直通桥臂的电流上升率很高，是造成直通桥臂IGCT浪涌电流损坏的主要电流来源。因此解决直通问题主要是要将直流滤波电容中的电能尽快旁路泄放掉。通过联锁分断主回路高压开关，可切断来自整流器的电流，虽然响应时间较长(数十ms)，但因电源回路电抗相对大，其电流一般在IGCT可承受的范围。
当IGCT电压源型三电平中压变频器某桥臂发生直通故障时，触发开通桥臂直通保护器的晶闸管V1、V2，并同时通过控制系统联锁触发开通三电平变频器所有IGCT，使直流滤波电容中的电能分成多路加速泄放，有效减小直通故障桥臂的电流。
由于线路中电感与直流滤波电容及电阻构成衰减振荡回路，在直通故障及保护过程中会产生反向电压，并经IGCT变频器的中点钳位二极管和续流二极管形成反向浪涌电流，对中点钳位二极管和续流二极管构成威胁。为此，本实用新型在直流母线上反向并联第一、第二二极管D1、D2，分流反向浪涌电流。
当第一、第二晶闸管V1、V2开通放电瞬时，直流电压全加在第一、第二空芯电抗器L1、L2上，使第一、第二晶闸管V1、V2不致因过大di/dt而损坏。随后，放电电流流过第一、第陶瓷电阻R1、R2并迅速增大，使第一、第二陶瓷电阻R1、R2上的电压迅速升高。当第一、第陶瓷电阻R1、R2上的电压达到第一、第二低压高能压敏电阻RV1、RV2的额定电压以上时，第一、第二低压高能压敏电阻RV1、RV2的阻抗开始迅速减小，电压达到其残压值(一般为额定电压的1.3～1.6倍)后其增长速度迅速减慢，使得流过第一、第二低压高能压敏电阻RV1、RV2的放电电流迅速增加至数十kA。至第一、第二空芯电抗器L1、L2上电压为零时，放电电流达到最大峰值并开始减小，第一、第二空芯电抗器L1、L2上的电压开始反向增加，第一、第二低压高能压敏电阻RV1、RV2的阻抗开始增加。至放电电流减小到一定值、加在第一、第二低压高能压敏电阻RV1、RV2上的电压小于残压值后，第一、第二低压高能压敏电阻RV1、RV2的阻抗迅速增加，直至低于第一、第二低压高能压敏电阻RV1、RV2的额定电压时，第一、第二低压高能压敏电阻RV1、RV2仅有mA级漏电流流过，放电电流继续流过第一、第二陶瓷电阻R1、R2。由于衰减振荡过程的第1个正向波的能量最大，所以第一、第二低压高能压敏电阻RV1、RV2吸收的能量最大。
当母线电压反向，由第一、第二二极管D1、D2组成的反向保护放电回路开始流过电流。反向保护放电电流与母线反向电压成正比变化。直流母线电压反向初始时可能正向保护放电回路与反向保护放电回路同时流过电流，总的放电电流仍为正向。至正向保护放电回路与反向保护放电回路电流数值相等时，总放电电流为零。至反向放电电流到零时，第1个衰减振荡过程结束。
不同的应用情况下，整流器侧的变压器和逆变器侧的电动机参数有差别，阻尼系数不同，使得在桥臂直通保护过程中，衰减振荡过程有所差别，但大部分情况下能量在第1个衰减振荡过程中被吸收。

Claims (5)

1.一种IGCT电压源型三电平中压变频器的桥臂直通保护器，该桥臂直通保护器(4)并联设置在由依次并联的整流器(1)、直流滤波电容(2)和逆变器(3)构成的IGCT电压源型三电平中压变频器的直流回路中，其特征是：包括有正向并联在直流正母线(5)与直流零母线(7)上的上组正向浪涌电流旁路吸收回路(12)和上组反向浪涌电流旁路回路(13)，以及正向并联在直流零母线(7)与直流负母线(6)上的下组正向浪涌电流旁路吸收回路(14)和下组反向浪涌电流旁路回路(15)。
2.根据权利要求1所述的IGCT电压源型三电平中压变频器的桥臂直通保护器，其特征是：所述的上组正向浪涌电流旁路吸收回路(12)包括有：第一低压高能压敏电阻(RV1)与第一陶瓷电阻(R1)相并联后，一端通过第一空芯电抗器(L1)连接到直流正母线(5)上，另一端通过第一晶闸管(V1)连接到直流零母线(7)上。
3.根据权利要求1所述的IGCT电压源型三电平中压变频器的桥臂直通保护器，其特征是：所述的上组反向浪涌电流旁路回路(13)包括反向并联在直流正母线(5)与直流零母线(7)上的第一二极管(D1)。
4.根据权利要求1所述的IGCT电压源型三电平中压变频器的桥臂直通保护器，其特征是：所述的下组正向浪涌电流旁路吸收回路(14)包括有：第二低压高能压敏电阻(RV2)与第二陶瓷电阻(R2)相并联后，一端通过第二晶闸管(V2)连接到直流零母线(7)上，另一端通过第二空芯电抗器(L2)连接到直流负母线(6)上。
5.根据权利要求1所述的IGCT电压源型三电平中压变频器的桥臂直通保护器，其特征是：所述的下组反向浪涌电流旁路回路(15)包括反向并联在直流零母线(7)与直流负母线(6)上的第二二极管(D2)。
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