專利名稱：Igct電壓源型三電平中壓變頻器的橋臂直通保護(hù)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于一種大功率中壓變頻交流調(diào)速用變頻器，特別是涉及一種在發(fā)生 橋臂直通故障時能有效保護(hù)變頻器的IGCT電壓源型三電平中壓變頻器的橋臂直通保護(hù)
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背景技術(shù)：
IGCT (集成門極換向晶閘管)是一種應(yīng)用于電力變換的大功率半導(dǎo)體開關(guān)器件， 具有導(dǎo)通電流大、通態(tài)壓降低、以及快速關(guān)斷的特點，是目前制造大功率三電平中壓變頻器 的主要功率開關(guān)器件。圖1所示的是一個有源前端型IGCT電壓源型三電平中壓變頻器。在IGCT電壓源 型三電平中壓變頻器中，由于IGCT器件失效、或反向并聯(lián)的快恢復(fù)續(xù)流二極管反向擊穿、 或外部觸發(fā)控制回路的硬件故障、或控制軟件編寫錯誤等情況下，某一相橋臂可能會出現(xiàn) 直通短路(如圖2所示)。橋臂直通短路可以有多種情況，圖2中僅畫出其中4種。IGCT的致命弱點是一旦流過它的電流超過其關(guān)斷電流，將不能關(guān)斷。直通短路情 況下流過直通橋臂IGCT的電流將大大超過其關(guān)斷電流，所以直通橋臂IGCT不能關(guān)斷。由 于橋臂回路電感很小(5 10 μ H)，如果沒有保護(hù)措施，直流電容通過直通橋臂放電的電流將 迅速上升，并超過IGCT允許的浪涌電流，使橋臂IGCT損壞。解決上述直通短路問題、保護(hù)IGCT，大致有兩類方法一類是斷路的方法，即采用 斷路器件(如快速熔斷器、更大電流的IGCT器件等)串聯(lián)在直流母線上，直通短路時將 IGCT的電流通路斷開；另一類是旁路分流的方法，即采用半導(dǎo)體開關(guān)器件與IGCT回路并 聯(lián)，并設(shè)計使旁路分流回路的阻抗小于IGCT橋臂阻抗，在IGCT橋臂直通短路時，開通旁路 分流，迅速泄放直流回路的能量，使IGCT橋臂直通短路時的最大浪涌電流小于允許值，達(dá) 到保護(hù)IGCT的目的。目前，現(xiàn)有的快速熔斷器，一般其熔斷時間在幾ms到10ms，而上述直通故障電流 的上升率一般在數(shù)百A/μ S，其有效保護(hù)動作必須在十幾μ S至幾十μ S內(nèi)啟動，因此現(xiàn)有 快速熔斷器的響應(yīng)時間過慢，不能滿足需要；同時快速熔斷器要做到中壓、大電流，在制造 工藝上也相當(dāng)困難，散熱以及損耗成為非常棘手的問題，處理不好還可能爆炸。斷路的另一種方法是采用更大電流的IGCT器件串聯(lián)在直流母線上，它的響應(yīng)速 度完全可以滿足斷路的要求。但這種方法僅適合于變頻器所用IGCT元件電流較小(輸出功 率較小)情況，如果變頻器所用IGCT已經(jīng)是最大電流規(guī)格的，則不適合采用這個方法。此 夕卜，由于IGCT本身價格較高，采用這個方法的成本相對較高。斷路保護(hù)的另一個缺點是保護(hù)元件串聯(lián)在直流回路中，正常工作時流過工作電 流，增加了導(dǎo)通損耗，如果采用IGCT還需加散熱器。旁路分流的方法克服了上述斷路保護(hù) 的缺點，是目前大功率IGCT電壓源型三電平中壓變頻器橋臂直通較為合適有效的保護(hù)方 法。發(fā)明內(nèi)容本實用新型為解決公知技術(shù)中存在的技術(shù)問題，提供一種在發(fā)生橋臂直通故障時 能有效保護(hù)IGCT電壓源型三電平中壓變頻器的IGCT電壓源型三電平中壓變頻器的橋臂直 通保護(hù)器。本實用新型為解決公知技術(shù)中存在的技術(shù)問題，提供一種IGCT電壓源型三電平 中壓變頻器的橋臂直通保護(hù)器，該橋臂直通保護(hù)器并聯(lián)設(shè)置在由依次并聯(lián)的整流器、直流 濾波電容和逆變器構(gòu)成的IGCT電壓源型三電平中壓變頻器的直流回路中，包括有正向并 聯(lián)在直流正母線與直流零母線上的上組正向浪涌電流旁路吸收回路和上組反向浪涌電流 旁路回路，以及正向并聯(lián)在直流零母線與直流負(fù)母線上的下組正向浪涌電流旁路吸收回路 和下組反向浪涌電流旁路回路。所述的上組正向浪涌電流旁路吸收回路包括有第一低壓高能壓敏電阻與第一陶 瓷電阻相并聯(lián)后，一端通過第一空芯電抗器連接到直流正母線上，另一端通過第一晶閘管 連接到直流零母線上。所述的上組反向浪涌電流旁路回路包括反向并聯(lián)在直流正母線與直流零母線上
的第一二極管。所述的下組正向浪涌電流旁路吸收回路包括有第二低壓高能壓敏電阻與第二陶 瓷電阻相并聯(lián)后，一端通過第二晶閘管連接到直流零母線上，另一端通過第二空芯電抗器 連接到直流負(fù)母線上。所述的下組反向浪涌電流旁路回路包括反向并聯(lián)在直流零母線與直流負(fù)母線上
的第二二極管。本實用新型具有的優(yōu)點和積極效果是本實用新型的IGCT電壓源型三電平中壓 變頻器的橋臂直通保護(hù)器，采用相對廉價的普通晶閘管、快恢復(fù)二極管、壓敏電阻、陶瓷電 阻、空芯電抗器等構(gòu)成IGCT電壓源型三電平中壓變頻器的橋臂直通保護(hù)器4，造價低、可 靠，在發(fā)生橋臂直通故障時能有效保護(hù)IGCT電壓源型三電平中壓變頻器。本實用新型適用于所有使用IGCT元件組成的電壓源型三電平中壓變頻器的橋臂 直通保護(hù)，如①采用二極管整流器和IGCT三電平逆變器構(gòu)成的電壓源型中壓變頻器；② 采用晶閘管整流器和IGCT三電平逆變器構(gòu)成的電壓源型中壓變頻器；③采用二極管、晶閘 管混合整流器和IGCT三電平逆變器構(gòu)成的電壓源型中壓變頻器；④采用IGCT三電平整流 器和IGCT三電平逆變器構(gòu)成的電壓源型中壓變頻器。對于第④種變頻器，其整流器與逆變 器都是三電平變流器的型式，背靠背連接(見圖1)，本實用新型適用于其整流器和逆變器 中任一橋臂的直通故障保護(hù)。

圖1是有源前端型IGCT電壓源型三電平中壓變頻器主回路電路原理圖。圖2是IGCT電壓源型三電平中壓變頻器橋臂直通故障的四種情況的電路示意圖，其中圖2a為由于VII (或V13)控制失效(或控制錯誤)導(dǎo)致的橋臂直通的情況；圖2b為由于V12(或V14)控制失效(或控制錯誤)導(dǎo)致的橋臂直通的情況；圖2c為由于橋臂中任意2只IGCT控制失效、或橋臂中任意2只IGCT控制錯誤導(dǎo)致的橋臂直通的情況；圖2d為由于中點鉗位二極管D15反向擊穿，導(dǎo)致的橋臂直通的情況。圖3是帶有橋臂直通保護(hù)器的三電平IGCT電壓源型中壓變頻器主回路電路原理 圖。圖中的標(biāo)號分別是1-整流器；2-直流濾波電容；3-逆變器；4-橋臂直通保護(hù)器；5-直流正母線； 6_直流負(fù)母線；7-直流零母線；8-高壓開關(guān)；9-變壓器；10-電網(wǎng)；11-電動機(jī)；12-上組正 向浪涌電流旁路吸收回路；13-上組反向浪涌電流旁路回路；14-下組正向浪涌電流旁路吸 收回路；15-下組反向浪涌電流旁路回路；16-直通短路回路。
具體實施方式
為能進(jìn)一步了解本實用新型的發(fā)明內(nèi)容、特點及功效，茲列舉以下實施例，并配合 附圖詳細(xì)說明本實用新型的IGCT電壓源型三電平中壓變頻器的橋臂直通保護(hù)器如下如圖3所示，本實用新型的IGCT電壓源型三電平中壓變頻器的橋臂直通保護(hù)器4， 并聯(lián)設(shè)置在由依次并聯(lián)的整流器1、直流濾波電容2和逆變器3構(gòu)成的三電平集成門極換向 晶閘管電壓源變頻器的直流回路中，包括有正向并聯(lián)在直流正母線5與直流零母線7上的 上組正向浪涌電流旁路吸收回路12和上組反向浪涌電流旁路回路13，以及正向并聯(lián)在直 流零母線7與直流負(fù)母線6上的下組正向浪涌電流旁路吸收回路14和下組反向浪涌電流 旁路回路15。所述的上組正向浪涌電流旁路吸收回路包括有第一低壓高能壓敏電阻RV1與第 一陶瓷電阻R1相并聯(lián)后，一端通過第一空芯電抗器L1連接在直流正母線5上，另一端通過 第一晶間管VI連接在直流零母線7上。所述的上組反向浪涌電流旁路回路由反向并聯(lián)在直流正母線5與直流零母線7上 的第一二極管D1構(gòu)成。所述的下組正向浪涌電流旁路吸收回路包括有第二低壓高能壓敏電阻RV2與第 二陶瓷電阻R2相并聯(lián)后，一端通過第二晶間管V2連接在直流零母線7上，另一端通過第二 空芯電抗器L2連接在直流負(fù)母線6上。所述的下組反向浪涌電流旁路回路由反向并聯(lián)在直流零母線7與直流負(fù)母線6上 的第二二極管D2構(gòu)成。低壓高能壓敏電阻和陶瓷電阻均具有體積小、短時吸收能量高的特點，其熱容量 參數(shù)與變頻器容量成正比關(guān)系。根據(jù)試驗及工程經(jīng)驗，對于7 10MVA的中壓變頻器，RV1 RV2選用數(shù)百kj的低壓高能壓敏電阻，當(dāng)單片高能壓敏電阻熱容量不足時，采用數(shù)片參數(shù) 一致的高能壓敏電阻并聯(lián)連接，可在橋臂直通保護(hù)器保護(hù)過程的前段，有效吸收大部分浪 涌電流能量；陶瓷電阻Rl、R2在臂直通保護(hù)器保護(hù)過程中吸收剩余浪涌電流能量，選用幾 十kj的陶瓷電阻。由于旁路晶閘管在變頻系統(tǒng)正常工作時不流通電流(僅有極微小的漏電流)，所 以正常運行情況下的損耗基本可以忽略。IGCT電壓源型三電平中壓變頻器中，連接到直流正母線和負(fù)母線上的逆變器串聯(lián) 有di/dt(電流上升率)限制電抗器(如圖2中的Lll、L12)，由于負(fù)載電動機(jī)的電感遠(yuǎn)大于di/dt限制電抗器電感，正常工作電流的di/dt主要受負(fù)載電感限制，一般di/dt限制電 抗器上產(chǎn)生的壓降較小、或產(chǎn)生的較高電壓持續(xù)時間很短；當(dāng)直通故障時，由于電容電壓不 能突變，使直通初始時的直流電壓突加到橋臂di/dt限制電抗器上，產(chǎn)生一個持續(xù)的較高 感應(yīng)電壓。因此通過檢測di/dt限制電抗器上的電壓，可判斷橋臂直通故障。以IGCT電壓源型三電平中壓變頻器中的逆變器為例，當(dāng)IGCT電壓源型三電平逆 變器某橋臂發(fā)生直通故障時，流過直通橋臂的電流主要來自三部分一部分來自直流濾波 電容放電、一部分來自整流器、一部分來自負(fù)載側(cè)。由于整流器側(cè)和負(fù)載側(cè)的等效串聯(lián)電感 較大(一般mH級)，其流向直通橋臂的電流上升率較低，而直流濾波電容回路電感很小(一 般幾百nH級)，加上di/dt限制電抗器的電感，直通回路總電感為幾μ !Γ十幾μ H，故其流 向直通橋臂的電流上升率很高，是造成直通橋臂IGCT浪涌電流損壞的主要電流來源。因此 解決直通問題主要是要將直流濾波電容中的電能盡快旁路泄放掉。通過聯(lián)鎖分?jǐn)嘀骰芈犯?壓開關(guān)，可切斷來自整流器的電流，雖然響應(yīng)時間較長(數(shù)十ms)，但因電源回路電抗相對 大，其電流一般在IGCT可承受的范圍。當(dāng)IGCT電壓源型三電平中壓變頻器某橋臂發(fā)生直通故障時，觸發(fā)開通橋臂直通 保護(hù)器的晶閘管VI、V2，并同時通過控制系統(tǒng)聯(lián)鎖觸發(fā)開通三電平變頻器所有IGCT，使直 流濾波電容中的電能分成多路加速泄放，有效減小直通故障橋臂的電流。由于線路中電感與直流濾波電容及電阻構(gòu)成衰減振蕩回路，在直通故障及保護(hù)過 程中會產(chǎn)生反向電壓，并經(jīng)IGCT變頻器的中點鉗位二極管和續(xù)流二極管形成反向浪涌電 流，對中點鉗位二極管和續(xù)流二極管構(gòu)成威脅。為此，本實用新型在直流母線上反向并聯(lián)第 一、第二二極管D1、D2，分流反向浪涌電流。當(dāng)?shù)谝弧⒌诙чl管VI、V2開通放電瞬時，直流電壓全加在第一、第二空芯電抗器 L1、L2上，使第一、第二晶閘管V1、V2不致因過大di/dt而損壞。隨后，放電電流流過第一、 第陶瓷電阻R1、R2并迅速增大，使第一、第二陶瓷電阻R1、R2上的電壓迅速升高。當(dāng)?shù)谝弧?第陶瓷電阻R1、R2上的電壓達(dá)到第一、第二低壓高能壓敏電阻RV1、RV2的額定電壓以上時， 第一、第二低壓高能壓敏電阻RV1、RV2的阻抗開始迅速減小，電壓達(dá)到其殘壓值(一般為 額定電壓的1. 3 1. 6倍)后其增長速度迅速減慢，使得流過第一、第二低壓高能壓敏電阻 RVU RV2的放電電流迅速增加至數(shù)十kA。至第一、第二空芯電抗器Li、L2上電壓為零時， 放電電流達(dá)到最大峰值并開始減小，第一、第二空芯電抗器Li、L2上的電壓開始反向增加， 第一、第二低壓高能壓敏電阻RV1、RV2的阻抗開始增加。至放電電流減小到一定值、加在第 一、第二低壓高能壓敏電阻RV1、RV2上的電壓小于殘壓值后，第一、第二低壓高能壓敏電阻 RVU RV2的阻抗迅速增加，直至低于第一、第二低壓高能壓敏電阻RV1、RV2的額定電壓時， 第一、第二低壓高能壓敏電阻RVl、RV2僅有mA級漏電流流過，放電電流繼續(xù)流過第一、第二 陶瓷電阻R1、R2。由于衰減振蕩過程的第1個正向波的能量最大，所以第一、第二低壓高能 壓敏電阻RV1、RV2吸收的能量最大。當(dāng)母線電壓反向，由第一、第二二極管Dl、D2組成的反向保護(hù)放電回路開始流過 電流。反向保護(hù)放電電流與母線反向電壓成正比變化。直流母線電壓反向初始時可能正向 保護(hù)放電回路與反向保護(hù)放電回路同時流過電流，總的放電電流仍為正向。至正向保護(hù)放 電回路與反向保護(hù)放電回路電流數(shù)值相等時，總放電電流為零。至反向放電電流到零時，第 1個衰減振蕩過程結(jié)束。[0041] 不同的應(yīng)用情況下，整流器側(cè)的變壓器和逆變器側(cè)的電動機(jī)參數(shù)有差別，阻尼系 數(shù)不同，使得在橋臂直通保護(hù)過程中，衰減振蕩過程有所差別，但大部分情況下能量在第1 個衰減振蕩過程中被吸收。
權(quán)利要求一種IGCT電壓源型三電平中壓變頻器的橋臂直通保護(hù)器，該橋臂直通保護(hù)器(4)并聯(lián)設(shè)置在由依次并聯(lián)的整流器(1)、直流濾波電容(2)和逆變器(3)構(gòu)成的IGCT電壓源型三電平中壓變頻器的直流回路中，其特征是包括有正向并聯(lián)在直流正母線(5)與直流零母線(7)上的上組正向浪涌電流旁路吸收回路(12)和上組反向浪涌電流旁路回路(13)，以及正向并聯(lián)在直流零母線(7)與直流負(fù)母線(6)上的下組正向浪涌電流旁路吸收回路(14)和下組反向浪涌電流旁路回路(15)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的IGCT電壓源型三電平中壓變頻器的橋臂直通保護(hù)器，其特征 是所述的上組正向浪涌電流旁路吸收回路(12)包括有第一低壓高能壓敏電阻(RVl)與 第一陶瓷電阻(Rl)相并聯(lián)后，一端通過第一空芯電抗器(Li)連接到直流正母線(5)上，另 一端通過第一晶閘管(Vl)連接到直流零母線(7)上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的IGCT電壓源型三電平中壓變頻器的橋臂直通保護(hù)器，其特征 是所述的上組反向浪涌電流旁路回路(13)包括反向并聯(lián)在直流正母線(5)與直流零母線 (7)上的第一二極管(Dl)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的IGCT電壓源型三電平中壓變頻器的橋臂直通保護(hù)器，其特征 是所述的下組正向浪涌電流旁路吸收回路(14)包括有第二低壓高能壓敏電阻(RV2)與 第二陶瓷電阻(R2)相并聯(lián)后，一端通過第二晶閘管(V2)連接到直流零母線(7)上，另一端 通過第二空芯電抗器(L2)連接到直流負(fù)母線(6)上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的IGCT電壓源型三電平中壓變頻器的橋臂直通保護(hù)器，其特征 是所述的下組反向浪涌電流旁路回路(15)包括反向并聯(lián)在直流零母線(7)與直流負(fù)母線 (6)上的第二二極管(D2)。
專利摘要本實用新型公開一種IGCT電壓源型三電平中壓變頻器的橋臂直通保護(hù)器，該橋臂直通保護(hù)器并聯(lián)設(shè)置在由依次并聯(lián)的整流器、直流濾波電容和逆變器構(gòu)成的IGCT電壓源型三電平中壓變頻器的直流回路中，包括有正向并聯(lián)在直流正母線與直流零母線上的上組正向浪涌電流旁路吸收回路和上組反向浪涌電流旁路回路，以及正向并聯(lián)在直流零母線與直流負(fù)母線上的下組正向浪涌電流旁路吸收回路和下組反向浪涌電流旁路回路。本實用新型造價低、可靠，在發(fā)生橋臂直通故障時能有效保護(hù)IGCT電壓源型三電平中壓變頻器。適用于所有使用IGCT元件組成的電壓源型三電平中壓變頻器的橋臂直通保護(hù)。適用于其整流器和逆變器中任一橋臂的直通故障保護(hù)。
文檔編號H02H9/02GK201616662SQ200920252168
公開日2010年10月27日 申請日期2009年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月29日
發(fā)明者伍豐林, 劉國林, 徐道恒, 楚子林, 王建峰, 許希, 趙相賓, 金雪峰 申請人:天津電氣傳動設(shè)計研究所