專利名稱：支持容錯(cuò)運(yùn)行的矩陣式變換器故障保護(hù)方法及電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及矩陣式變換器的故障保護(hù)方法及電路，屬于交流電能變換技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
如圖1所示，矩陣式變換器101是一種交流一交流的直接電能變換裝置，由9個(gè)雙向開關(guān)構(gòu)成，沒有中間大電容直流環(huán)節(jié)。9個(gè)雙向開關(guān)以3×3的矩陣形式聯(lián)接三相輸入和三相輸出，故取名矩陣式變換器。其中雙向開關(guān)102由兩個(gè)帶快速恢復(fù)二極管的絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)反串連組成，兩個(gè)IGBT常用共射極聯(lián)接，當(dāng)然也可用共集電極聯(lián)接。通過對(duì)矩陣式變換器中9個(gè)雙向開關(guān)的通斷控制，可以實(shí)現(xiàn)幅值和頻率均可變的輸出電壓，從而驅(qū)動(dòng)交流電機(jī)運(yùn)行。矩陣式變換器的電源側(cè)接有低通濾波器100，由電感Lf、電容Cf、電阻Rd組成，用于抑制矩陣式變換器輸入電流中的開關(guān)毛刺，從而使電源免受高頻諧波的干擾。由于矩陣式變換器的開關(guān)頻率往往很高(往往大于15kHz)，故不大的電感、電容就可以起到很好的濾波效果。電阻Rd起諧振抑制作用。
矩陣式變換器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使它相比于常規(guī)的交-直-交型變換器，具有許多優(yōu)勢(shì)，如不需要中間大電容儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)緊湊，壽命周期和使用環(huán)境不受易老化電解電容的制約，且矩陣式變換器可實(shí)現(xiàn)能量雙向流通，輸入輸出電流正弦，輸入功率因數(shù)可調(diào)(包括單位功率因數(shù))等功能，使得它非常適合應(yīng)用于輪船、車輛、航空等對(duì)裝置體積、重量要求較高的場(chǎng)合，溫度、濕度較高等惡劣的工作環(huán)境，礦山作業(yè)車、起重機(jī)、電梯、離心機(jī)等需要連續(xù)電動(dòng)又連續(xù)制動(dòng)發(fā)電的場(chǎng)合，酒精廠、化工廠等需要制動(dòng)但又無法安裝制動(dòng)電阻的場(chǎng)合，以及低諧波要求的應(yīng)用場(chǎng)合等。矩陣式變換器正成為電能變換、電機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。
然而矩陣式變換器的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)同時(shí)也給它帶來了一個(gè)故障保護(hù)上的難點(diǎn)，即它沒有自由續(xù)流回路，這使得它的過流、過壓保護(hù)非常棘手，不能沿襲常規(guī)交-直-交型變換器中的做法，簡(jiǎn)單地通過斷開所有矩陣式變換器的開關(guān)來排除故障。因?yàn)殡姍C(jī)為感性負(fù)載，由于電感效應(yīng)，電機(jī)電流的突然中斷會(huì)引發(fā)強(qiáng)反電勢(shì)，危及矩陣式變換器開關(guān)的安全。矩陣式變換器的保護(hù)問題曾一度阻滯著它的研究進(jìn)程，直到1982年，美國(guó)西屋電氣公司的Neft提出了二極管橋箝壓電路(美國(guó)專利4,497,230)保護(hù)方式，矩陣式變換器的研究才得以繼續(xù)深入。
矩陣式變換器采用二極管橋箝壓電路保護(hù)方式的系統(tǒng)組成如圖2所示。圖中，二極管橋箝壓電路103由兩套6脈沖二極管三相橋組成，其中一套并聯(lián)在矩陣式變換器的輸入端，另一套并聯(lián)在矩陣式變換器的輸出端，它們的直流側(cè)通過一個(gè)公共直流電容聯(lián)接。與電容并聯(lián)聯(lián)接的電阻，用于給電容提供一個(gè)能量釋放回路。此電阻不能太小，否則能量消耗將會(huì)太大，同時(shí)也將影響矩陣式變換器的供電質(zhì)量。
二極管橋箝壓電路的工作機(jī)理與常規(guī)交-直-交型變換器潛在的二極管續(xù)流回路相同，當(dāng)矩陣式變換器的輸入側(cè)或輸出側(cè)電壓超過箝壓電路電容電壓時(shí)，對(duì)應(yīng)側(cè)的二極管就會(huì)立即導(dǎo)通，將矩陣式變換器的端電壓限制在箝壓電路電容電壓的水平。從而，當(dāng)矩陣式變換器-電機(jī)系統(tǒng)出現(xiàn)過流時(shí)，可如同常規(guī)交-直-交型變換器那樣，斷開所有的變換器開關(guān)，而毋庸擔(dān)心電感效應(yīng)產(chǎn)生的強(qiáng)反電勢(shì)。箝壓電路電容將吸收電機(jī)繞組中儲(chǔ)存的電磁能量。
二極管橋箝壓電路保護(hù)方式的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、迅速、有效，至目前仍是文獻(xiàn)中最常引用的一種保護(hù)方式。其缺點(diǎn)是它相當(dāng)于在矩陣式變換器回路中添加了常規(guī)交-直-交型變換器潛在的二極管續(xù)流回路，雖然這里的電容容量要求遠(yuǎn)不如常規(guī)交-直-交型變換器直流側(cè)電容的容量要求大，但它的容量應(yīng)能足以全部吸收三相電機(jī)繞組中儲(chǔ)存的能量，而保證升壓不會(huì)超過矩陣式變換器開關(guān)的耐壓水平。因此，當(dāng)電機(jī)繞組儲(chǔ)存的電磁能量上限較高時(shí)，箝壓電路電容的容量要求也較大。大電容的引入不可避免地使矩陣式變換器超越常規(guī)交-直-交型變換器的優(yōu)勢(shì)大打折扣，從而喪失其部分競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。此外，箝壓電路電容需要一套預(yù)充電電路，否則當(dāng)系統(tǒng)接入電網(wǎng)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)2～3倍于電網(wǎng)電壓的過電壓，并伴隨有很強(qiáng)的電流沖擊，從而增大箝壓電路二極管的耐流要求。隨著矩陣式變換器應(yīng)用容量要求的不斷提高，二極管橋箝壓電路保護(hù)方式的缺點(diǎn)越來越多地暴露出來。所以非常有必要研究更適合矩陣式變換器的保護(hù)方式。
此外，在某些應(yīng)用場(chǎng)合，電機(jī)故障停機(jī)會(huì)造成嚴(yán)重事故或生命危險(xiǎn)的場(chǎng)合，如電梯、起重機(jī)、航空航天、軍事裝備、礦井軋鋼等，短時(shí)間的容錯(cuò)運(yùn)行是非常必要的。目前很少有文獻(xiàn)涉及矩陣式變換器驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)容錯(cuò)運(yùn)行方式的研究。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)矩陣式變換器常用的二極管橋箝壓電路保護(hù)方式的不足之處，提出了一種支持容錯(cuò)運(yùn)行的矩陣式變換器故障保護(hù)方法及電路。
本發(fā)明的關(guān)鍵技術(shù)在于當(dāng)矩陣式變換器電機(jī)系統(tǒng)發(fā)生電機(jī)過載、某一矩陣式變換器開關(guān)斷路、某一矩陣式變換器開關(guān)短路等故障時(shí)，通過控制矩陣式變換器主電路的開關(guān)，或輔助以結(jié)構(gòu)重組技術(shù)，為電機(jī)提供一個(gè)可控的續(xù)流回路，使電機(jī)迅速釋放能量安全停車，或根據(jù)情況進(jìn)行容錯(cuò)運(yùn)行。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下本發(fā)明所述的支持容錯(cuò)運(yùn)行的矩陣式變換器故障保護(hù)方法，在矩陣式變換器-電機(jī)系統(tǒng)中增加了三個(gè)分別聯(lián)接電機(jī)的三相定子與輸入濾波器電容中性點(diǎn)N的快速雙向開關(guān)，具體控制步驟如下當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，封鎖所述矩陣式變換器主電路故障相上所有的開關(guān)驅(qū)動(dòng)，同時(shí)控制與該故障相聯(lián)接的電機(jī)定子相上的快速雙向開關(guān)導(dǎo)通，從而使該電機(jī)定子相通過快速雙向開關(guān)聯(lián)接在輸入濾波器電容的中性點(diǎn)N；此時(shí)，對(duì)所述矩陣式變換器主電路非故障相上的開關(guān)的控制，若保持故障前的控制方式不變，則可使電機(jī)容錯(cuò)運(yùn)行；若采用如下控制方式，則可使電機(jī)迅速釋放能量停車根據(jù)電機(jī)電流方向和矩陣式變換器主電路輸入電壓所在扇區(qū)，控制矩陣式變換器主電路開關(guān)，為電機(jī)提供一個(gè)可控的續(xù)流回路，續(xù)流回路的選擇原則是控制電流為正的電機(jī)定子相聯(lián)接到具有負(fù)最大電壓值的電源相；控制電流為負(fù)的電機(jī)定子相聯(lián)接到具有正最大電壓值的電源相；電機(jī)電流為零時(shí)，開關(guān)狀態(tài)保持不變；其中，電流流向電機(jī)為正，流出電機(jī)為負(fù)；當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速下降到n≤ε時(shí)，封鎖矩陣式變換器主電路所有開關(guān)的驅(qū)動(dòng)脈沖，完成停車；其中n為電機(jī)轉(zhuǎn)速，ε為一小正數(shù)，ε的值根據(jù)具體電機(jī)離線整定；若在電機(jī)轉(zhuǎn)速下降到n≤ε之前，電機(jī)電流方向或矩陣式變換器三相輸入電壓所在扇區(qū)發(fā)生了變化，那么進(jìn)行換流控制，電機(jī)續(xù)流回路仍按上述原則選擇。
本發(fā)明還提供了一種上述方法的支持容錯(cuò)運(yùn)行的矩陣式變換器故障保護(hù)電路，其特征在于，所述故障保護(hù)電路包括一端聯(lián)接在電機(jī)A相定子繞組的出線端，另一端聯(lián)接在輸入濾波器電容的中性點(diǎn)N上的快速雙向開關(guān)Sa；一端聯(lián)接在電機(jī)B相定子繞組的出線端，另一端聯(lián)接在輸入濾波器電容的中性點(diǎn)N上的快速雙向開關(guān)Sb；一端聯(lián)接在電機(jī)C相定子繞組的出線端，另一端聯(lián)接在輸入濾波器電容的中性點(diǎn)N上的快速雙向開關(guān)Sc；以△的形式并接在矩陣式變換器的三相輸入端的三個(gè)壓敏電阻，以△的形式并接在矩陣式變換器的三相輸出端的三個(gè)壓敏電阻；以及分別串聯(lián)聯(lián)接在矩陣式變換器主電路九個(gè)雙向開關(guān)的電源進(jìn)線端的九個(gè)快速熔斷器。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是可有效地排除過電壓或過電流故障，而不會(huì)減損矩陣式變換器超越常規(guī)交-直-交型變換器的優(yōu)勢(shì)，解決了傳統(tǒng)矩陣式變換器二極管橋箝壓電路保護(hù)方式的弊端。而且本發(fā)明提出的矩陣式變換器故障保護(hù)電路支持容錯(cuò)運(yùn)行，故障隔離后，仍可使電機(jī)在接近于額定轉(zhuǎn)速維持運(yùn)轉(zhuǎn)，而現(xiàn)已有的保護(hù)方法中沒有可以做到這一點(diǎn)。
圖1為現(xiàn)有的矩陣式變換器-電機(jī)系統(tǒng)的基本組成框圖。
圖2為現(xiàn)有的采用二極管橋箝壓電路保護(hù)方式的矩陣式變換器-電機(jī)系統(tǒng)的組成框圖。
圖3為含有本發(fā)明所述故障保護(hù)電路的矩陣式變換器-電機(jī)系統(tǒng)的組成框圖。
圖4為矩陣式變換器輸入電壓扇區(qū)的分布圖。
圖5為可控續(xù)流回路控制程序的流程圖。
圖6為聯(lián)接在電機(jī)C相定子上的矩陣式變換器主電路圖(假設(shè)開關(guān)SCa-斷路故障)。
圖7為結(jié)構(gòu)重組后，矩陣式變換器-電機(jī)系統(tǒng)的等效電氣聯(lián)接圖。
圖8為開關(guān)SCa-短路故障時(shí)，潛在的電源短路回路示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)例進(jìn)一步說明本發(fā)明。
本發(fā)明提出了一種支持容錯(cuò)運(yùn)行的矩陣式變換器故障保護(hù)電路，如圖3所示，本發(fā)明在矩陣式變換器-電機(jī)系統(tǒng)的基本組成上，添加了如下硬件①3個(gè)快速雙向開關(guān)Sa、Sb、Sc?？焖匐p向開關(guān)Sa的一端聯(lián)接在電機(jī)A相定子繞組的出線端，另一端聯(lián)接在輸入濾波器電容的中性點(diǎn)N上；快速雙向開關(guān)Sb的一端聯(lián)接在電機(jī)B相定子繞組的出線端，另一端聯(lián)接在輸入濾波器電容的中性點(diǎn)N上；快速雙向開關(guān)Sc的一端聯(lián)接在電機(jī)C相定子繞組的出線端，另一端聯(lián)接在輸入濾波器電容的中性點(diǎn)N上?？焖匐p向開關(guān)可由快速雙向可控硅實(shí)現(xiàn)，也可由2個(gè)快速可控硅或IGBT組合來實(shí)現(xiàn)。它們的用途是為故障相電機(jī)電流提供續(xù)流回路。
②6個(gè)壓敏電阻Z1～Z6。壓敏電阻Z1、Z2、Z3以△的形式并接在矩陣式變換器的三相輸入端，用以抑制電源側(cè)產(chǎn)生的過電壓；壓敏電阻Z4、Z5、Z6以△的形式并接在矩陣式變換器的三相輸出端，用以抑制電機(jī)產(chǎn)生的過電壓。壓敏電阻Z1～Z6的選型應(yīng)是反應(yīng)時(shí)間小于1ns的快速器件。
③9個(gè)快速熔斷器(簡(jiǎn)稱快熔)F1～F9。它們分別串聯(lián)聯(lián)接在矩陣式變換器主電路9個(gè)雙向開關(guān)的電源進(jìn)線端。它們的作用是當(dāng)矩陣式變換器的兩個(gè)開關(guān)導(dǎo)致電源短路時(shí)，用以快速切除短路電流。快熔的選型應(yīng)保證當(dāng)電流大于短路電流閾值時(shí)，快熔的I2t小于矩陣式變換器主電路開關(guān)的I2t。
本發(fā)明通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)三相電機(jī)電流、矩陣式變換器主電路18個(gè)IGBT的集電極電流和集射極間電壓VCE，并結(jié)合18個(gè)IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，綜合分析并判斷故障類型及故障點(diǎn)，進(jìn)行故障隔離，并根據(jù)情況采取合適的故障處理策略。下面以三種故障為例來說明本發(fā)明所述的支持容錯(cuò)運(yùn)行的矩陣式變換器故障保護(hù)方法。
(1)電機(jī)過載保護(hù)當(dāng)電機(jī)電流持續(xù)二個(gè)周波超過其額定電流的110％時(shí)，即認(rèn)為發(fā)生了電機(jī)過載。當(dāng)發(fā)生電機(jī)過載故障時(shí)，控制器立即控制矩陣式變換器主電路開關(guān)為電機(jī)提供可控的續(xù)流回路，使電機(jī)迅速釋放能量停車。因?yàn)樵谶x用矩陣式變換器主電路開關(guān)器件時(shí)一般都留有一定的裕量，電機(jī)過載電流一般仍在矩陣式變換器主電路開關(guān)的安全工作范圍之內(nèi)，矩陣式變換器主電路所有的開關(guān)都可以用來為電機(jī)提供可控的續(xù)流回路，續(xù)流回路的選擇原則是控制電流為正的電機(jī)定子相聯(lián)接到具有負(fù)最大電壓值的電源相；控制電流為負(fù)的電機(jī)定子相聯(lián)接到具有正最大電壓值的電源相；電機(jī)電流為零時(shí)，開關(guān)狀態(tài)保持不變。其中，電流流向電機(jī)為正，流出電機(jī)為負(fù)。
下面舉例說明。假設(shè)電機(jī)過流時(shí)，電機(jī)三相電流的方向分別為ia＜0、ib＞0、ic＞0；矩陣式變換器輸入電壓處于I1扇區(qū)，如圖4所示，此時(shí)a相電壓ua為正的最大，b相電壓ub為負(fù)的最大。為了使電機(jī)迅速釋放能量停車，控制電機(jī)A相定子和電源a相聯(lián)接、電機(jī)B定子相和電源b相聯(lián)接、電機(jī)C相定子和電源b相聯(lián)接。若在電機(jī)轉(zhuǎn)速下降到n≤ε(n為電機(jī)轉(zhuǎn)速，ε為一小正數(shù)，ε的值根據(jù)具體電機(jī)離線整定)之前，電源電壓進(jìn)入了I2扇區(qū)，此時(shí)a相電壓ua為正的最大，c相電壓uc為負(fù)的最大，那么進(jìn)行換流控制，改變續(xù)流回路，將電機(jī)B相定子換流到電源c相上，電機(jī)C相定子換流到電源c相上，電機(jī)A相定子仍接在電源a相上保持不變。若在電機(jī)轉(zhuǎn)速下降到n≤ε之前，電機(jī)電流方向發(fā)生了變化，則也要變更續(xù)流回路，續(xù)流回路的選擇原則仍如上。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速下降到n≤ε時(shí)，電機(jī)繞組中儲(chǔ)存的能量釋放完畢，此時(shí)斷開所有的矩陣式變換器開關(guān)，完成停車，而不會(huì)出現(xiàn)任何過壓現(xiàn)象。上述控制程序流程圖如圖5所示。在實(shí)驗(yàn)過程中，可明顯觀察到電機(jī)轉(zhuǎn)速迅速降低，比直接斷電停車方式迅速得多。
表1概括了矩陣式變換器輸入電壓在不同扇區(qū)和電機(jī)電流在不同方向時(shí)應(yīng)選擇的續(xù)流回路情況。由表1可知，續(xù)流回路的選擇需要兩種因變量，一種是矩陣式變換器輸入電壓所在扇區(qū)，另一種是電機(jī)電流的方向。而原有矩陣式變換器-電機(jī)系統(tǒng)控制器已設(shè)有三相輸入電壓的檢測(cè)和三相電機(jī)電流的方向檢測(cè)，所以可直接使用這些變量信息。
表1續(xù)流回路的選擇
在電機(jī)過載情況下，立即控制矩陣式變換器主電路開關(guān)為電機(jī)提供可控的續(xù)流回路，使電機(jī)迅速釋放能量停車，續(xù)流回路完全由矩陣式變換器主電路開關(guān)實(shí)現(xiàn)，若控制得好，不會(huì)啟用壓敏電阻、快熔和快速雙向開關(guān)。而且，這種釋放能量停車方式也完全可用于矩陣式變換器-電機(jī)系統(tǒng)的正常停機(jī)，優(yōu)勢(shì)是一方面停車速度較直接斷電方式迅速，另一方面可將電機(jī)繞組儲(chǔ)存的電磁能量回饋給電網(wǎng)。
(2)矩陣式變換器主電路某一開關(guān)斷路故障時(shí)的保護(hù)及容錯(cuò)運(yùn)行若開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)為有效、開關(guān)電流遠(yuǎn)小于電機(jī)電流，且開關(guān)集射極間電壓VCE大大超過正常導(dǎo)通電壓，則認(rèn)為發(fā)生了開關(guān)斷路故障。當(dāng)檢測(cè)到某一開關(guān)斷路故障時(shí)，控制器立即控制與該故障開關(guān)有聯(lián)接的電機(jī)定子相上的快速雙向開關(guān)導(dǎo)通，同時(shí)封鎖矩陣式變換器主電路故障開關(guān)所在相上的所有開關(guān)的驅(qū)動(dòng)脈沖。而通過對(duì)矩陣式變換器主電路非故障相上的開關(guān)進(jìn)行控制，可實(shí)現(xiàn)使電機(jī)迅速釋放能量停車或進(jìn)行容錯(cuò)運(yùn)行。
下面舉例說明。如圖6所示，假設(shè)開關(guān)SCa-發(fā)生了斷路故障，那么當(dāng)電機(jī)C相電流需要換流到SCa-支路時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)C相電流的突然斷路，由于電感效應(yīng)，電機(jī)電流的突然斷開必然會(huì)在定子端產(chǎn)生強(qiáng)反電勢(shì)。一旦硬件監(jiān)測(cè)電路檢測(cè)到開關(guān)斷路故障，立即控制聯(lián)接在C相上的快速雙向開關(guān)Sc導(dǎo)通，同時(shí)封鎖C相上所有矩陣式變換器主電路開關(guān)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。電機(jī)C相通過Sc聯(lián)接到輸入濾波器電容器的中性點(diǎn)N，C相電流得到續(xù)流。結(jié)構(gòu)重組后系統(tǒng)的等效聯(lián)接如圖7所示。
而對(duì)矩陣式變換器主電路非故障相上的開關(guān)的控制方式，若保持不變，即保持故障前的控制方式不變，仍做相位互差120°的正弦控制，則可使電機(jī)維持在額定轉(zhuǎn)速附近進(jìn)行容錯(cuò)運(yùn)行；若對(duì)矩陣式變換器主電路非故障電機(jī)相上的開關(guān)采用上述選擇續(xù)流回路的原則進(jìn)行控制，即控制電流為正的電機(jī)定子相聯(lián)接到具有負(fù)最大電壓值的電源相，控制電流為負(fù)的電機(jī)定子相聯(lián)接到具有正最大電壓值的電源相，電機(jī)電流為零時(shí)，開關(guān)狀態(tài)保持不變，則可使電機(jī)迅速釋放能量，電機(jī)電流迅速降到接近于0，電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩迅速下降為0，電機(jī)轉(zhuǎn)速也迅速下降。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速下降到n≤ε時(shí)，電機(jī)能量釋放完畢，此時(shí)斷開所有矩陣式變換器開關(guān)，以及快速雙向開關(guān)Sc，實(shí)現(xiàn)停車，不會(huì)出現(xiàn)任何危險(xiǎn)性的強(qiáng)反電勢(shì)。
采用上述方法后，輸入濾波器電容中性點(diǎn)電壓VN將偏離零點(diǎn)電位，而隨著電機(jī)機(jī)端電壓的變化而變化，變化范圍與電源電壓在一個(gè)數(shù)量級(jí)上，這說明快速雙向開關(guān)Sa、Sb、Sc的耐壓要求與矩陣式變換器主電路開關(guān)在同一水平。濾波器電容中性點(diǎn)電壓的漂移對(duì)矩陣式變換器輸入電壓的影響并不大，因此對(duì)矩陣式變換器-電機(jī)系統(tǒng)控制的影響也不大。濾波器電容參數(shù)會(huì)影響輸入濾波器中性線電流iN的大小，電容越大，矩陣式變換器輸入電壓受到的影響越小，濾波器中性線電流iN越大。但總的來說，iN與電機(jī)電流在一個(gè)數(shù)量級(jí)上，這說明快速雙向開關(guān)Sa、Sb、Sc的耐流要求也與矩陣式變換器主電路開關(guān)在同一水平。因此，快速雙向開關(guān)Sa、Sb、Sc可采用與矩陣式變換器主電路相同的雙向開關(guān)。由于快速雙向開關(guān)Sa、Sb、Sc不需要工作在開關(guān)狀態(tài)，對(duì)開關(guān)的速度要求不高，因此快速雙向開關(guān)也可采用快速雙向可控硅或由2個(gè)快速可控硅組合來實(shí)現(xiàn)。
故障監(jiān)測(cè)、控制快速雙向開關(guān)Si導(dǎo)通(其中i＝a或b或c)，及矩陣式變換器主電路相應(yīng)開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的封鎖全部由硬件電路實(shí)現(xiàn)，整個(gè)過程的控制延時(shí)僅為模擬電路信號(hào)傳輸延時(shí)和快速雙向開關(guān)的開通延時(shí)，一般僅為零點(diǎn)幾個(gè)微秒。在此過程中，矩陣式變換器主電路IGBT的緩沖電路可以對(duì)因電感效應(yīng)引發(fā)的過電壓有很好的抑制作用，在嚴(yán)重的情況下，并接在矩陣式變換器輸出側(cè)的壓敏電阻Z4～Z6將會(huì)發(fā)揮作用。
(3)矩陣式變換器主電路某一開關(guān)短路故障保護(hù)及容錯(cuò)運(yùn)行如果矩陣式變換器開關(guān)間的換流控制得好，開關(guān)的短路故障一般不會(huì)發(fā)生。但電力電子設(shè)備的安全必須考慮開關(guān)的短路故障情況。若開關(guān)電流大大超過電機(jī)電流，且開關(guān)集射極間電壓超過正常導(dǎo)通電壓，則認(rèn)為發(fā)生了開關(guān)短路故障。
下面舉例說明。如圖8所示，假設(shè)開關(guān)SCa-發(fā)生短路，那么SCb+-D4-SCa--D1將造成b-a兩相的短路，SCc+-D6-SCa--D1將造成c-a兩相的短路。由于短路阻抗非常小，即使很小的電壓，也將出現(xiàn)非常大的短路電流。硬件監(jiān)測(cè)電路一旦檢測(cè)到大電流，將立即對(duì)故障相上所有的矩陣式變換器主電路IGBT進(jìn)行可控關(guān)斷，如若電流繼續(xù)增大超過IGBT的短路電流門檻，硬件電路將立即封鎖矩陣式變換器主電路故障相(例中為C相)上的所有開關(guān)驅(qū)動(dòng)脈沖。如若短路故障開關(guān)支路上的快熔(例中為F9)被燒斷，那么電機(jī)C相將與電源隔離，電機(jī)C相斷路，出現(xiàn)如同開關(guān)斷路故障的情況。模擬電路檢測(cè)到斷路故障后，故障處理情況與矩陣式變換器主電路某一開關(guān)斷路故障情況類似，可參照上述“矩陣式變換器主電路某一開關(guān)斷路故障保護(hù)及容錯(cuò)運(yùn)行”中的相關(guān)內(nèi)容。
但也可能出現(xiàn)這樣兩種情況①在快熔F9燒斷之前，故障相上主電路開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)已被封鎖；②快熔F7或F8先于F9燒熔。這兩種情況都將切除短路故障，短路電流消失，但短路故障并沒有從系統(tǒng)中排除。那么，電機(jī)C相將固定連接在電源a相上，若此時(shí)電機(jī)電流方向?yàn)樨?fù)(從電機(jī)流向電源)，電流通過短路的開關(guān)SCa-續(xù)流，不會(huì)出現(xiàn)電流中斷，硬件電路檢測(cè)不到斷路故障，Sc也不會(huì)導(dǎo)通；若此時(shí)電機(jī)電流方向?yàn)檎?，電流將?huì)中斷，監(jiān)測(cè)電路一檢測(cè)到斷路故障，就立即控制Sc導(dǎo)通。那么將會(huì)出現(xiàn)電機(jī)C相一方面通過Sc連接在輸入濾波器的中性點(diǎn)，一方面通過短路的開關(guān)SCa-連接在電源a相上，即a相電源短接在輸入濾波器電容的中性點(diǎn)N上。在仿真中發(fā)現(xiàn)，這兩種情況都不會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的過電流和過電壓現(xiàn)象。
權(quán)利要求
1.支持容錯(cuò)運(yùn)行的矩陣式變換器故障保護(hù)方法，其特征在于，所述方法在矩陣式變換器-電機(jī)系統(tǒng)中增加了三個(gè)分別聯(lián)接電機(jī)的三相定子與輸入濾波器電容中性點(diǎn)N的快速雙向開關(guān)，具體控制步驟如下當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，封鎖所述矩陣式變換器主電路故障相上所有的開關(guān)驅(qū)動(dòng)，同時(shí)控制與該故障相聯(lián)接的電機(jī)定子相上的快速雙向開關(guān)導(dǎo)通，從而使該電機(jī)定子相通過快速雙向開關(guān)聯(lián)接在輸入濾波器電容的中性點(diǎn)N；此時(shí)，對(duì)所述矩陣式變換器主電路非故障相上的開關(guān)的控制，若保持故障前的控制方式不變，則可使電機(jī)容錯(cuò)運(yùn)行；若采用如下控制方式，則可使電機(jī)迅速釋放能量停車根據(jù)電機(jī)電流方向和矩陣式變換器主電路輸入電壓所在扇區(qū)，控制矩陣式變換器主電路開關(guān)，為電機(jī)提供一個(gè)可控的續(xù)流回路，續(xù)流回路的選擇原則是控制電流為正的電機(jī)定子相聯(lián)接到具有負(fù)最大電壓值的電源相；控制電流為負(fù)的電機(jī)定子相聯(lián)接到具有正最大電壓值的電源相；電機(jī)電流為零時(shí)，開關(guān)狀態(tài)保持不變；其中，電流流向電機(jī)為正，流出電機(jī)為負(fù)；當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速下降到n ≤ε時(shí)，封鎖矩陣式變換器主電路所有開關(guān)的驅(qū)動(dòng)脈沖，完成停車；其中n為電機(jī)轉(zhuǎn)速，ε為一小正數(shù)，ε的值根據(jù)具體電機(jī)離線整定；若在電機(jī)轉(zhuǎn)速下降到n≤ε之前，電機(jī)電流方向或矩陣式變換器三相輸入電壓所在扇區(qū)發(fā)生了變化，那么進(jìn)行換流控制，電機(jī)續(xù)流回路仍按上述原則選擇。
2.一種實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述方法的支持容錯(cuò)運(yùn)行的矩陣式變換器故障保護(hù)電路，其特征在于，所述故障保護(hù)電路包括一端聯(lián)接在電機(jī)A相定子繞組的出線端，另一端聯(lián)接在輸入濾波器電容的中性點(diǎn)N上的快速雙向開關(guān)Sa；一端聯(lián)接在電機(jī)B相定子繞組的出線端，另一端聯(lián)接在輸入濾波器電容的中性點(diǎn)N上的快速雙向開關(guān)Sb；一端聯(lián)接在電機(jī)C相定子繞組的出線端，另一端聯(lián)接在輸入濾波器電容的中性點(diǎn)N上的快速雙向開關(guān)Sc；以△的形式并接在矩陣式變換器的三相輸入端的三個(gè)壓敏電阻，以△的形式并接在矩陣式變換器的三相輸出端的三個(gè)壓敏電阻；以及分別串聯(lián)聯(lián)接在矩陣式變換器主電路九個(gè)雙向開關(guān)的電源進(jìn)線端的九個(gè)快速熔斷器。
全文摘要
支持容錯(cuò)運(yùn)行的矩陣式變換器故障保護(hù)方法及電路，屬于交流電能變換技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明針對(duì)矩陣式變換器常用的二極管橋箝壓電路保護(hù)方式的不足之處，提出一種支持容錯(cuò)運(yùn)行的矩陣式變換器故障保護(hù)方法及電路。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，通過控制矩陣式變換器主電路開關(guān)或進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)重組為電機(jī)提供一個(gè)可控的續(xù)流回路，使電機(jī)迅速釋放能量停車或按情況進(jìn)行容錯(cuò)運(yùn)行。采用本發(fā)明可有效排除電機(jī)過載、矩陣式變換器主電路某一開關(guān)斷路、矩陣式變換器主電路某一開關(guān)短路等故障情況，并解決了傳統(tǒng)二極管箝壓保護(hù)電路的弊端。采用本發(fā)明提出的容錯(cuò)運(yùn)行控制，仍可使電機(jī)在接近于額定轉(zhuǎn)速維持運(yùn)轉(zhuǎn)，雖不能持久運(yùn)行，但不失為一種經(jīng)濟(jì)有效的救急方式。
文檔編號(hào)H02H7/12GK1773802SQ200510086750
公開日2006年5月17日 申請(qǐng)日期2005年11月1日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月1日
發(fā)明者王莉娜, 黃立培 申請(qǐng)人:清華大學(xué)