黃華 彭劍

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一二研究所，武漢 430064）

1 引言

IGCT器件以其通態(tài)、關(guān)斷損耗低，電壓等級(jí)高、及電流大等優(yōu)勢(shì)，在中壓大功率變頻器領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。但是在基于IGCT的變頻器內(nèi)部發(fā)生瞬態(tài)短路故障時(shí)，由于IGCT器件自身無(wú)瞬態(tài)過(guò)電流保護(hù)能力，往往因IGCT無(wú)法及時(shí)關(guān)斷而造成變頻器損壞，并導(dǎo)致事故進(jìn)一步擴(kuò)大。目前，針對(duì)變頻器IGCT的瞬態(tài)過(guò)電流故障可采取的保護(hù)方法包括故障時(shí)關(guān)斷變頻器直流母線上串聯(lián)的 IGCT[1]、快速熔斷器保護(hù)法[2]等。這些方法在功率等級(jí)較低的變頻器中，可以對(duì)IGCT過(guò)電流故障起到一定的保護(hù)作用，但是當(dāng)變頻器的功率等級(jí)較高時(shí)，這些方法就會(huì)存在響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、分?jǐn)嗖豢煽?、設(shè)備體積大等不足。

本文通過(guò)分析基于 IGCT的三電平 H橋型大功率變頻器不同的內(nèi)部短路情況，提出一種關(guān)于三電平 H橋結(jié)構(gòu)變頻器內(nèi)部短路故障的數(shù)學(xué)模型，并利用該模型對(duì)變頻器逆變主回路內(nèi)部發(fā)生的短路瞬態(tài)過(guò)電流過(guò)程及回路參數(shù)變化情況進(jìn)行了討論。以此為基礎(chǔ)，本文提出了一種大功率變頻器IGCT過(guò)電流故障電子保護(hù)方法，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性。

2 變頻器故障模式及瞬態(tài)過(guò)流故障建模分析

圖1所示為三電平 H橋結(jié)構(gòu)變頻器的一相，R、L構(gòu)成整流變壓器輸出端至直流濾波電容之間的等效阻抗，其大小由變壓器、整流二極管及電纜決定，C為直流濾波電容，Ls、Rs、Cs及 D5、D6構(gòu)成限流環(huán)節(jié)，T1～T8為 ABB公司5SHX19L6010型 IGCT，與 D1～D4組成三電平H橋結(jié)構(gòu)。

圖1 三電平H橋結(jié)構(gòu)變頻器的一相

變頻器發(fā)生內(nèi)部瞬態(tài)過(guò)流故障類型包括橋臂直通、輸出端短路兩種。橋臂直通可分小直通故障與大直通故障。輸出端短路主要是輸出未經(jīng)負(fù)載造成短路。不論哪一種過(guò)流故障，均有兩條瞬態(tài)過(guò)流放電回路：一條由交流電源 Uuc，等效阻抗 R、L，限流環(huán)節(jié)，橋臂 IGCT構(gòu)成；另一條由直流濾波電容 C，限流環(huán)節(jié)，橋臂 IGCT構(gòu)成。圖2示出了大直通情形下的放電回路。

圖2 大直通放電回路

考慮到瞬態(tài)過(guò)電流故障發(fā)生時(shí)間較一個(gè)電源周期短許多，將交流電源 Uuc視為一直流源，對(duì)上述過(guò)電流故障放電回路作如圖3所示的等效電路模型。

圖3 放電回路等效電路

圖3中，Uuc為故障狀態(tài)交流電源瞬態(tài)等效直流源；R、L同圖 1；C為等效直流濾波電容；R1、L1為短路時(shí)限流環(huán)節(jié)與 H橋構(gòu)成的等效阻抗，由于限流環(huán)節(jié)的鉗位電容相對(duì)直流濾波電容而言較小，短路后的第一波電流沖擊過(guò)程，可忽略鉗位電容上的暫態(tài)以及充電電流[2]。因此，R1、L1大小由限流電感與短路電流流經(jīng)的IGCT和鉗位二極管的通態(tài)電阻決定。

對(duì)圖3放電回路等效模型可列出狀態(tài)方程組如下：

其狀態(tài)變量 uc、i0、i分別為直流濾波電容電壓、直流濾波電容前端母線電流及 H橋橋臂電流。以變頻器的大直通故障為例，對(duì)瞬態(tài)放電過(guò)程中各狀態(tài)變量變化情況進(jìn)行計(jì)算分析[3]。

大直通情況，等效放電回路參數(shù)如表 1所示，放電過(guò)程狀態(tài)變量的計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表1 大直通放電回路參數(shù)

表2 大直通時(shí)放電回路狀態(tài)變量計(jì)算結(jié)果

3 瞬態(tài)過(guò)電流電子保護(hù)工作原理及方案設(shè)計(jì)

從上節(jié)分析可以看出，變頻器發(fā)生內(nèi)部瞬態(tài)過(guò)流故障過(guò)程是一個(gè)微秒級(jí)大電流振蕩放電過(guò)程?？紤]到變頻器的主功率器件 5SHX19L6010型 IGCT的最大可關(guān)斷電流為 1800A，10ms內(nèi)器件可承受的最大不可重復(fù)通態(tài)電流為18000A[4]，大直通短路時(shí)，由表 1的計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，達(dá)到前者的時(shí)間不到兩微秒，達(dá)到后者的時(shí)間也不過(guò)四十幾微秒。因此，采用傳統(tǒng)的短路過(guò)流保護(hù)方法，在如此短的時(shí)間內(nèi)要達(dá)到保護(hù)器件的目的是非常困難的。

圖4 電子保護(hù)工作流程

瞬態(tài)過(guò)電流電子保護(hù)的方法能否實(shí)現(xiàn)微秒級(jí)別的保護(hù)效果，必須從兩個(gè)方面考慮：1) 如何判定短路過(guò)流故障的發(fā)生；2) 故障發(fā)生后的如何實(shí)現(xiàn)保護(hù)。第一個(gè)方面，我們考慮采用一種實(shí)時(shí)性更為可靠的檢測(cè)判定方法：直接通過(guò)對(duì)限流電感上的電壓進(jìn)行閥值檢定，判斷主回路是否發(fā)生短路過(guò)流。通過(guò)閥值判定電路對(duì)該電壓的比較，獲得主回路是否發(fā)生短路過(guò)流故障的信息。第二個(gè)方面，我們考慮出現(xiàn)短路過(guò)電流后，不立即關(guān)斷 IGCT，而是利用該型 IGCT通態(tài)條件下可承受18000 A的電流的特點(diǎn)，將所有橋臂上的IGCT器件全部開(kāi)通以分擔(dān)短路電流。并采用的是高電壓等級(jí)的 IGBT，在微秒級(jí)范圍分?jǐn)啻箅娏?，以?shí)現(xiàn)分?jǐn)嘀绷鳛V波電容與主回路的效果。整個(gè)保護(hù)的具體工作流程如圖4所示。

針對(duì)所使用的IGCT器件及主回路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，根據(jù)所提出的電子保護(hù)原理，對(duì)三電平 H橋結(jié)構(gòu)變頻器瞬態(tài)短路過(guò)電流故障的電子保護(hù)方案設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 瞬態(tài)短路過(guò)流電子保護(hù)方案示意

4 仿真分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)上一節(jié)提出的保護(hù)方案，我們建立了如圖6所示的短路電子保護(hù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的直流輸入電壓 1800 V；C為10 mF直流濾波電容；K選用 3300 V/1500 A的IGBT，短路前保持開(kāi)通狀態(tài)；DC-link環(huán)節(jié)由Ls1、Rs1、D及Cs1構(gòu)成，其中Ls1為8 μH水冷電感，2 μH處取抽頭；平臺(tái)采用雙橋臂，橋臂采用的功率器件為 5SHX19L6010型 IGCT。圖7所示為短路保護(hù)實(shí)驗(yàn)波形。

圖6 電子保護(hù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖7 短路保護(hù)實(shí)驗(yàn)波形

實(shí)驗(yàn)波形易見(jiàn)，T1管開(kāi)通，直流母線電流迅速上升，直流母線電流升至 K管過(guò)流保護(hù)動(dòng)作，K管關(guān)斷并出現(xiàn)關(guān)斷過(guò)電壓；直流母線電流下降。整個(gè)過(guò)流保護(hù)完成的時(shí)間在 40 μs以內(nèi)，滿足保護(hù)的需要。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文闡述了基于 IGCT的三電平 H橋型變頻器的瞬態(tài)過(guò)電流故障，分析了故障狀態(tài)下的放電過(guò)程。以此為基礎(chǔ)提出了一種新的IGCT瞬態(tài)過(guò)電流電子保護(hù)方法，實(shí)驗(yàn)表明該方法能夠滿足基于IGCT的大功率變頻器微秒級(jí)瞬態(tài)過(guò)電流故障的保護(hù)要求。

[1]韓安榮. 通用變頻器及其應(yīng)用[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2000.

[2]胡兆慶等. 高壓變頻器中IGCT的快熔保護(hù)[J]. 高電壓技術(shù), 2003,29(1).

[3]劉衛(wèi)國(guó). 科學(xué)計(jì)算與MATLAB語(yǔ)言[M]. 北京: 中國(guó)鐵道出版社, 2000.

[4]Thomas Setz, Matthias Lüscher.. Applying IGCTs.ABB Application Note，5SYA 2032-03，2007.