黃華 彭劍

（中國船舶重工集團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，電壓等級高、及電流大等優(yōu)勢，在中壓大功率變頻器領(lǐng)域得到越來越廣泛的應用。但是在基于IGCT的變頻器內(nèi)部發(fā)生瞬態(tài)短路故障時，由于IGCT器件自身無瞬態(tài)過電流保護能力，往往因IGCT無法及時關(guān)斷而造成變頻器損壞，并導致事故進一步擴大。目前，針對變頻器IGCT的瞬態(tài)過電流故障可采取的保護方法包括故障時關(guān)斷變頻器直流母線上串聯(lián)的 IGCT[1]、快速熔斷器保護法[2]等。這些方法在功率等級較低的變頻器中，可以對IGCT過電流故障起到一定的保護作用，但是當變頻器的功率等級較高時，這些方法就會存在響應時間長、分斷不可靠、設備體積大等不足。

本文通過分析基于 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)學模型，并利用該模型對變頻器逆變主回路內(nèi)部發(fā)生的短路瞬態(tài)過電流過程及回路參數(shù)變化情況進行了討論。以此為基礎，本文提出了一種大功率變頻器IGCT過電流故障電子保護方法，并通過實驗驗證了該方法的有效性。

2 變頻器故障模式及瞬態(tài)過流故障建模分析

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)負載造成短路。不論哪一種過流故障，均有兩條瞬態(tài)過流放電回路：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)過電流故障發(fā)生時間較一個電源周期短許多，將交流電源 Uuc視為一直流源，對上述過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)的鉗位電容相對直流濾波電容而言較小，短路后的第一波電流沖擊過程，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，對瞬態(tài)放電過程中各狀態(tài)變量變化情況進行計算分析[3]。

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

表1 大直通放電回路參數(shù)

表2 大直通時放電回路狀態(tài)變量計算結(jié)果

3 瞬態(tài)過電流電子保護工作原理及方案設計

從上節(jié)分析可以看出，變頻器發(fā)生內(nèi)部瞬態(tài)過流故障過程是一個微秒級大電流振蕩放電過程?？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通態(tài)電流為18000A[4]，大直通短路時，由表 1的計算結(jié)果可見，達到前者的時間不到兩微秒，達到后者的時間也不過四十幾微秒。因此，采用傳統(tǒng)的短路過流保護方法，在如此短的時間內(nèi)要達到保護器件的目的是非常困難的。

圖4 電子保護工作流程

瞬態(tài)過電流電子保護的方法能否實現(xiàn)微秒級別的保護效果，必須從兩個方面考慮：1) 如何判定短路過流故障的發(fā)生；2) 故障發(fā)生后的如何實現(xiàn)保護。第一個方面，我們考慮采用一種實時性更為可靠的檢測判定方法：直接通過對限流電感上的電壓進行閥值檢定，判斷主回路是否發(fā)生短路過流。通過閥值判定電路對該電壓的比較，獲得主回路是否發(fā)生短路過流故障的信息。第二個方面，我們考慮出現(xiàn)短路過電流后，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，將所有橋臂上的IGCT器件全部開通以分擔短路電流。并采用的是高電壓等級的 IGBT，在微秒級范圍分斷大電流，以實現(xiàn)分斷直流濾波電容與主回路的效果。整個保護的具體工作流程如圖4所示。

針對所使用的IGCT器件及主回路的結(jié)構(gòu)特點，根據(jù)所提出的電子保護原理，對三電平 H橋結(jié)構(gòu)變頻器瞬態(tài)短路過電流故障的電子保護方案設計如圖5所示。

圖5 瞬態(tài)短路過流電子保護方案示意

4 仿真分析及實驗驗證

根據(jù)上一節(jié)提出的保護方案，我們建立了如圖6所示的短路電子保護實驗平臺。

實驗平臺的直流輸入電壓 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所示為短路保護實驗波形。

圖6 電子保護實驗平臺

圖7 短路保護實驗波形

實驗波形易見，T1管開通，直流母線電流迅速上升，直流母線電流升至 K管過流保護動作，K管關(guān)斷并出現(xiàn)關(guān)斷過電壓；直流母線電流下降。整個過流保護完成的時間在 40 μs以內(nèi)，滿足保護的需要。

5 結(jié)束語

本文闡述了基于 IGCT的三電平 H橋型變頻器的瞬態(tài)過電流故障，分析了故障狀態(tài)下的放電過程。以此為基礎提出了一種新的IGCT瞬態(tài)過電流電子保護方法，實驗表明該方法能夠滿足基于IGCT的大功率變頻器微秒級瞬態(tài)過電流故障的保護要求。

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

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

[3]劉衛(wèi)國. 科學計算與MATLAB語言[M]. 北京: 中國鐵道出版社, 2000.

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