專利名稱：非對稱故障的對稱化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的目的本發(fā)明的目的在于可能在用電壓逆變器控制的同步電機或異步電機的拖動鏈中發(fā)生的非對稱故障的對稱化方法。
技術(shù)情況逆變器，特別是電壓逆變器，是用來從直流電壓提供交流電壓的。
其一種特別重要的應(yīng)用是對同步電機或異步電機做調(diào)速控制。
在這種情況下，需要向負載提供在頻率和幅度上可變化的盡可能接近均衡的正弦的三相系統(tǒng)的一個三相電壓系統(tǒng)，此處的負載可以用同步電機或異步電機的每一相來表示。電壓逆變器是一種能夠達到這個目的的裝置，是使用如可控硅那樣的功率元件構(gòu)成的靜態(tài)開關(guān)。直到最近，在這些功率元件中主要是半導(dǎo)體，例如可控硅、GTO等等。
已有一段時間出現(xiàn)了新型靜態(tài)轉(zhuǎn)換器，用術(shù)語“IGBT”(絕緣柵雙極晶體管Insulated Gate Bipolar Transistor)來定義。這些裝置是可控制元件，在這個意義上，用調(diào)節(jié)控制柵極上的電壓就可在任何時刻將所要的電流加在開關(guān)中。然而，對于例如GTO或類似的老一代的開關(guān)，則只能確定開關(guān)的接通時刻或切斷時刻。
本發(fā)明特別在于用如IGBT或雙極晶體管那樣的新一代的功率元件所構(gòu)成的逆變器。
當在一個二級逆變器中的一個半導(dǎo)體短路(半導(dǎo)體的故障)，電機的相應(yīng)相被永久地連接在逆變器中高電位點或逆變器的低電位點，假設(shè)位于同一支路上的半導(dǎo)體是閉鎖的，否則整條支路短路，使得逆變器的輸入和輸出短路。在這個時刻，切斷所有的半導(dǎo)體，阻斷逆變器的剩余部分將使電機處在一個可能生成電機軸上的瞬時高扭矩的電結(jié)構(gòu)中(這決定于故障發(fā)生的時刻)，導(dǎo)致機械傳動中斷。
這個問題的解決辦法是在電機的各個端子生成對稱的三相短路，對此有多種可能的方法。
在將一個異步電機實施短路的特殊情況下，特別知道的是文獻SU-1350783，是將一個電機所有各相同時實施短路，這使得免除了非對稱性故障，則免除了逆變器的供電的一相在高電位點和低電位點連接的故障。這就要實現(xiàn)異步電機的三相對稱短路，使得由非對稱短路所生成的過量扭矩不嚴重地引起機械傳動。
最簡單的解決辦法是接通逆變器的所有半導(dǎo)體，這就使逆變器的所有輸入電容器短路。然而，在這種情況下，就要計算所有的半導(dǎo)體的尺寸，以能承受電容器的短路電流加上電機的短路電流。這對于用GTO逆變器是可行的，因為在這些半導(dǎo)體中的電流是由各限制電感限制的(di/dt)，然而在IGBT逆變器的情況下則相當糟糕，在逆變器的電容器與各IGBT之間所用的匯流條的電感很小，這就導(dǎo)致并非是由電感來限制的，這和在用GTO時的情況不同。另外IGBT自己用去飽和限制其集電極電流。由于這兩種原因，使得IGBT逆變器難以接受這種方略。
另一方面，供給變速電機用電的IGBT雙極逆變器的保護裝置是在工業(yè)生產(chǎn)中用的。文獻GB-A-2309597說明了這方面的技術(shù)狀況。
所提到的裝置是將IGBT欠飽和檢測電路用于在逆變器的內(nèi)部或輸出處的故障檢測，并將逆變器阻斷。
這樣的裝置的缺陷在于它能夠在由這樣的裝置所保護的逆變器來供電的異步電機中生成非對稱故障。
本發(fā)明的目的本發(fā)明的目的是提出一種對裝備有一個電壓逆變器的同步或異步牽引鏈的保護方法。述及的逆變器是由半導(dǎo)體所組成的靜態(tài)開關(guān)構(gòu)成的。這種方法解決了這種半導(dǎo)體使用需要考慮解決的問題。
這個發(fā)明特別在于當在對電機供電的逆變器的內(nèi)部或外部發(fā)生故障時，能夠限制由一個二級或更一般地為多級的電壓逆變器所供電的同步電機或異步電機的力矩。
本發(fā)明的目的在于提供牽引鏈的一種整體保護方略，這種方略能夠?qū)⒃陔妷耗孀兤鞯妮敵鎏幍姆菍ΨQ短路對稱化，而不使逆變器遭受損害。
本發(fā)明的主要特征元件本發(fā)明在于將可能發(fā)生在牽引鏈內(nèi)的非對稱故障進行對稱化的一種方法，所述的牽引鏈中有一個由一個二級或多級的逆變器所控制的同步電機或異步電機，逆變器是由使用如IGBT或雙極晶體管那樣的半導(dǎo)體所構(gòu)成的靜態(tài)開關(guān)組成的。根據(jù)這種方法，要檢測故障是否在逆變器的供電的高電位點或低電位點將電機的一個相接通，或是否有危險將之接通，并根據(jù)檢測結(jié)果，僅將有故障的逆變器的一半短路。
更為確切地說，本發(fā)明在于一種保護方法，在這個方法中，在檢測故障位置之后，將電壓逆變器的各相在逆變器的高電位點或低電位點的連接閉合，這就在這個逆變器的輸出端生成三相對稱短路，而不在其輸入處形成短路。這意味著，如果故障是使在逆變器的供電高電位點將電機的至少一相接通，則將電機的所有各相與逆變器的供電高電位點接通；如果故障使得電機的至少一相和逆變器的供電低電位點接通，則使電機的所有各相都和逆變器的供電低電位點接通。這實現(xiàn)了在逆變器輸入處無短路。
根據(jù)使用一個二級逆變器的實施方法，使用IGBT半導(dǎo)體的減飽和檢測原理來確定故障位置。
根據(jù)使用一個三級逆變器或更多級逆變器的實施方式，使用IGBT半導(dǎo)體的減飽和檢測原理和主動削峰(écrêtage actif)檢測來確定故障位置。
附圖的簡要說明

圖1、2、3分別示出在一個二級逆變器與異步電機的三個相連接的情況下，本發(fā)明的方法的不同階段。
圖4、5、6分別示出在一個三級逆變器和異步電機的三個相連接的情況下，本發(fā)明的方法的不同階段。
本發(fā)明的多種實施方式的詳細描述圖1示意性地表示出一個二級逆變器，它和異步電機M的三相R、S和T相連。
這個圖用示意的方法畫出了用于本發(fā)明范圍內(nèi)的一種傳統(tǒng)的二級逆變器的三條支路，按照傳統(tǒng)的方法，這種逆變器的每條支路有兩個開關(guān)(I1(R、S、T)或I2(R、S、T))，交替供給一個負載用電，這個負載是用異步電機M的一個相來表示。
在這種特殊的情況下，負載是自感型的，且需要將每條支路的兩個開關(guān)與稱為單向(roue libre)(D1或D2)二極管的一個二極管并聯(lián)，使得在開關(guān)開路時，相應(yīng)的負載電流從中流過。裝有這種二極管使得在開關(guān)開路時，相應(yīng)的感性負載電流減小，從而免除所有的破壞性過載。
二級逆變器的應(yīng)用在使用IGBT型開關(guān)的情況下(與用GTO型開關(guān)不同)，當處在短路的半導(dǎo)體接通時，或是突然產(chǎn)生一個短路時，則要使開關(guān)重新阻斷，雖然IGBT是接通的。事實上，IGBT內(nèi)在地將其集電極電流限制在其標稱電流的3至6倍，這種現(xiàn)象稱為“減飽和”。
IGBT的減飽和檢測能夠檢測到短路，并通過將IGBT的(集電極-發(fā)射極)二極間的值Vce與控制這個IGBT的點火器內(nèi)部生成的一個參考電壓進行比較，如果測得的電壓Vce大于這個參考電壓，則點火器對IGBT進行檢測，并能自動切斷控制點火的IGBT，還能給控制電路一個訊號，指出檢測到一個短路。
控制電路操縱處在同一半逆變器上的IGBT的熄滅，也操縱其它IGBT的起動。
例如，假定這個控制電路接收到下述的一個信息在減飽和檢測之后，點火器切斷了開關(guān)1R。這意味著，在R相和逆變器的最下端之間短路，控制電路的作用是將開關(guān)2R、2S、2T接通。
圖2和圖3是用示意的方式示出的是僅將逆變器的兩個部分中的一個實施短路。
特別是在圖2中，逆變器的上部分為短路?？刂齐娐吩谶@種情況下發(fā)出命令將開關(guān)I2R、I2S、I2T斷開，將開關(guān)I1R、I1S、I1T接通，在開關(guān)I1R、I1S、I1T之間由它們的集電極接通的同時，它們之間的同時接通使得電機的三相R、S、T短路，開關(guān)I2R、I2S、I2T就重新取輸入電容器C的電壓值。
在圖3中，逆變器的下部短路，在這種情況下，控制電路發(fā)布命令開關(guān)I1R、I1S、I1T斷開，開關(guān)I2R、I2S、I2T接通，各開關(guān)I2R、I2S、I2T之間由它們的發(fā)射極接通，它們之間的同時接通將電機的三相R、S、T之間短路，開關(guān)I1R、I1S、I1T仍取輸入電容C的電壓。
三級逆變器的應(yīng)用在圖4中示出一個三級逆變器，分別和一個異步電機的三相連接。逆變器的三條支路中每一條都是由四個開關(guān)I1、I2、I3、I4(分別有R、S、T)組成，這四個開關(guān)交替二通二斷，以交替供給由異步電機的各相所構(gòu)成的負載用電。
在每個開關(guān)上仍有一個單向二極管D1或D2，以使在相應(yīng)的開關(guān)斷開時讓電流流過。
在圖5中，將逆變器的上面部分短路，而在圖6中是將逆變器的下面部分短路。
當在三級逆變器中有一個半導(dǎo)體短路，其問題要比在二級逆變器的情況下復(fù)雜。
這時的故障并不是系統(tǒng)地逆變器高電位點或低電位點與相應(yīng)的相相連，例如，若為一個半導(dǎo)體有故障，且半導(dǎo)體的短路是在半導(dǎo)體的內(nèi)部，則可以切斷半導(dǎo)體的供電而不產(chǎn)生電機軸的力矩過大。
相反，在故障導(dǎo)致了一個相與逆變器的高電位點或逆變器的低電位點的接通，則要應(yīng)用如下的短路過程于是保護的方略為-如在IGBT中檢測到減飽和，則控制電路將逆變器的所有IGBT切斷。
-如在一個內(nèi)部IGBT的電壓過高，則相應(yīng)的點火器便保護這個IGBT，并向控制電路發(fā)送一個電壓過高的信息，這個控制電路使這同一半逆變器的IGBT的接通，并將另一些IGBT切斷。
作為示例，現(xiàn)在考察，一個故障導(dǎo)致一個相被接通到逆變器高電位點。
IGBT 1R是由控制電路控制的，處在接通狀態(tài)，然而突然短路。這個IGBT被控制接通，負載的電流是從逆變器輸出的電流，IGBT 3R和4R被切斷。
三級逆變器后面的運行步驟通常是將IGBT 1R切斷，將IGBT 3R接通。
這便有什么事情發(fā)生呢？1)IGBT 1R并未被熄滅，因為它不完善。
2)IGBT 3R被接通，并在回路C1、1R、2R、3R、二極管中出現(xiàn)短路。
3)IGBT 2R和/或IGBT 3R很快飽和，相應(yīng)的點火器將其IGBT切斷，同時向控制電路發(fā)送信息。
4)控制電路要求將逆變器的所有IGBT切斷，除IGBT 1R以外的所有IGBT都被切斷。
5)IGBT 2R的集電極和逆變器的高電位點接通。
6)輸出R相電流，但不能只切斷IGBT 2R而不使過高電壓將之破壞(因在切斷時，使得反并聯(lián)放置的二極管3R與4R導(dǎo)通)。或者控制電路發(fā)出一個命令，將所有的IGBT切斷。
7)為了避免將IGBT 2R破壞，所采取的辦法是在所有的點火器上都用主動削峰保護不使電壓過高，在過電壓的情況下，主動削峰自動將IGBT的電壓Vce限制在預(yù)定的值，并在過電壓持續(xù)太久時通知控制電路，控制電路就做出決定，發(fā)送一個命令，將與過電壓的IGBT相應(yīng)的半個逆變器接通。
圖5示出的是將逆變器的上部短路，而圖6示出的是將逆變器的下部短路。
如圖5所示，開關(guān)I1R、I1S、I1T是通過它們的發(fā)射極互相連接的，它們的集電極分別和開關(guān)I2R、I2S和I2T連接，將開關(guān)I1R、I1S、I1T、I2R、I2S及I2T之間接通就使電機的三相R、S及T短路，開關(guān)I3R、I3S、I3T、I4R、及I4T則取輸入電容器的電壓值。
在將下部短路的情況下，如圖6所示，開關(guān)I4R、I4S及I4T是由它們的發(fā)射極之間連接的，它們的集電極分別和開關(guān)I3R、I3S、I3T連接，將開關(guān)I3R、I3S、I3T、I4R、I4S及I4T接通使得電機的三相R、S、T短路，開關(guān)I1R、I1S、I1T、I2R、I2S、I2T則取輸入電容器的電壓。
權(quán)利要求
1．一種將可能突然出現(xiàn)在一個拖動鏈內(nèi)的非對稱故障的對稱化方法，述及的拖動鍵中有一個用一個二級或多級電壓逆變器控制的同步電機或異步電機，而述及的逆變器則是用如IGBT或雙極晶體管那樣的半導(dǎo)體所構(gòu)成的靜態(tài)開關(guān)組成的，本方法的特征在于檢測故障是否將電機的一相和供電逆變器的高電位點或低電位點接通，或是否有接通的危險，特征還在于是根據(jù)檢測結(jié)果，僅將逆變器具有故障的那一半短路。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于在檢測并確定故障位置之后，通常將電壓逆變器的所有各相和逆變器的高電位點或低電位點接通，在這個逆變器的輸出處產(chǎn)生三相對稱短路，而不在其輸入處產(chǎn)生短路。
3．根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其特征在于如果故障是使電機的至少一相和逆變器的供電高電位點相連，則將電機的所有各相都和逆變器的供電高電位點相連，如果故障是使電機的一相和逆變器的供電低電位點相連，則將電機的所有各相都和逆變器的供電低電位點相連，這就實現(xiàn)了不在逆變器輸入處生成短路。
4．根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其特征在于使用IGBT半導(dǎo)體的減飽和檢測原理來確定二級逆變器中的故障位置。
5．根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其特征在于利用IGBT半導(dǎo)體的減飽和檢測原理和主動削峰檢測原理來確定三級逆變器的故障位置。
全文摘要
本發(fā)明在于一種將可能突然發(fā)生在具有使用由如IGBT或雙極半導(dǎo)體管那樣的半導(dǎo)體的靜態(tài)開關(guān)所構(gòu)成的二級或多級電壓逆變器所控制的一個同步或異步電機的拖動鏈中的非對稱故障的對稱化方法,其特征在于檢測故障是否將電機的一相和逆變器的供電的高電位點或低電位點相連,或是否有相連的危險,特征還在于根據(jù)檢測結(jié)果僅將逆變器具有故障的那一半短路。
文檔編號H02H7/12GK1289470SQ9980246
公開日2001年3月28日 申請日期1999年1月26日 優(yōu)先權(quán)日1998年1月28日
發(fā)明者瓊－艾瑪紐爾·馬西露斯, 亞歷克西斯·科拉塞, 瓊－瑪麗亞·博德森 申請人:阿爾斯托姆比利時股份有限公司