专利名称：一种高压igct过电流电子保护模块及短路电流保护方法
技术领域：
本发明涉及一种高压IGCT过电流电子保护模块及短路电流保护方法，具体是一 种保护电压源型中压大功率变频器中IGCT器件的电力电子模块，属于电力电子元器件技 术领域。
背景技术：
对于中压大功率调速系统中控制电机的变频装置而言，大功率IGCT可望得到较 为广泛地应用。然而，对于短路过电流IGCT自身不具备保护能力，当瞬态故障电流超过最 大可关断电流时，IGCT将无法关断。因此，采用IGCT作为主功率器件的大功率变频装置存 在的技术难度之一是IGCT的短路保护。目前针对变频装置中IGCT短路过电流保护的方法 主要有
1)装设快速熔断器保护，快速熔断器作为变频器常用的一种短路保护器件，具有结构 简单、反时限保护的优点，然而，对于IGCT这一较为特殊的功率器件，快速熔断器的应用受 限于变频器的功率等级，市场上现有的快速熔断器产品均不能满足大功率变频装置中IGCT 短路过电流的保护；
2)生产IGCT的ABB公司提出利用IGCT自身相对较大的电流承受能力，在短路发生时 同时开通变频器主回路中全部IGCT器件，分担短路电流的方法。这种保护方法，其控制方 法复杂，实现困难，并且保护的前提是短路电流分担以后，在单个IGCT允许的范围之内，一 旦短路电流过大，不仅起不到保护作用，还会使故障扩大。
发明内容
本发明的目的在于，克服现有IGCT短路过电流保护方法的缺点，提供一种高压 IGCT过电流电子保护模块及短路电流保护方法，它是新的适用于电压源型大功率变频器中 IGCT器件短路过流保护的电力电子模块，实现保护范围广、响应速度快、分断可靠、体积小、 重量轻、便于安装维护的目的。本发明的一种高压IGCT过电流电子保护模块的技术方案是它包括一个固定在 支架上的高压大功率开关模块；固定在支架上的过电流检测模块；固定在支架上的高频过 电压采样模块；安装在支架上的光驱动模块；安装在支架上的电源模块。在上述技术方案的基础上更进一步的技术方案是
所述的高压IGCT过电流电子保护模块，其高压大功率开关模块，它包括水冷板式散热 器、大功率开关管、缓冲电阻、高频吸收电容、低感功率母排、大功率开关管驱动电路。所述的高压IGCT过电流电子保护模块，其大功率开关管、缓冲电阻安装在水冷板 式散热器表面；大功率开关管、缓冲电阻与高频吸收电容通过低感功率母排连接。所述的高压IGCT过电流电子保护模块，其过电流检测模块，它包括电流霍尔传感 器、过电流逻辑检测电路，该过电流逻辑检测电路安装在电流霍尔传感器上；所述的高频过 电压采样模块，它包括水冷抽头电感、高频过电压检测电路，该高频过电压检测电路安装在水冷抽头电感上。所述的高压IGCT过电流电子保护模块，其光驱动模块的信号输入端通过光纤与 过电流逻辑检测电路及高频过电压检测电路的信号输出端连接，光驱动模块的信号输出端 通过光纤与外部IGCT器件连接。所述的高压IGCT过电流电子保护模块，其电源模块的输入端用电缆与外部220V 的工频交流电源连接，输出端+15V、0V与功率模块驱动电路的电源端联接，输出端+24V、 0V、-24V用电缆与过电流检测模块的电源端联接，输出端+24V、0V用电缆与光驱动模块及 高频过电压检测电路的电源端联接。本发明所述高压IGCT过电流电子保护模块的短路电流保护方法，其步骤是
1)启动后，大功率开关管驱动电路使大功率开关管一直处于导通状态；
2)当高频过电压采样模块的水冷抽头电感上出现高频过电压时，则高频过电压检测电 路对高频过电压进行采样并与高频过电压检测电路上设定的阀值比较，超过阀值，则高频 过电压检测电路信号输出端向光驱动模块输出驱动指令，光驱动模块向外部IGCT器件输 出全开通信号；同时，高频过电压检测电路向外部断路器输出分断电信号；
3)光驱动模块向外部IGCT器件输出全开通信号后，流过高压大功率开关模块的电流 引起大功率开关管驱动电路保护动作，关断大功率开关管，过电流逻辑检测电路对流过电 流霍尔传感器的电流进行采样，并与过电流逻辑检测电路上设定的阀值比较，低于阀值，则 过电流逻辑检测电路信号输出端向光驱动模块输出驱动指令，光驱动模块向外部IGCT器 件输出全关断信号。与现有技术比较，本发明的显著技术效果为
1、扩大了 IGCT型大功率变频器短路过电流保护的范围；
2、缩短了短路过电流保护动作响应时间；
3、分断安全可靠；
4、结构紧凑，体积重量小，便于安装维护。
图1是高压IGCT过电流电子保护模块主视示意图； 图2是图1电子保护模块的左视图3是图1电子保护模块的俯视图； 图4是图1电子保护模块的电路原理图。图中各附图标记名称为1一高压大功率模块；1. 1一水冷板式散热器；1. 2-大功率开关管；1.3—缓冲电阻；1.4一高频吸收电容；1.5—低感功率母排；1.6— 大功率开关管驱动电路；2—过电流检测模块；2. 1—电流霍尔传感器；2. 2—过电流 逻辑检测电路；3—高频过电压采样模块；3. 1—水冷抽头电感；3. 2—高频过电压检 测电路；4一光驱动模块；5—电源模块；6—支架。
具体实施例方式如图1、2、3、4所示，一种高压IGCT过电流电子保护模块，它有一个固定在支架6 上的高压大功率开关模块1 ；固定在支架6上的过电流检测模块2 ；固定在支架6上的高频
4过电压采样模块3 ；安装在支架6上的光驱动模块4 ；安装在支架6上的电源模块5。所述 的高压大功率开关模块1，它包括水冷板式散热器1. 1、大功率开关管1. 2、缓冲电阻1. 3、高 频吸收电容1. 4、低感功率母排1. 5、大功率开关管驱动电路1. 6。大功率开关管1. 2、缓冲 电阻1. 3安装在水冷板式散热器1. 1表面；大功率开关管1. 2、缓冲电阻1. 3与高频吸收电 容1. 4通过低感功率母排1. 5连接。过电流检测模块2，它包括电流霍尔传感器2. 1、过电 流逻辑检测电路2. 2，该过电流逻辑检测电路2. 2安装在电流霍尔传感器2. 1上；所述的高 频过电压采样模块3，它包括水冷抽头电感3. 1、高频过电压检测电路3. 2，该高频过电压检 测电路3. 2安装在水冷抽头电感3. 1上。光驱动模块4的信号输入端通过光纤与过电流逻 辑检测电路2. 2及高频过电压检测电路3. 2的信号输出端连接，光驱动模块4的信号输出 端通过光纤与外部IGCT器件连接。电源模块5的输入端用电缆与外部220V的工频交流电 源连接，输出端+15V、0V与功率模块驱动电路1.6的电源端联接，输出端+24V、0V、-24V用 电缆与过电流检测模块2的电源端联接，输出端+24V、0V用电缆与光驱动模块4及高频过 电压检测电路3. 2的电源端联接。本发明一种用上述高压IGCT过电流电子保护模块的短路电流保护方法，它的步 骤为
1)启动后，大功率开关管驱动电路1.6使大功率开关管1. 2 一直处于导通状态；
2)当高频过电压采样模块3的水冷抽头电感3.1上出现高频过电压时，则高频过电压 检测电路3. 2对高频过电压进行采样并与高频过电压检测电路3. 2上设定的阀值比较，超 过阀值，则高频过电压检测电路3. 2信号输出端向光驱动模块4输出驱动指令，光驱动模块 4向外部IGCT器件输出全开通信号；同时，高频过电压检测电路3. 2向外部断路器输出分 断电信号；
3)光驱动模块4向外部IGCT器件输出全开通信号后，流过高压大功率开关模块1的 电流引起大功率开关管驱动电路1. 6保护动作，关断大功率开关管1. 2，过电流逻辑检测电 路2. 2对流过电流霍尔传感器2. 1的电流进行采样，并与过电流逻辑检测电路2. 2上设定 的阀值比较，低于阀值，则过电流逻辑检测电路2. 2信号输出端向光驱动模块4输出驱动指 令，光驱动模块4向外部IGCT器件输出全关断信号。结合附图，对本发明的工作原理、技术参数和积极效果作进一步说明如下
本发明高压IGCT过电流电子保护模块，串联接入IGCT型变频器的直流支路，工作时大 功率开关管1. 2处于常开通状态。变频器发生短路过电流故障时，水冷抽头电感3. 1上将 产生由短路电流引起的高频过电压。高频过电压检测电路3. 2测得高频过电压信号，并将 测得信号与此高频过电压检测电路3. 2上设定的动作阀值进行比较，超过设定阀值，则此 高频过电压检测电路3. 2产生一光信号，该光信号通过光纤送至光驱动模块4，接收到该光 信号的光驱动模块4发出全开通的光驱动信号，通过光纤送至变频器中的IGCT器件，使所 有IGCT导通。同时，高频过电压检测电路3. 2输出一电信号至变频器主控制电路，控制变 频器与供电网络断开。随着变频器直流支路电流的快速增大，大功率开关管驱动电路1.6 上的过电流保护功能开始动作，将大功率开关管1. 2关断，同时，高频吸收电容1. 4与缓冲 电阻1. 3吸收大功率开关管1. 2产生的关断过电压。大功率开关管1. 2的关断过程中，流 过电流霍尔传感器2. 1的电流逐渐减小，过电流逻辑检测电路2. 2测得过电流信号，并将测 得信号与此过电流逻辑检测电路2. 2上设定的动作阀值进行比较，低于设定阀值，则此过电流逻辑检测电路2. 2产生一光信号，该光信号通过光纤送至光驱动模块4。接收到该光信 号的光驱动模块4发出全关断的光驱动信号，通过光纤送至变频器中的IGCT器件，使所有 IGCT关断，实现短路过电流保护。本发明高压IGCT过电流电子保护模块，其体积为500*325*400mm3，重量43kg。根 据变频器中IGCT器件的额定电压、最大可关断电流等参数整定高频过电压检测电路3. 2与 过电流逻辑检测电路2. 2的动作阀值，以确定高压IGCT过电流电子保护模块的动作电流。本发明权利要求保护范围不限于上述实施例。
权利要求
一种高压IGCT过电流电子保护模块，其特征在于，它包括一个固定在支架(6)上的高压大功率开关模块(1)；固定在支架(6)上的过电流检测模块(2)；固定在支架(6)上的高频过电压采样模块(3)；安装在支架(6)上的光驱动模块(4)；安装在支架(6)上的电源模块(5)。
2.根据权利要求1所述的高压IGCT过电流电子保护模块，其特征在于，所述的高压大 功率开关模块(1)，它包括水冷板式散热器(1. 1)、大功率开关管(1.2)、缓冲电阻(1.3)、高 频吸收电容(1. 4)、低感功率母排(1. 5)、大功率开关管驱动电路(1. 6)。
3.根据权利要求2所述的高压IGCT过电流电子保护模块，其特征在于，大功率开关管 (1.2)、缓冲电阻(1.3)安装在水冷板式散热器(1. 1)表面；大功率开关管(1.2)、缓冲电阻 (1. 3)与高频吸收电容(1. 4)通过低感功率母排(1. 5)连接。
4.根据权利要求1所述的高压IGCT过电流电子保护模块，其特征在于，所述的过电流 检测模块(2)，它包括电流霍尔传感器(2. 1)、过电流逻辑检测电路(2. 2)，该过电流逻辑检 测电路(2. 2)安装在电流霍尔传感器(2. 1)上；所述的高频过电压采样模块(3)，它包括水 冷抽头电感(3. 1)、高频过电压检测电路(3. 2)，该高频过电压检测电路(3. 2)安装在水冷 抽头电感(3. 1)上。
5.根据权利要求4所述的高压IGCT过电流电子保护模块，其特征在于，所述的光驱 动模块(4)的信号输入端通过光纤与过电流逻辑检测电路(2. 2)及高频过电压检测电路 (3. 2)的信号输出端连接，光驱动模块(4)的信号输出端通过光纤与外部IGCT器件连接。
6.根据权利要求1所述的高压IGCT过电流电子保护模块，其特征在于，所述电源模块 (5)的输入端用电缆与外部220V的工频交流电源连接，输出端+15V、0V与功率模块驱动电 路(1.6)的电源端联接，输出端+24V、0V、-24V用电缆与过电流检测模块(2)的电源端联接， 输出端+24V、0V用电缆与光驱动模块(4)及高频过电压检测电路(3. 2)的电源端联接。
7.一种用权利要求1所述高压IGCT过电流电子保护模块的短路电流保护方法，其特征 在于，它的步骤包括1)启动后，大功率开关管驱动电路(1.6)使大功率开关管(1. 2) 一直处于导通状态；2)当高频过电压采样模块(3)的水冷抽头电感(3.1)上出现高频过电压时，则高频过 电压检测电路(3. 2)对高频过电压进行采样并与高频过电压检测电路(3. 2)上设定的阀值 比较，超过阀值，则高频过电压检测电路(3. 2)信号输出端向光驱动模块(4)输出驱动指 令，光驱动模块(4)向外部IGCT器件输出全开通信号；同时，高频过电压检测电路(3. 2)向 外部断路器输出分断电信号；3)光驱动模块(4)向外部IGCT器件输出全开通信号后，流过高压大功率开关模块(1) 的电流引起大功率开关管驱动电路(1. 6)保护动作，关断大功率开关管(1. 2)，过电流逻辑 检测电路(2. 2)对流过电流霍尔传感器(2. 1)的电流进行采样，并与过电流逻辑检测电路 (2. 2)上设定的阀值比较，低于阀值，则过电流逻辑检测电路(2. 2)信号输出端向光驱动模 块(4)输出驱动指令，光驱动模块(4)向外部IGCT器件输出全关断信号。
全文摘要
本发明涉及一种高压IGCT过电流电子保护模块及短路电流保护方法，具体是一种保护电压源型中压大功率变频器中IGCT器件的电力电子模块。所述高压IGCT过电流电子保护模块，有一个固定支架，该固定支架上安装的电子元器件包括高压大功率开关模块、过电流检测模块、高频过电压采样模块、光驱动模块以及电源模块。所述高压IGCT过电流电子保护模块的短路电流保护方法步骤包括启动，启动后，大功率开关管、高频过电压采样模块、光驱动模块等依程序工作。本发明优点是保护范围广、响应速度快、分断可靠、体积小、重量轻、便于安装维护等。
文档编号H02H7/20GK101924353SQ20101027989
公开日2010年12月22日 申请日期2010年9月14日 优先权日2010年9月14日
发明者彭剑, 李国栋, 李瑞昌, 杨涛, 黄华 申请人:中国船舶重工集团公司第七一二研究所