专利名称：带短路保护的电力逆变系统主回路拓扑结构及其构建方法
技术领域：
本发明涉及一种带短路保护的电力逆变装置主回路拓扑结构及其构建方法，适用于电压等级为1kV至35kV的中、高压电力逆变装置，属高压电力设备技术领域。
背景技术：
国内目前常见的高电压电力变换装置，以电压型变频系统为主，元器件一般采用门极可关断器件如IGBT等，由于电力电子器件的耐压技术限制，逆变主回路一般采用多个功率器件串联或是利用低压电源的叠加原理形成所需的高压输出。例如中国专利公报公开的一种发明专利申请，其名称为“无电网污染高压大功率变频器”，专利申请号为97100477.3，其结构特点由多段移相主变压器、三相感应电机、IGBT交直交单元桥等构成，通过三、五、七、九级串联相接形式的IGBT单元桥形成高压输出A、B、C相。又如专利申请号为02114225.4的发明专利申请，其名称为“五电平高压变频器”，亦描述了采用单元串联的形式形成高压输出。目前的电位叠加原理的中高压变频器产品都采用这种接法。
在我国由于制造工艺水平的问题或是电网过电压水平较高，高压电机内部两相短路的情况时有发生。而高压变频器的主回路拓扑结构中的功率单元逆变元件一般采用IGBT，而由于IGBT元件受其反向安全工作区(FBSOA)的限制，在输出短路发生后，输出电流急剧上升，一方面该电流有可能超过IGBT逆变管的极限电流而导致永久性的损坏，另一方面该电流巨大的电流上升率(di/dt)将会在IGBT上产生过高的电压尖峰，导致IGBT逆变管过压损坏。为避免IGBT逆变管过压损坏，一种可行的办法是在功率单元电路直流母线设计时限制其电感Lm值在几百nH以下。然而母线电感具体的大小又是很难测定的，因此，现实中短路电流大小和过冲电压成为影响高压变频器产品可靠性的一个重要问题。
发明内容
本发明需要解决的技术问题，即本发明的目的，是为了提供一种带短路保护的电力逆变系统主回路拓扑结构及其构建方法。该拓扑结构可自动将输出两相短路电流限制在一定水平之下，从而保护主回路功率逆变管免受两相短路电流的损害，有效提高高压变频器产品的运行可靠性。
本发明的技术问题可以通过采取如下技术方案解决带短路保护的电力逆变系统主回路拓扑结构，其特点是在逆变系统各主回路的功率单元IGBT的输出端串联一个或多个电感，每相电感量按公式L＝K*Ue/I*T确定，公式中Ue为系统额定电压，I及T为相应IGBT允许导通电流与时间，L为串联在每相的电感的电感量总和，K为裕度系数，取值范围为0.5～1.5。
本发明的技术问题还可通过采取如下措施解决为减小电感的体积，所述磁芯可选用磁导率特性为高频磁导率高而低频磁导率低的材料；磁芯可以闭合式或是留有适量气隙式磁芯；或者采用导线穿过磁环的形式制作所需电感。
如前所述的带短路保护的电力逆变系统主回路拓扑结构的构建方法，其特点是1)改变现有高压逆变系统功率单元主回路通过IGBT输出端子直接串联的方式，在各功率单元IGBT的输出端串接带一定电感量的电感，其中，A相连接电感La1至Lam、B相连接电感Lb1至Lbm、C相连接电感Lc1至Lcm，m＝1～100；或者在A相、B相、C相中的任意两相接入电感L1至Lm后，剩余一相可以不接所述电感；2)所述电感的电感量可以相等，也可以不相等；每个电感还可以采用多个小电感串联组成，以适应于灵活安装；3)所述电感量值的选取兼顾短路保护和正常运行时电压降的大小，以保证该电感在工频时其阻抗电压很小，基本不影响输出电压的大小，而对于短路电流却有明显的抑制作用。
本发明的有益效果是1、本发明的特点是改变现有高压变频调速装置功率单元主回路通过IGBT输出端子直接串联的方式，在各功率单元IGBT的输出端串接带一定电感量的电感，通过采用本发明，在中、高压电力逆变装置输出发生相间短路时可有效保护装置不受相间短路电流的冲击而造成的损坏，装置运行的可靠性大大提高。
2、本发明是对原有主回路进行技术改进，通过选择适当电感量值的电感，可以兼顾短路保护和正常运行时电压降的大小，保证在工频时电感的阻抗压降很小，基本不影响输出电压的大小，而对于短路电流却有明显的抑制作用，即使逆变装置的输出端直接短路，在保护回路动作时，流经短路相的电流还在相应主回路IGBT器件的安全工作区允许的最大电流范围以内。
3、本发明结构简单、成本低廉，安装使用方便，短路保护效果好。广泛适用于各种高压逆变系统。
图1是本发明实施例1的结构示意图。
图2是本发明所用电感的一种结构示意图。
图3是本发明实施例2的结构示意图。
图4是本发明实施例3的结构示意图。
具体实施例方式
下述实施例中，假设主回路中所用开关器件的导通电流与时间关系曲线为1ms内允许通过电流为1000A，单元直流电压为1000V。
实施例1图1构成本发明的实施例1。从图1可知，在逆变系统各主回路的每个功率单元逆变模块(IGBT)1、2、…、m的输出端都串联一个电感，A相连接电感La1至Lam、B相连接电感Lb1至Lbm、C相连接电感Lc1至Lcm，m＝1～100。每相电感量按公式L＝K*Ue/I*T确定，公式中Ue为系统额定电压，I及T为相应IGBT允许导通电流与时间，L为串联在每相的电感的电感量总和。
图2给出了电感的两种不同的制作方法，图2a)表示利用多个磁环穿单芯电缆，图2b)为利用单个磁环将导线缠绕n匝可制成所需电感。
实施例2本实施例的特点将图1短路防护用电感设计成多个小电感，分布安装于各单元箱IGBT出线处，电感的安装位置可以在单元与单元连接的外部任何位置，或是直接安装于单元箱体内。根据公式L＝K*Ue/I*T，可取每相所需电感量L＝1mH，则每个电感量可取为La1＝La2＝...＝Lam＝Lb1＝Lb2＝...＝Lbm＝Lc1＝Lc2＝...＝Lcm＝(1/m)毫亨，若取m＝5，则每个小电感为0.2mH。
实施例3如图3所示，本实施例的特点是将短路防护用电感设计成集中电感形式，每相安装一个，安装位置可在各相某单元外部出线处或是安装于单元体内。各相中的电感安装位置可以不同，也可以相同。同实施例2所取电感量方法，每相总电感量为1mH，此时La＝Lb＝Lc＝1mH即可实施例4如图4所示，本实施例的特点是在实施例3的基础上将电感进一步简化成2个集中电感的形式，这时其中某相不需装配电感，此时电感的计算方法仍同于实施例2中所述，但是电感量的实际取值可按计算结果的2倍选取，即取La＝Lc＝2mH。
权利要求
1.带短路保护的电力逆变系统主回路拓扑结构，其特征是在逆变系统三相输出主回路中的至少两相中的功率单元IGBT的输出端串联一个或多个电感，每相电感量按公式L＝K*Ue/I*T确定，公式中Ue为系统额定电压，I及T为相应IGBT允许导通电流与时间，L为串联在每相的电感的电感量总和。
2.如权利要求1所述的带短路保护的电力逆变系统主回路拓扑结构，其特征是所述电感的磁芯可选用磁导率特性为高频磁导率高而低频磁导率低的材料；磁芯可以闭合式或是留有适量气隙式磁芯。
3.如权利要求1所述的带短路保护的电力逆变系统主回路拓扑结构，其特征是所述电感采用导线穿过磁环的形式制作而成，或采用常规的其余形式的电感。
4.如权利要求1所述的带短路保护的电力逆变系统主回路拓扑结构的构建方法，其特点是1)改变现有高压逆变系统率单元主回路通过IGBT输出端子直接串联的方式，在各功率单元IGBT的输出端串接带一定电感量的电感，其中，A相连接电感La1至Lam、B相连接电感Lb1至Lbm、C相连接电感Lc1至Lcm，m＝1～100；2)所述电感的电感量可以相等，也可以不相等；每个电感还可以采用多个小电感串联组成，以适应于灵活安装；3)所述电感量值的选取兼顾短路保护和正常运行时电压降的大小，以保证该电感在工频时其阻抗电压很小，基本不影响输出电压的大小，而对于短路电流却有明显的抑制作用。
5.如权利要求4所述的带短路保护的电力逆变系统主回路拓扑结构的构建方法，其特点是A相、B相、C相中的任意两相接入电感L1至Lm后，剩余一相可以不接所述电感。
全文摘要
本发明涉及一种带短路保护的电力逆变系统主回路拓扑结构，其特点是在逆变系统各主回路的功率单元IGBT的输出端串联一个或多个电感，每相电感量按公式L＝K*Ue/I*T确定，公式中Ue为系统额定电压，I及T为相应IGBT允许导通电流与时间，L为串联在每相的电感的电感量总和，K为裕度系数，取值范围为0.5～1.5。本发明的特点是改变现有高压变频调速装置功率单元主回路通过IGBT输出端子直接串联的方式，在各功率单元IGBT的输出端串接带一定电感量的电感，通过采用本发明，在中、高压电力逆变装置输出发生相间短路时可有效保护装置不受相间短路电流的冲击而造成的损坏，装置运行的可靠性大大提高。
文档编号H02H7/122GK1610232SQ20041005214
公开日2005年4月27日 申请日期2004年11月10日 优先权日2004年11月10日
发明者姜新宇, 王卫宏, 杨忠民 申请人:广州智光电力电子有限公司