专利名称：支持容错运行的矩阵式变换器故障保护方法及电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及矩阵式变换器的故障保护方法及电路，属于交流电能变换技术领域。
背景技术：
如图1所示，矩阵式变换器101是一种交流一交流的直接电能变换装置，由9个双向开关构成，没有中间大电容直流环节。9个双向开关以3×3的矩阵形式联接三相输入和三相输出，故取名矩阵式变换器。其中双向开关102由两个带快速恢复二极管的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)反串连组成，两个IGBT常用共射极联接，当然也可用共集电极联接。通过对矩阵式变换器中9个双向开关的通断控制，可以实现幅值和频率均可变的输出电压，从而驱动交流电机运行。矩阵式变换器的电源侧接有低通滤波器100，由电感Lf、电容Cf、电阻Rd组成，用于抑制矩阵式变换器输入电流中的开关毛刺，从而使电源免受高频谐波的干扰。由于矩阵式变换器的开关频率往往很高(往往大于15kHz)，故不大的电感、电容就可以起到很好的滤波效果。电阻Rd起谐振抑制作用。
矩阵式变换器的结构特点使它相比于常规的交-直-交型变换器，具有许多优势，如不需要中间大电容储能环节，结构紧凑，寿命周期和使用环境不受易老化电解电容的制约，且矩阵式变换器可实现能量双向流通，输入输出电流正弦，输入功率因数可调(包括单位功率因数)等功能，使得它非常适合应用于轮船、车辆、航空等对装置体积、重量要求较高的场合，温度、湿度较高等恶劣的工作环境，矿山作业车、起重机、电梯、离心机等需要连续电动又连续制动发电的场合，酒精厂、化工厂等需要制动但又无法安装制动电阻的场合，以及低谐波要求的应用场合等。矩阵式变换器正成为电能变换、电机变频驱动领域研究的热点之一。
然而矩阵式变换器的结构优势同时也给它带来了一个故障保护上的难点，即它没有自由续流回路，这使得它的过流、过压保护非常棘手，不能沿袭常规交-直-交型变换器中的做法，简单地通过断开所有矩阵式变换器的开关来排除故障。因为电机为感性负载，由于电感效应，电机电流的突然中断会引发强反电势，危及矩阵式变换器开关的安全。矩阵式变换器的保护问题曾一度阻滞着它的研究进程，直到1982年，美国西屋电气公司的Neft提出了二极管桥箝压电路(美国专利4,497,230)保护方式，矩阵式变换器的研究才得以继续深入。
矩阵式变换器采用二极管桥箝压电路保护方式的系统组成如图2所示。图中，二极管桥箝压电路103由两套6脉冲二极管三相桥组成，其中一套并联在矩阵式变换器的输入端，另一套并联在矩阵式变换器的输出端，它们的直流侧通过一个公共直流电容联接。与电容并联联接的电阻，用于给电容提供一个能量释放回路。此电阻不能太小，否则能量消耗将会太大，同时也将影响矩阵式变换器的供电质量。
二极管桥箝压电路的工作机理与常规交-直-交型变换器潜在的二极管续流回路相同，当矩阵式变换器的输入侧或输出侧电压超过箝压电路电容电压时，对应侧的二极管就会立即导通，将矩阵式变换器的端电压限制在箝压电路电容电压的水平。从而，当矩阵式变换器-电机系统出现过流时，可如同常规交-直-交型变换器那样，断开所有的变换器开关，而毋庸担心电感效应产生的强反电势。箝压电路电容将吸收电机绕组中储存的电磁能量。
二极管桥箝压电路保护方式的优点是简单、迅速、有效，至目前仍是文献中最常引用的一种保护方式。其缺点是它相当于在矩阵式变换器回路中添加了常规交-直-交型变换器潜在的二极管续流回路，虽然这里的电容容量要求远不如常规交-直-交型变换器直流侧电容的容量要求大，但它的容量应能足以全部吸收三相电机绕组中储存的能量，而保证升压不会超过矩阵式变换器开关的耐压水平。因此，当电机绕组储存的电磁能量上限较高时，箝压电路电容的容量要求也较大。大电容的引入不可避免地使矩阵式变换器超越常规交-直-交型变换器的优势大打折扣，从而丧失其部分竞争优势。此外，箝压电路电容需要一套预充电电路，否则当系统接入电网时，会出现2～3倍于电网电压的过电压，并伴随有很强的电流冲击，从而增大箝压电路二极管的耐流要求。随着矩阵式变换器应用容量要求的不断提高，二极管桥箝压电路保护方式的缺点越来越多地暴露出来。所以非常有必要研究更适合矩阵式变换器的保护方式。
此外，在某些应用场合，电机故障停机会造成严重事故或生命危险的场合，如电梯、起重机、航空航天、军事装备、矿井轧钢等，短时间的容错运行是非常必要的。目前很少有文献涉及矩阵式变换器驱动电机系统容错运行方式的研究。
发明内容
本发明针对矩阵式变换器常用的二极管桥箝压电路保护方式的不足之处，提出了一种支持容错运行的矩阵式变换器故障保护方法及电路。
本发明的关键技术在于当矩阵式变换器电机系统发生电机过载、某一矩阵式变换器开关断路、某一矩阵式变换器开关短路等故障时，通过控制矩阵式变换器主电路的开关，或辅助以结构重组技术，为电机提供一个可控的续流回路，使电机迅速释放能量安全停车，或根据情况进行容错运行。
本发明的技术方案如下本发明所述的支持容错运行的矩阵式变换器故障保护方法，在矩阵式变换器-电机系统中增加了三个分别联接电机的三相定子与输入滤波器电容中性点N的快速双向开关，具体控制步骤如下当发生故障时，封锁所述矩阵式变换器主电路故障相上所有的开关驱动，同时控制与该故障相联接的电机定子相上的快速双向开关导通，从而使该电机定子相通过快速双向开关联接在输入滤波器电容的中性点N；此时，对所述矩阵式变换器主电路非故障相上的开关的控制，若保持故障前的控制方式不变，则可使电机容错运行；若采用如下控制方式，则可使电机迅速释放能量停车根据电机电流方向和矩阵式变换器主电路输入电压所在扇区，控制矩阵式变换器主电路开关，为电机提供一个可控的续流回路，续流回路的选择原则是控制电流为正的电机定子相联接到具有负最大电压值的电源相；控制电流为负的电机定子相联接到具有正最大电压值的电源相；电机电流为零时，开关状态保持不变；其中，电流流向电机为正，流出电机为负；当电机转速下降到n≤ε时，封锁矩阵式变换器主电路所有开关的驱动脉冲，完成停车；其中n为电机转速，ε为一小正数，ε的值根据具体电机离线整定；若在电机转速下降到n≤ε之前，电机电流方向或矩阵式变换器三相输入电压所在扇区发生了变化，那么进行换流控制，电机续流回路仍按上述原则选择。
本发明还提供了一种上述方法的支持容错运行的矩阵式变换器故障保护电路，其特征在于，所述故障保护电路包括一端联接在电机A相定子绕组的出线端，另一端联接在输入滤波器电容的中性点N上的快速双向开关Sa；一端联接在电机B相定子绕组的出线端，另一端联接在输入滤波器电容的中性点N上的快速双向开关Sb；一端联接在电机C相定子绕组的出线端，另一端联接在输入滤波器电容的中性点N上的快速双向开关Sc；以△的形式并接在矩阵式变换器的三相输入端的三个压敏电阻，以△的形式并接在矩阵式变换器的三相输出端的三个压敏电阻；以及分别串联联接在矩阵式变换器主电路九个双向开关的电源进线端的九个快速熔断器。
本发明的优点是可有效地排除过电压或过电流故障，而不会减损矩阵式变换器超越常规交-直-交型变换器的优势，解决了传统矩阵式变换器二极管桥箝压电路保护方式的弊端。而且本发明提出的矩阵式变换器故障保护电路支持容错运行，故障隔离后，仍可使电机在接近于额定转速维持运转，而现已有的保护方法中没有可以做到这一点。
图1为现有的矩阵式变换器-电机系统的基本组成框图。
图2为现有的采用二极管桥箝压电路保护方式的矩阵式变换器-电机系统的组成框图。
图3为含有本发明所述故障保护电路的矩阵式变换器-电机系统的组成框图。
图4为矩阵式变换器输入电压扇区的分布图。
图5为可控续流回路控制程序的流程图。
图6为联接在电机C相定子上的矩阵式变换器主电路图(假设开关SCa-断路故障)。
图7为结构重组后，矩阵式变换器-电机系统的等效电气联接图。
图8为开关SCa-短路故障时，潜在的电源短路回路示意图。
具体实施例方式
下面结合附图和实例进一步说明本发明。
本发明提出了一种支持容错运行的矩阵式变换器故障保护电路，如图3所示，本发明在矩阵式变换器-电机系统的基本组成上，添加了如下硬件①3个快速双向开关Sa、Sb、Sc。快速双向开关Sa的一端联接在电机A相定子绕组的出线端，另一端联接在输入滤波器电容的中性点N上；快速双向开关Sb的一端联接在电机B相定子绕组的出线端，另一端联接在输入滤波器电容的中性点N上；快速双向开关Sc的一端联接在电机C相定子绕组的出线端，另一端联接在输入滤波器电容的中性点N上。快速双向开关可由快速双向可控硅实现，也可由2个快速可控硅或IGBT组合来实现。它们的用途是为故障相电机电流提供续流回路。
②6个压敏电阻Z1～Z6。压敏电阻Z1、Z2、Z3以△的形式并接在矩阵式变换器的三相输入端，用以抑制电源侧产生的过电压；压敏电阻Z4、Z5、Z6以△的形式并接在矩阵式变换器的三相输出端，用以抑制电机产生的过电压。压敏电阻Z1～Z6的选型应是反应时间小于1ns的快速器件。
③9个快速熔断器(简称快熔)F1～F9。它们分别串联联接在矩阵式变换器主电路9个双向开关的电源进线端。它们的作用是当矩阵式变换器的两个开关导致电源短路时，用以快速切除短路电流。快熔的选型应保证当电流大于短路电流阈值时，快熔的I2t小于矩阵式变换器主电路开关的I2t。
本发明通过实时监测三相电机电流、矩阵式变换器主电路18个IGBT的集电极电流和集射极间电压VCE，并结合18个IGBT的驱动信号，综合分析并判断故障类型及故障点，进行故障隔离，并根据情况采取合适的故障处理策略。下面以三种故障为例来说明本发明所述的支持容错运行的矩阵式变换器故障保护方法。
(1)电机过载保护当电机电流持续二个周波超过其额定电流的110％时，即认为发生了电机过载。当发生电机过载故障时，控制器立即控制矩阵式变换器主电路开关为电机提供可控的续流回路，使电机迅速释放能量停车。因为在选用矩阵式变换器主电路开关器件时一般都留有一定的裕量，电机过载电流一般仍在矩阵式变换器主电路开关的安全工作范围之内，矩阵式变换器主电路所有的开关都可以用来为电机提供可控的续流回路，续流回路的选择原则是控制电流为正的电机定子相联接到具有负最大电压值的电源相；控制电流为负的电机定子相联接到具有正最大电压值的电源相；电机电流为零时，开关状态保持不变。其中，电流流向电机为正，流出电机为负。
下面举例说明。假设电机过流时，电机三相电流的方向分别为ia＜0、ib＞0、ic＞0；矩阵式变换器输入电压处于I1扇区，如图4所示，此时a相电压ua为正的最大，b相电压ub为负的最大。为了使电机迅速释放能量停车，控制电机A相定子和电源a相联接、电机B定子相和电源b相联接、电机C相定子和电源b相联接。若在电机转速下降到n≤ε(n为电机转速，ε为一小正数，ε的值根据具体电机离线整定)之前，电源电压进入了I2扇区，此时a相电压ua为正的最大，c相电压uc为负的最大，那么进行换流控制，改变续流回路，将电机B相定子换流到电源c相上，电机C相定子换流到电源c相上，电机A相定子仍接在电源a相上保持不变。若在电机转速下降到n≤ε之前，电机电流方向发生了变化，则也要变更续流回路，续流回路的选择原则仍如上。当电机转速下降到n≤ε时，电机绕组中储存的能量释放完毕，此时断开所有的矩阵式变换器开关，完成停车，而不会出现任何过压现象。上述控制程序流程图如图5所示。在实验过程中，可明显观察到电机转速迅速降低，比直接断电停车方式迅速得多。
表1概括了矩阵式变换器输入电压在不同扇区和电机电流在不同方向时应选择的续流回路情况。由表1可知，续流回路的选择需要两种因变量，一种是矩阵式变换器输入电压所在扇区，另一种是电机电流的方向。而原有矩阵式变换器-电机系统控制器已设有三相输入电压的检测和三相电机电流的方向检测，所以可直接使用这些变量信息。
表1续流回路的选择
在电机过载情况下，立即控制矩阵式变换器主电路开关为电机提供可控的续流回路，使电机迅速释放能量停车，续流回路完全由矩阵式变换器主电路开关实现，若控制得好，不会启用压敏电阻、快熔和快速双向开关。而且，这种释放能量停车方式也完全可用于矩阵式变换器-电机系统的正常停机，优势是一方面停车速度较直接断电方式迅速，另一方面可将电机绕组储存的电磁能量回馈给电网。
(2)矩阵式变换器主电路某一开关断路故障时的保护及容错运行若开关驱动信号为有效、开关电流远小于电机电流，且开关集射极间电压VCE大大超过正常导通电压，则认为发生了开关断路故障。当检测到某一开关断路故障时，控制器立即控制与该故障开关有联接的电机定子相上的快速双向开关导通，同时封锁矩阵式变换器主电路故障开关所在相上的所有开关的驱动脉冲。而通过对矩阵式变换器主电路非故障相上的开关进行控制，可实现使电机迅速释放能量停车或进行容错运行。
下面举例说明。如图6所示，假设开关SCa-发生了断路故障，那么当电机C相电流需要换流到SCa-支路时，将会出现C相电流的突然断路，由于电感效应，电机电流的突然断开必然会在定子端产生强反电势。一旦硬件监测电路检测到开关断路故障，立即控制联接在C相上的快速双向开关Sc导通，同时封锁C相上所有矩阵式变换器主电路开关的驱动信号。电机C相通过Sc联接到输入滤波器电容器的中性点N，C相电流得到续流。结构重组后系统的等效联接如图7所示。
而对矩阵式变换器主电路非故障相上的开关的控制方式，若保持不变，即保持故障前的控制方式不变，仍做相位互差120°的正弦控制，则可使电机维持在额定转速附近进行容错运行；若对矩阵式变换器主电路非故障电机相上的开关采用上述选择续流回路的原则进行控制，即控制电流为正的电机定子相联接到具有负最大电压值的电源相，控制电流为负的电机定子相联接到具有正最大电压值的电源相，电机电流为零时，开关状态保持不变，则可使电机迅速释放能量，电机电流迅速降到接近于0，电机电磁转矩迅速下降为0，电机转速也迅速下降。当电机转速下降到n≤ε时，电机能量释放完毕，此时断开所有矩阵式变换器开关，以及快速双向开关Sc，实现停车，不会出现任何危险性的强反电势。
采用上述方法后，输入滤波器电容中性点电压VN将偏离零点电位，而随着电机机端电压的变化而变化，变化范围与电源电压在一个数量级上，这说明快速双向开关Sa、Sb、Sc的耐压要求与矩阵式变换器主电路开关在同一水平。滤波器电容中性点电压的漂移对矩阵式变换器输入电压的影响并不大，因此对矩阵式变换器-电机系统控制的影响也不大。滤波器电容参数会影响输入滤波器中性线电流iN的大小，电容越大，矩阵式变换器输入电压受到的影响越小，滤波器中性线电流iN越大。但总的来说，iN与电机电流在一个数量级上，这说明快速双向开关Sa、Sb、Sc的耐流要求也与矩阵式变换器主电路开关在同一水平。因此，快速双向开关Sa、Sb、Sc可采用与矩阵式变换器主电路相同的双向开关。由于快速双向开关Sa、Sb、Sc不需要工作在开关状态，对开关的速度要求不高，因此快速双向开关也可采用快速双向可控硅或由2个快速可控硅组合来实现。
故障监测、控制快速双向开关Si导通(其中i＝a或b或c)，及矩阵式变换器主电路相应开关驱动信号的封锁全部由硬件电路实现，整个过程的控制延时仅为模拟电路信号传输延时和快速双向开关的开通延时，一般仅为零点几个微秒。在此过程中，矩阵式变换器主电路IGBT的缓冲电路可以对因电感效应引发的过电压有很好的抑制作用，在严重的情况下，并接在矩阵式变换器输出侧的压敏电阻Z4～Z6将会发挥作用。
(3)矩阵式变换器主电路某一开关短路故障保护及容错运行如果矩阵式变换器开关间的换流控制得好，开关的短路故障一般不会发生。但电力电子设备的安全必须考虑开关的短路故障情况。若开关电流大大超过电机电流，且开关集射极间电压超过正常导通电压，则认为发生了开关短路故障。
下面举例说明。如图8所示，假设开关SCa-发生短路，那么SCb+-D4-SCa--D1将造成b-a两相的短路，SCc+-D6-SCa--D1将造成c-a两相的短路。由于短路阻抗非常小，即使很小的电压，也将出现非常大的短路电流。硬件监测电路一旦检测到大电流，将立即对故障相上所有的矩阵式变换器主电路IGBT进行可控关断，如若电流继续增大超过IGBT的短路电流门槛，硬件电路将立即封锁矩阵式变换器主电路故障相(例中为C相)上的所有开关驱动脉冲。如若短路故障开关支路上的快熔(例中为F9)被烧断，那么电机C相将与电源隔离，电机C相断路，出现如同开关断路故障的情况。模拟电路检测到断路故障后，故障处理情况与矩阵式变换器主电路某一开关断路故障情况类似，可参照上述“矩阵式变换器主电路某一开关断路故障保护及容错运行”中的相关内容。
但也可能出现这样两种情况①在快熔F9烧断之前，故障相上主电路开关驱动信号已被封锁；②快熔F7或F8先于F9烧熔。这两种情况都将切除短路故障，短路电流消失，但短路故障并没有从系统中排除。那么，电机C相将固定连接在电源a相上，若此时电机电流方向为负(从电机流向电源)，电流通过短路的开关SCa-续流，不会出现电流中断，硬件电路检测不到断路故障，Sc也不会导通；若此时电机电流方向为正，电流将会中断，监测电路一检测到断路故障，就立即控制Sc导通。那么将会出现电机C相一方面通过Sc连接在输入滤波器的中性点，一方面通过短路的开关SCa-连接在电源a相上，即a相电源短接在输入滤波器电容的中性点N上。在仿真中发现，这两种情况都不会出现严重的过电流和过电压现象。
权利要求
1.支持容错运行的矩阵式变换器故障保护方法，其特征在于，所述方法在矩阵式变换器-电机系统中增加了三个分别联接电机的三相定子与输入滤波器电容中性点N的快速双向开关，具体控制步骤如下当发生故障时，封锁所述矩阵式变换器主电路故障相上所有的开关驱动，同时控制与该故障相联接的电机定子相上的快速双向开关导通，从而使该电机定子相通过快速双向开关联接在输入滤波器电容的中性点N；此时，对所述矩阵式变换器主电路非故障相上的开关的控制，若保持故障前的控制方式不变，则可使电机容错运行；若采用如下控制方式，则可使电机迅速释放能量停车根据电机电流方向和矩阵式变换器主电路输入电压所在扇区，控制矩阵式变换器主电路开关，为电机提供一个可控的续流回路，续流回路的选择原则是控制电流为正的电机定子相联接到具有负最大电压值的电源相；控制电流为负的电机定子相联接到具有正最大电压值的电源相；电机电流为零时，开关状态保持不变；其中，电流流向电机为正，流出电机为负；当电机转速下降到n ≤ε时，封锁矩阵式变换器主电路所有开关的驱动脉冲，完成停车；其中n为电机转速，ε为一小正数，ε的值根据具体电机离线整定；若在电机转速下降到n≤ε之前，电机电流方向或矩阵式变换器三相输入电压所在扇区发生了变化，那么进行换流控制，电机续流回路仍按上述原则选择。
2.一种实现权利要求1所述方法的支持容错运行的矩阵式变换器故障保护电路，其特征在于，所述故障保护电路包括一端联接在电机A相定子绕组的出线端，另一端联接在输入滤波器电容的中性点N上的快速双向开关Sa；一端联接在电机B相定子绕组的出线端，另一端联接在输入滤波器电容的中性点N上的快速双向开关Sb；一端联接在电机C相定子绕组的出线端，另一端联接在输入滤波器电容的中性点N上的快速双向开关Sc；以△的形式并接在矩阵式变换器的三相输入端的三个压敏电阻，以△的形式并接在矩阵式变换器的三相输出端的三个压敏电阻；以及分别串联联接在矩阵式变换器主电路九个双向开关的电源进线端的九个快速熔断器。
全文摘要
支持容错运行的矩阵式变换器故障保护方法及电路，属于交流电能变换技术领域。本发明针对矩阵式变换器常用的二极管桥箝压电路保护方式的不足之处，提出一种支持容错运行的矩阵式变换器故障保护方法及电路。当发生故障时，通过控制矩阵式变换器主电路开关或进行系统结构重组为电机提供一个可控的续流回路，使电机迅速释放能量停车或按情况进行容错运行。采用本发明可有效排除电机过载、矩阵式变换器主电路某一开关断路、矩阵式变换器主电路某一开关短路等故障情况，并解决了传统二极管箝压保护电路的弊端。采用本发明提出的容错运行控制，仍可使电机在接近于额定转速维持运转，虽不能持久运行，但不失为一种经济有效的救急方式。
文档编号H02H7/12GK1773802SQ200510086750
公开日2006年5月17日 申请日期2005年11月1日 优先权日2005年11月1日
发明者王莉娜, 黄立培 申请人:清华大学