一种变流器及其安全保护方法和硬撬棒电路与流程

1.本技术涉及电力传动技术领域，特别涉及一种变流器及其安全保护方法和硬撬棒电路。


背景技术：

2.现代轨道机车车辆的牵引变流器一般基于igbt功率集成模块作为其实现电能变换的核心部件，包括整流器和逆变器中的核心部件。
3.就应用情况来看，igbt功率集成模块在带来简统化、集成化等方面便利的同时，也暴露出一些问题，如，igbt在使用过程中常会出现单管失效短路，引起igbt桥臂贯通，进而导致igbt元件炸裂，爆炸释放的冲击能量严重时会造成变流器柜门变形，造成较大的经济损失和比较恶劣的影响，影响车辆的正常运行。
4.对此，现有技术中仅大多利用安全防爆装置为模块爆炸后的气流提供排泄路径，属于故障后采取的应对措施，并不能提升模块本身的安全性能，也不能降低模块的爆炸率，降低不了模块爆炸造成的器件损失；且模块爆炸的位置不固定，因而导致安全防爆装置不能精确的定位，影响实际的使用效果。本发明通过撬棒模块直接对功率模块故障时刻的处理，来降低故障时的危害。
5.鉴于此，提供一种解决上述技术问题的方案，已经是本领域技术人员所亟需关注的。


技术实现要素：

6.本技术的目的在于提供一种变流器及其安全保护方法和硬撬棒电路，以便及时在变流器的功率模块初始发生故障时进行安全保护，避免故障的进一步恶化，防止波及其他元器件和爆炸发生，有效降低故障时的危害。
7.为解决上述技术问题，第一方面，本技术公开了一种变流器的安全保护方法，应用于变流器的控制单元；所述变流器的正直流母线与负直流母线之间连接有硬撬棒电路；所述硬撬棒电路包括串联的扼流线圈和n个撬棒单元，并与所述变流器中的中间回流支撑电容构成能量吸收回路；各所述撬棒单元均包括控制端与所述控制单元连接的可控开关器件；所述安全保护方法包括：
8.接收针对于所述变流器的状态检测信号；
9.根据所述状态检测信号判断所述变流器是否发生igbt单管失效故障或者桥臂贯通故障；
10.若是，则向所述硬撬棒电路中各所述可控开关器件发送启动信号，以便基于所述能量吸收回路对所述变流器进行安全保护；
11.若否，则维持各所述可控开关器件的关断状态。
12.可选地，所述接收针对于所述变流器的状态检测信号，包括：
13.接收针对于所述变流器中整流器和逆变器和辅助逆变器的igbt状态检测信号和
电流检测信号和电压检测信号。
14.可选地，根据所述状态检测信号判断所述变流器是否发生igbt单管失效故障，包括：
15.若同时接收到反映igbt故障的igbt状态检测信号和反映整流器输入过流的电流检测信号，
16.或者，若同时接收到反映igbt故障的igbt状态检测信号和反映逆变器输出过流的电流检测信号，
17.或者，若同时接收到反映igbt故障的igbt状态检测信号和反映辅助逆变器输出过流的电流检测信号，
18.则判定所述变流器发生igbt单管失效故障。
19.可选地，根据所述状态检测信号判断所述变流器是否发生桥臂贯通故障，包括：
20.若同时接收到反映igbt故障的igbt状态检测信号和反映直流母线电压变化率高出预设安全阈值的电压检测信号，
21.或者，若同时接收到反映整流器输入过流的电流检测信号和反映逆变器输出过流的电流检测信号，
22.或者，若同时接收到反映多个并联了直流母线的所述变流器中均整流器输入过流的电流检测信号；
23.或者，若同时接收到反映多个并联了直流母线的所述变流器中均逆变器输出过流的电流检测信号；
24.则判定所述变流器发生桥臂贯通故障。
25.可选地，在所述向所述硬撬棒电路中各所述可控开关器件发送启动信号之后，还包括：
26.生成变流器故障告警信号。
27.第二方面，本技术还公开了一种硬撬棒电路，用于对变流器进行安全保护，包括：扼流线圈和n个串联的撬棒单元；
28.所述扼流线圈与n个所述撬棒单元串联在所述变流器的正直流母线与负直流母线之间，并与所述变流器中的中间回流支撑电容构成能量吸收回路；
29.各所述撬棒单元均包括可控开关器件；各所述可控开关器件的控制端均与所述变流器的控制单元连接，用于接收所述控制单元在判定所述变流器发生igbt单管失效故障或者桥臂贯通故障后所发送的启动信号，以便基于所述能量吸收回路对所述变流器进行安全保护。
30.可选地，各所述撬棒单元还包括与所述可控开关器件并联的均压电阻；n个所述撬棒单元中的所述均压电阻的阻值相等。
31.可选地，所述可控开关器件包括晶闸管或者igbt。
32.可选地，n的取值为2。
33.第三方面，本技术还公开了一种变流器，包括整流器、中间稳压模块、逆变器、状态检测模块、控制单元以及如上所述的任一种硬撬棒电路；
34.所述整流器的直流输出端作为所述变流器的正直流母线和负直流母线，并与所述逆变器的直流输入端连接；所述硬撬棒电路和所述中间稳压模块均连接在所述正直流母线
和所述负直流母线之间，所述硬撬棒电路与所述中间稳压模块中的中间回流支撑电容构成能量吸收回路；
35.所述控制单元与所述状态检测模块连接，用于在根据接收到的状态检测信号判定所述变流器发生igbt单管失效故障或者桥臂贯通故障之后，向所述硬撬棒电路中各可控开关器件的控制端发送启动信号，以便基于所述能量吸收回路对所述变流器进行安全保护
36.本技术所提供的变流器的安全保护方法应用于变流器的控制单元；所述变流器的正直流母线与负直流母线之间连接有硬撬棒电路；所述硬撬棒电路包括串联的扼流线圈和n个撬棒单元，并与所述变流器中的中间回流支撑电容构成能量吸收回路；各所述撬棒单元均包括控制端与所述控制单元连接的可控开关器件；所述安全保护方法包括：接收针对于所述变流器的状态检测信号；根据所述状态检测信号判断所述变流器是否发生igbt单管失效故障或者桥臂贯通故障；若是，则向所述硬撬棒电路中各所述可控开关器件发送启动信号，以便基于所述能量吸收回路对所述变流器进行安全保护；若否，则维持各所述可控开关器件的关断状态。
37.可见，本技术利用扼流圈与可控开关器件串联成的硬撬棒电路，与变流器的中间回流支撑电容构成了能量吸收回路，可在变流器的功率模块发生igbt单管失效或者桥臂贯通等初始故障时便及时进行安全保护，及时将电路中的多余能量进行泄放，避免故障的进一步恶化，防止波及其他元器件和爆炸发生，有效降低电路故障时的破坏性和冲击性。本技术所提供的变流器及其硬撬棒电路同样具有上述有益效果。
附图说明
38.为了更清楚地说明现有技术和本技术实施例中的技术方案，下面将对现有技术和本技术实施例描述中需要使用的附图作简要的介绍。当然，下面有关本技术实施例的附图描述的仅仅是本技术中的一部分实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图，所获得的其他附图也属于本技术的保护范围。
39.图1为本技术实施例公开的一种硬撬棒电路的结构图；
40.图2为本技术实施例公开的一种具体的硬撬棒电路的电路结构图；
41.图3为本技术实施例公开的一种变流器的电路结构图；
42.图4为本技术实施例公开的一种变流器的安全保护方法的流程图。
具体实施方式
43.本技术的核心在于提供一种变流器及其安全保护方法和硬撬棒电路，以便及时在变流器的功率模块初始发生故障时进行安全保护，避免故障的进一步恶化，防止波及其他元器件和爆炸发生，有效降低故障时的危害。
44.为了对本技术实施例中的技术方案进行更加清楚、完整地描述，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行介绍。显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
45.当前，现代轨道机车车辆的牵引变流器一般基于igbt功率集成模块作为其实现电
能变换的核心部件，包括整流器和逆变器中的核心部件。
46.就应用情况来看，igbt功率集成模块在带来简统化、集成化等方面便利的同时，也暴露出一些问题，如，igbt在使用过程中常会出现单管失效短路，引起igbt桥臂贯通，进而导致igbt元件炸裂，爆炸释放的冲击能量严重时会造成变流器柜门变形，造成较大的经济损失和比较恶劣的影响，影响车辆的正常运行。
47.对此，现有技术中仅大多利用安全防爆装置为模块爆炸后的气流提供排泄路径，属于故障后采取的应对措施，并不能提升模块本身的安全性能，也不能降低模块的爆炸率，降低不了模块爆炸造成的器件损失；且模块爆炸的位置不固定，因而导致安全防爆装置不能精确的定位，影响实际的使用效果。本发明通过撬棒模块直接对功率模块故障时刻的处理，来降低故障时的危害。鉴于此，本技术提供了一种变流器的安全保护方案，可有效解决上述问题。
48.参见图1所示，本技术实施例公开了一种硬撬棒电路，用于对变流器进行安全保护，具体包括扼流线圈和n个串联的撬棒单元；
49.其中，扼流线圈与n个撬棒单元串联在变流器的正直流母线与负直流母线之间，并与变流器中的中间回流支撑电容cd构成能量吸收回路；
50.各撬棒单元均包括可控开关器件；各可控开关器件的控制端均与变流器的控制单元连接，用于接收控制单元在判定变流器发生igbt单管失效故障或者桥臂贯通故障后所发送的启动信号，以便基于能量吸收回路对变流器进行安全保护。
51.具体地，硬撬棒电路与变流器的中间回流支撑电容cd一样，连接在正直流母线与负直流母线之间，从而与中间回流支撑电容cd形成了能量吸收回路。利用该能量吸收回路，中间回流支撑电容cd可通过放电来释放电路中的多余能量，从而为变流器提供安全保护。
52.需要指出的是，本技术实施例所提供的硬撬棒电路主要基于扼流圈l和可控开关器件实现，结构简单且效果明显。其中，扼流圈l又可称为扼流电抗器，可有效限制硬撬棒电路导通时的di/dt，避免电流变化率过大而损坏电路元器件。
53.硬撬棒电路启动与否取决于可控开关器件的通断状态。由于扼流圈l与可控开关器件的串联关系，因此，当可控开关器件导通时，硬撬棒电路将启动而发挥电流泄放的保护作用。
54.容易理解的是，本技术实施例所提供的硬撬棒电路中具体是n个硬撬棒单元串联，每个硬撬棒单元中均包括一个可控开关器件，因此，具体是当n个硬撬棒单元中的可控开关器件均导通时，硬撬棒电路才启动。
55.对于n的取值，本领域技术人员可根据实际情况而选取合适取值，本技术对此并不做进一步限定。其中，作为一个具体实施例，考虑到尽量降低产品成本，而另一方面，2个串联的可控开关器件足以获取较好的dv/dt耐受性，因此，n可具体取值为2。
56.作为一种具体实施例，可控开关器件可具体为晶闸管或者igbt。当然，本领域技术人员还可以根据实际情况而选择其他半控型器件或者全控型器件，本技术对此并不做进一步限定。
57.各个硬撬棒单元中可控开关器件的控制端，均与变流器的控制单元连接，以便由控制单元控制各个可控开关器件的通断。其中，在轨道交通领域，变流器的控制单元可具体为机车的牵引控制单元(traction control unit)，即tcu。作为机车的控制中心，tcu可监
测各部分电路的运行状态，并实时控制机车的牵引输出和制动输出。
58.一般地，变流器中的整流器、逆变器均基于igbt功率集成模块实现，当控制单元检测到电路初始发生轻微故障(如igbt单管失效或者桥臂贯通)后，便可立即向硬撬棒电路中的各个可控开关器件发送启动信号，令硬撬棒电路导通启动进行能量泄放，以防止进一步引发其他更为严重(如元器件爆炸)的故障。
59.具体地，在发生igbt单管失效时，硬撬棒电路的能量泄放可有效防止对其他未失效元件的波及，防止失效进一步扩散到其他元件或者进一步演变成igbt桥臂贯通引发元件爆炸，并能有效降低igbt器件出现内部短路或者击穿引发爆炸时所造成的能量冲击，降低igbt元件爆炸的影响，减少因igbt元件爆炸所造成的关联故障，如柜门变形、电容鼓包、碎屑溅射损伤周边部件等，同时也能降低维修工作量，提升检修作业能力。
60.可见，本技术利用扼流圈与可控开关器件串联成的硬撬棒电路，与变流器的中间回流支撑电容构成了能量吸收回路，可在变流器的功率模块发生igbt单管失效或者桥臂贯通等初始故障时便及时进行安全保护，及时将电路中的多余能量进行泄放，避免故障的进一步恶化，防止波及其他元器件和爆炸发生，有效降低电路故障时的破坏性和冲击性。
61.参见图2，图2为本技术实施例公开的一种具体的硬撬棒电路的电路结构图。
62.作为一种具体实施例，在图1的基础上，图2所示的硬撬棒电路中n的取值具体为2。此外，优选地，本实施例中，各撬棒单元还包括与可控开关器件并联的均压电阻；并且各个撬棒单元中的均压电阻的阻值相等。
63.具体地，本实施例中，第一撬棒单元包括并联的可控开关器件q1与均压电阻r1.1；第二撬棒单元包括并联的可控开关器件q2与均压电阻r1.2。利用均压电阻间的分压作用，可有效保障各个可控开关器件的两端电压相等。
64.图2中，可控开关器件q1与q2具体为晶闸管，硬撬棒电路的p端用于与变流器的正直流母线连接，硬撬棒电路的n端用于与变流器的负直流母线连接。
65.参见图3，图3为一种包括有图2所示硬撬棒电路的变流器的电路结构图。
66.其中，图3具体出了三个变流器的电路，每个变流器均包括整流器100、硬撬棒电路200、中间稳压模块300、逆变器400、状态检测模块、以及(图3中未示出的)控制单元。
67.以用于驱动第一电机m1的第一个变流器为例，整流器100的直流输出端作为变流器的正直流母线和负直流母线，并与逆变器400的直流输入端连接；硬撬棒电路200和中间稳压模块300均连接在正直流母线和负直流母线之间，硬撬棒电路200与中间稳压模块300中的中间回流支撑电容cd构成能量吸收回路。
68.控制单元与状态检测模块连接，用于在根据接收到的状态检测信号判定变流器发生igbt单管失效故障或者桥臂贯通故障之后，向硬撬棒电路200中各可控开关器件的控制端发送启动信号，以便基于能量吸收回路对变流器进行安全保护。
69.状态检测模块主要包括设置于变流器各电路结构中的电流表、电压表等，具体包括图3中示出的电流表lh1、lh4、lh5，以及电压表vh1、vh2、vh3。其中，电压表vh1具体电阻r8和r9检测直流母线的半电压。状态检测模块的各输出端可与变流器的控制单元连接，以便控制单元实时获取各部分电路结构的实际运行状态，进而控制变流器的功率输出。
70.此外，图3所示的三个变流器的直流母线均相互并接。并且图3中所示的变流器电路还设置了二次谐振回路：电容c3、c4、c5、c6、c7、c8相互并联后，与电感l1串联，构成二次
谐振回路，用于吸收直流母线中的二次谐波。
71.参见图4所示，本技术实施例还提供了一种变流器的安全保护方法，应用于变流器的控制单元；其中，该变流器的正直流母线与负直流母线之间连接有如上的任一种硬撬棒电路。
72.该变流器的安全保护方法主要包括：
73.s101：接收针对于变流器的状态检测信号。
74.s102：根据状态检测信号判断变流器是否发生igbt单管失效故障或者桥臂贯通故障；若是，则进入s103；若否，则进入s104。
75.具体地，变流器的控制单元在接收到变流器的各个状态检测信号之后，便可对变流器的实际工作状态进行判断，识别变流器所发生的故障问题。
76.其中，igbt单管失效或者桥臂贯通故障尚属于初级故障阶段，尚未引发更为严重的后果，由此，在检测到这些初级故障发生时，控制单元便可立即控制硬撬棒电路导通，以便及时进行能量泄放，防止故障进一步恶化。
77.s103：向硬撬棒电路中各可控开关器件发送启动信号，以便基于能量吸收回路对变流器进行安全保护。
78.s104：维持各可控开关器件的关断状态。
79.容易理解的是，在电路正常无故障发生时，可具体令硬撬棒电路处于关断状态，即保持各个可控开关器件的关断状态。
80.可见，本技术利用扼流圈与可控开关器件串联成的硬撬棒电路，与变流器的中间回流支撑电容构成了能量吸收回路，可在变流器的功率模块发生igbt单管失效或者桥臂贯通等初始故障时便及时进行安全保护，及时将电路中的多余能量进行泄放，避免故障的进一步恶化，防止波及其他元器件和爆炸发生，有效降低电路故障时的破坏性和冲击性。
81.作为一种具体实施例，本技术实施例所提供的变流器的安全保护方法在上述内容的基础上，控制单元所接收到的针对于变流器的状态检测信号，可具体包括变流器中整流器和逆变器和辅助逆变器的igbt状态检测信号和电流检测信号和电压检测信号。
82.具体地，igbt功率集成模块中集成有igbt状态的反馈检测单元，并可将igbt状态检测信号发送至变流器的控制单元。此外，对于某些变流器而言，其功率变换模块除了图3示出的整流器、逆变器以外，还可能包括有辅助逆变器，此时，辅助逆变器的igbt状态检测信号、电流检测信号、电压检测信号也可同样发送至变流器的控制单元。
83.作为一种具体实施例，本技术实施例所提供的变流器的安全保护方法在上述内容的基础上，在根据状态检测信号判断变流器是否发生igbt单管失效故障时，可具体包括：
84.若同时接收到反映igbt故障的igbt状态检测信号和反映整流器输入过流的电流检测信号，或者，若同时接收到反映igbt故障的igbt状态检测信号和反映逆变器输出过流的电流检测信号，或者，若同时接收到反映igbt故障的igbt状态检测信号和反映辅助逆变器输出过流的电流检测信号，则判定变流器发生igbt单管失效故障。
85.具体地，考虑到igbt功率集成模块的误报可能性，本技术实施例在判断是否发生igbt单管失效时，除了以igbt状态检测信号为依据以外，还进一步结合考虑了相关电流信号，以便提高故障检测的准确率。由于当igbt单管失效后很可能会引起电流增大，因此，若同时还检测到相应的过流现象，则可判定确实出现了igbt单管失效。
86.若同时接收到反映igbt故障的igbt状态检测信号和反映逆变器输出过流的电流检测信号，则可说明整流器中的某个igbt单管失效；类似地，若同时接收到反映igbt故障的igbt状态检测信号和反映逆变器输出过流的电流检测信号，则可说明逆变器中的某个igbt单管失效；若同时接收到反映igbt故障的igbt状态检测信号和反映辅助逆变器输出过流的电流检测信号，则可说明辅助逆变器中的某个igbt单管失效。
87.作为一种具体实施例，本技术实施例所提供的变流器的安全保护方法在上述内容的基础上，在根据状态检测信号判断变流器是否发生桥臂贯通故障时，可具体包括：
88.若同时接收到反映igbt故障的igbt状态检测信号和反映直流母线电压变化率高出预设安全阈值的电压检测信号，或者，若同时接收到反映整流器输入过流的电流检测信号和反映逆变器输出过流的电流检测信号，或者，若同时接收到反映多个并联了直流母线的变流器中均整流器输入过流的电流检测信号；或者，若同时接收到反映多个并联了直流母线的变流器中均逆变器输出过流的电流检测信号；则判定变流器发生桥臂贯通故障。
89.具体地，当igbt单管失效进一步导致桥臂贯通时，不仅会反映在igbt状态检测信号上，还会反映在电压检测信号或者电流检测信号上。为了提高故障检测的准确率，可进一步结合多个状态检测信号进行判断。具体地，当igbt状态信号显示igbt单管失效，且直流母线电压的变化率即dv/dt过高时，或者当同一变流器的整流器和逆变器同时过流时，或者并接直流母线的多个变流器中的整流器均过流，或者并接直流母线的多个变流器中的逆变器均过流时，可判定出现了桥臂贯通故障。
90.作为一种具体实施例，本技术实施例所提供的变流器的安全保护方法在上述内容的基础上，在向硬撬棒电路中各可控开关器件发送启动信号之后，变流器的控制单元还可以进一步生成变流器故障告警信号，以便及时提醒相应维护人员应急处理。
91.关于上述变流器的安全保护方法的具体内容，可结合参考前述关于变流器的硬撬棒电路的类似内容，这里就不再赘述。
92.本技术中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的设备而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
93.还需说明的是，在本技术文件中，诸如“第一”和“第二”之类的关系术语，仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或者操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或者操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。此外，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
94.以上对本技术所提供的技术方案进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本技术的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本技术的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术原理的前提下，还可以对本技术进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本技术的保护范围内。