一种防止可控整流器交流侧故障扩大的保护电路的制作方法

1.本发明涉及电力电子技术领域技术领域，具体涉及一种防止可控整流器交流侧故障扩大的保护电路。


背景技术：

2.大功率可控整流器在工矿企业、电力企业、轨道交通有着广泛的应用，而这些大功率电力整流器中使用了大量价格昂贵的大功率半导体器件晶闸管，这些器件作为可控整流器中关键器件器必须运行安全可靠，但大多数大功率整流器使用场合都会有超越正常工况的过载和电气冲击，很容易使晶闸管击穿损坏，一旦其中一只晶闸管击穿损坏、金属物件导致短路、器件表面导电粉尘和水拉电弧短路而不能及时隔离故障就会导致晶闸管相继击穿损坏，造成重大的设备损失和生产损失。为了保护这些关键设备常常在晶闸管回路串联大功率的快速熔断器来保护，既可防止过载导致晶闸管损坏又有能隔离故障回路，目前大功率整流器都是采样这样的解决方案。
3.大功率晶闸管支路串联快速熔断器来保护晶闸管和隔离故障固然有效，但也是一只无奈的选择，大容量的快速熔断器成本虽然比晶闸管来说有较大的成本优势，其价格还是占设备投资成本的可观部分；由于体积大导致结构复杂，占用空间大，装配及更换十分不便，并且快速熔断器是一次性使用，一旦产生熔断保护就需要更换，更换麻烦运行成本高且；另外快速熔断器自身就是一个电流导体，正常工况下也要产生一定的电能消耗并发热，给设备的运行环境带来不利因素，也不利于节能降耗。


技术实现要素：

4.1.所要解决的技术问题：
5.针对上述技术问题，本发明提供一种防止可控整流器交流侧故障扩大的保护电路，能够分别针对正常运行、整流器交流侧短路、直流侧短路三种情况下对整流器晶闸管脉冲控制信号进行封锁或保持处理，达到交流测短路故障时封锁晶闸管控制脉冲使其它晶闸管不能导通，短路故障电流在整流器侧无法续流而消除，既避免了晶闸管免受短路电流冲击击穿又消除了故障电流（避免了故障扩大），达到保护整流器的目的；同时采样电路也能输出一个整流器交流侧短路故障信息给系统主控板，主控接受的此信号后控制程序立即运行在整流器故障保护模式并由软件再次发出封脉信号和整流器交流侧故障信息，达到双重保护目的。为了区分在直流侧短路情况下可控整流器须运行在整流过载模式以分流逆变器中igbt续流二极管流过的短路电流以达到保护igbt的目的。
6.2.技术方案：
7.一种防止可控整流器交流侧故障扩大的保护电路，用于保护轨道交通的双向变流器；其特征在于：所述双向变流器中可控整流器是用于扩大直流输出能力而配置的，在整流模式下可控整流器与变流器并联输出给直流负载供电；双向变流器的主控系统通过控制可控整流器晶闸管的触发脉冲来协调可控整流器与变流器的输出。
8.本技术中，双向变流器是轨道交通中给电力机车提供驱动直流电源和把机车进站刹车过程中由机械能转换的电能回馈到交流供电电网系统中的大功率电力电子装置，其中可控整流器是为变流器扩大直流输出能力而配置的，在整流模式下可控整流器与变流器并联输出给直流负载供电；双向变流器的主控系统通过控制可控整流器晶闸管的触发脉冲来协调可控整流器与变流器两者输出。
9.保护电路包括三相电流互感器、三相桥式整流桥堆zlq、稳压管d1、隔离二极管d2、开关三极管t1、三极管t2；具体连接方式为：三相电流分别通过三只电流互感器连接至可控整流器的交流输入端，互感器输出端分别连接至三相桥式整流桥堆zlq的三个交流输入端；三相桥式整流桥堆zlq的输出端连接稳压管d1的负极；稳压管d1的正极串联电阻r6后连接至开关三极管t1的基极；开关三极管t1的集电极串联电阻r10后连接至三极管t2的基极；三极管t2的集电极串联电阻r9后连接至复位按钮；开关三极管t1的集电极串联电阻r7后也连接至复位按钮；开关三极管t1的集电极串联电阻r8后连接至隔离二极管d2的负极；隔离二极管d2的正极连接来自主控制系统发送的直流短路保护高电平；所述开关三极管t1的集电极的电压信号作为整流器交流侧短路信号传输至主控制系统；
10.其中电阻r8与隔离二极管d2之间的电压值作为晶闸管脉冲电路的封锁电平，主控制系统接收到整流器交流侧异常大电流信号后判断是否是直流侧短路决定是否发送封锁电平信号至可控整流器晶闸管触发脉冲电路。
11.其中电阻r8与隔离二极管d2之间的电压值作为晶闸管脉冲电路的封锁电平，主控制系统接收到封锁电平信号至可控整流器晶闸管触发脉冲电路。
12.进一步地，所述开关三极管t1的基极与三极管t2的发射极之间并联反馈电阻r11；三相电流互感器是输出端分别串联转换电阻r1、r2、r3后接地；所述三相桥式整流桥堆zlq的输出端并联电阻r4后连接至稳压管d1；稳压管d1的正极与三相桥式整流桥堆zlq的负输出端之间串联电阻r5。
13.3.有益效果：
14.采用本方案后，不仅在可控整流器中省取了价格昂贵的快速熔断器，可控整流器结构简化，体积缩小，也减少了可控整流器内部的发热量，减少了检修成本和工作量，更重要的是一旦在可控整流器交流侧短路故障出现，保护电路能及时检测出来并能有效封锁晶闸管触发脉冲信号，封锁电压uk只有0.2v左右（而非故障时刻正常运行时uk为21v左右），与此同时也能及时给主控发出交流侧短路故障信号；根据双向变流器辅助可控整流器所选的晶闸管i2t值和实际短路电流大小，实测发生短路故障开始到封锁电压uk有效时间不大于10ms,为晶闸管抗浪涌冲击时间二分之一不到，完全能起到保护晶闸管和消除短路电路的目的；在做直流侧短路试验时，封锁信号被主控发出直流侧短路保护高电平信号所取代，整流器仍能正常工作，实测数据整流器能分流80%以上的原来由变流器中igbt续流二极管承担的短路峰值电流，能有效保护igbt免受短路冲击电流损坏。
附图说明
15.图1为采用本发明的保护电路实现整流器故障短路保护原理图；
16.图2为采用本发明的保护电路实现双向变流器中直流侧短路的电流分配原理图。
具体实施方式
17.下面结合附图对本发明进行具体的说明。
18.如附图1所示，本方案提供了一种低成本交流侧电流采样信号和进行处理并发送至主控板，分别针对正常运行、整流器交流侧短路、直流侧短路三种情况下对整流器晶闸管脉冲控制信号进行封锁或保持处理，达到交流测短路故障时封锁晶闸管控制脉冲使其它晶闸管不能导通，短路故障电流在整流器侧无法续流而消除，既避免了晶闸管免受短路电流冲击击穿又消除了故障电流（避免了故障扩大），达到保护整流器的目的；同时采样电路也能输出一个整流器交流侧短路故障信息给系统主控板，主控接受的此信号后控制程序立即运行在整流器故障保护模式并由软件再次发出封脉信号和整流器交流侧故障信息，达到双重保护目的。为了区分在直流侧短路情况下可控整流器须运行在整流过载模式以分流逆变器中igbt续流二极管流过的短路电流以达到保护igbt的目的。
19.为了解决上述技术问题，本发明采取了以下措施。
20.一是在整流器三相交流输入侧增加采样电流互感器cta、ctb、ctc，电流互感器输出端跨接小阻值大功率的电阻，功率大于20w，在这些采样电阻上分别产生与电流波形成一致的电压波形，这与三相交流电流成正比的三相电压作为三相桥式整流桥堆zlq输入端电压，此采样整流桥堆zlq输出一个直流电压，在可控整流器正常运行情况下其采样整流桥堆直流输出比较小只有几伏，无法达到稳压管d1的稳定电压值uz处于截至状态，开关三极管t1维持关闭状态，三极管t2维持饱和导通状态，uk保持高电平状态，可控整流器脉冲能正常触发晶闸管kp1~kp6；一旦遇到可控整流器交流侧短路比如晶闸管损坏、金属物件导致短路、器件表面导电粉尘拉电弧短路等，会产生很大的短路电流。此短路电流远大于正常运行电流，这样在电流互感器的采样电阻上会产生较大的电压信号，并经zlq输出产生一个远大于正常情况下的直流电压，此电压足以超过d1的uz值，使t1饱和导通，使得t1输出uk接近0伏输出，此电平去控制可控整流器所有晶闸管的使能端，从而封锁晶闸管的触发脉冲信号，使所有晶闸管处于阻断状态，从而保护了晶闸管器件，于此同时由于三极管t1的饱和导通使得t2退出导通状态并转入截至状态，反馈电压uf变成高电平并通过r11反馈电阻使得三极管t1进一步维持饱和导通并一直保持此状态。只有在短路故障处理完后需要恢复可控整流器正常运行时通过复位按钮来消除封锁脉冲信号，三极管t1退出饱和导通到截至状态。
21.在轨道交通双向变流器项目上交流测故障保护并不影响到可控整流器在直流侧短路情况下来分流变流器中igbt续流二极管的短路电流。尽管直流侧短路会使可控整流器产生巨大的输出电流，它能使t1饱和导通，但当主控检测到是直流侧短路时会给此保护电路发送高电平信号，由于隔离二极管d2的作用使得封锁信号被钳制在高电平，从而使封锁信号无效，可控整流器可利用其自身的过载能力可短时间内分担大部分直流侧短路电流，一旦控制系统检测到直流侧短路时会很快使直流供电系统运行于短路故障处理模式，从而确保了直流供电设备的安全。
22.具体实施例：
23.在实际应用中，可控整流器的额定电压1500v,额定电流2000a；晶闸管kp1～kp6通常采用型号为kk28f45n,其通态不重复电流为45ka,i2t为10244；采样整流器选用管压降小的三相整流桥桥堆。
24.如附图1所示，本方案中在可控整流器交流输入回路上分别安装三只cta、ctb、ctc
电流互感器(2000/5),用于检测可控整流器的交流输入电流，三相电流互感器选用输出功率大于15瓦，转换电阻r1、r2、r3选用0.5ω/20w的电阻，r4、r5、r6选用1k/0.5w的电阻，r7选1k/1w,r9选4.7k/1w，r8、r10、r11选10k/0.5w,t1、t2选3dk系列三极晶体管，稳压管d1选6-8v稳压管隔离二极管d2选1n1007，vcc为24v。
25.1.正常整流模式下：三相交流输入电流小于1800a,三只电流互感器输出电流在0-4.5a，三相桥式整流桥堆zlq输出直流电压在4v左右，考虑桥堆内部管压降，稳压管d1中截止无电流通过，t1截至，t2饱和导通，t1集电极的电压uk大于20v，t2的集电极电压uf为0.2v左右。可控整流器的使能控制端高电平，触发脉冲能触发晶闸管，整流器正常输出。
26.2.当整流器交流侧发生故障短路：比如发生kp1～kp6中某只晶闸管击穿、金属件造成短路、器件表面积水或导电尘埃造成表面电弧短路时，交流电流互感中就会检测到发生的故障短路电流，使其产生远大于额定电流5a的输出电流,经电阻转换成电压使得三相整流桥堆zlq输出瞬间升高，输出的高电压大于d1的稳定电压uz而使d1导通，从而t1导通，t2截至输出端电压变高并通过反馈电阻r11向t1注入电流，从而使t1迅速饱和导通，此时uk为0.2v左右并通过r8去封锁kp1～kp6的触发脉冲信号，同时也给主控板发出封锁脉冲的低电平信号，主控程序立即进入交流侧故障短路处理模式，软件也发出封脉信号，形成双重保护，kp1～kp6随之关断，故障回路被阻断，故障电流也无法通过晶闸管而断流，从而有效保护了晶闸管和直流回路上的其它器件。在此期间，t1始终输出低电平，不管交流侧故障短路是否消失，只有当故障处理后按复位按钮才能使封锁信号解封，可控整流器才能重新运行。
[0027] 3. 直流侧短路情况：如附图2所示本方案的保护电路结合双向变流器直流侧短路保护进行说明，在双向变流器回路中变流器与可控整流器输出并联给直流侧负载供电，由于变流器有大功率igbt，尽管系统检测到直流侧短路故障会及时封锁变流器的igbt触发脉冲，但其内部的续流二极管会因直流侧短路直流电压远小于交流侧电压而处于整流模式，续流二极管流过很大的短路电流并过流击穿直接导致价格昂贵的igbt元件损坏，为此当发生直流侧短路时，可控整流器需要继续运行，充分利用晶闸管的过载能力（远大于igbt中续流二极管）来分担原由变流器中续流管流过的大部分短路电流，从而来保护igbt完好，所以要求保护电路中通过来自直流侧短路保护高电平信号通过d2把原本直流短路情况下可控整流器输出短路大电流可能导致的uk低电平信号（封锁可控整流器晶闸管脉冲）强制拉高到电平信号，从而保证了可控整流器工作在输出短路大电流状态，保护了igbt器件，避免了直流侧故障扩大到双向变流器中，起到很好的保护作用，d2隔离二极管的另一个作用是在非直流侧短路故障情况下把封锁信号uk与主控板进行隔离，确保保护电路在交流侧短路情况下正常封锁脉冲，保护可控整流器晶闸管和避免故障进一步扩大。
[0028]
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但它们并不是用来限定本发明的，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，自当可作各种变化或润饰，因此本发明的保护范围应当以本技术的权利要求保护范围所界定的为准。