CN102097963A - 三相全控整流装置及其整流限流方法 - Google Patents

三相全控整流装置及其整流限流方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种可防止在三相全控整流桥与交流母线合闸瞬间造成器件损坏的三相全控整流装置，并提供一种适于在三相全控型整流过程中，从不控整流解锁切换至可控整流阶段时，防止出现大幅度过流失控的整流限流方法。所述三相全控整流装置包括：三相全控整流桥、直流滤波电容、三相桥式逆变器和CPU单元；所述三相全控整流桥的交流输入端设有电流互感器，直流滤波电容的正、负极之间设有与所述CPU单元相连的电压传感器；其特征在于：在三相全控整流桥的任意两个交流输入端中的分别串接一软充电电路；该软充电电路包括：晶闸管、与该晶闸管并联的限流电阻。

Description

三相全控整流装置及其整流限流方法
技术领域
本发明涉及三相全控整流的技术领域，具体是一种三相全控整流装置及其整流限流方法。
背景技术
图1为背靠背三相桥式变流器，其主体部分由三相桥式整流器（即：三相全控整流桥A）、直流滤波电容C、三相桥式逆变器B组成，此外还包括熔断器F等辅助机构。三相桥式整流器由IGBT模块（T1～T6）构成。
如图2所示，在三相全控整流桥A与交流母线合闸瞬间，一方面，由于直流滤波电容C的电压不能突变，且初始电压为0，另一方面，由于直流滤波电容C两端的直流电压udc尚未建立，因此IGBT模块（T1～T6）不可控。基于上述原因，上电之初，交流电是通过所述IGBT模块（T1～T6）中的续流二极管进行不控整流，由于整个流通回路的阻抗较小，而压差很大，易形成较大的短路冲击电流，此时相当于将三相全控整流桥A短路。由于成本问题，不会按此瞬时冲击电流确定功率单元构成部件。但若不进行处理，又必然造成器件损坏。
此外，要使得三相全控整流桥A工作在可控整流阶段，所述直流电压udc仍然需要进行充电抬升，此时需要将IGBT模块进行解锁，以进行高功率因数整流，继续对直流滤波电容C进行充电和稳压。问题出现在解锁充电的瞬间，流经三相全控整流桥A的交流电流幅值陡增数十倍，且直流电压udc也出现过充和振荡稳定过程，如图4所示。此刻的交流电流对所述IGBT模块构成了严重威胁。因此，在三相全控型整流过程中，从不控整流解锁切换至可控整流阶段时，会出现大幅度过流失控的情况，对功率器件构成了严重威胁。原因分析：IGBT解锁软充电电路瞬间，软充电环节两个晶闸管Tr已导通，其影响可忽略。假设此时交流侧a相电压最高，uab、uac均大于0，如图5所示，由于同一桥臂的两个IGBT（T1和T2、T3和T4、T5和T6）导通和关断的逻辑互反（防止同一桥臂两个IGBT同时导通时造成的直流侧短路），故假设此时a相桥臂T2截止，则T1通过IGBT的续流二极管导通，如图5所示，若b相桥臂两管状态由T4导通切换至T3导通，则将出现交流侧通过T1和T3发生短路的现象；同理，c相桥臂T5导通时，T1和T5发生短路的现象，则电流ia将突增；若a相桥臂T2导通，当T4、T6由断切至通时，同样会出现电流ia大增现象，如图6所示。
如何解决上述技术问题，是本领域的技术难题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种可防止在三相全控整流桥与交流母线合闸瞬间造成器件损坏的三相全控整流装置，并提供一种适于在三相全控型整流过程中，从不控整流解锁切换至可控整流阶段时，防止出现大幅度过流失控的整流限流方法。
为解决在三相全控整流桥与交流母线合闸瞬间造成器件损坏的技术问题，本发明提供了一种三相全控整流装置，其包括：三相全控整流桥A、直流滤波电容C、三相桥式逆变器B和CPU单元；三相全控整流桥A的直流输出端与直流滤波电容C的两端及三相桥式逆变器B的直流电源输入端相连；CPU单元与三相全控整流桥A的整流控制端及三相桥式逆变器B的逆变控制端相连；所述三相全控整流桥A的交流输入端设有与所述CPU单元相连的电流互感器，直流滤波电容C的正、负极之间设有与所述CPU单元相连的电压传感器；其特征在于：在三相全控整流桥A的任意两个交流输入端中的分别串接一软充电电路D；该软充电电路D包括：晶闸管Tr、与该晶闸管Tr并联的限流电阻R。
进一步，所述三相全控整流桥A包括三组IGBT单元，各组IGBT单元包括：上、下IGBT模块，各IGBT模块包括：IGBT和续流二极管，该续流二极管的阳极接IGBT的发射极，二极管的阴极接IGBT的集电极，各IGBT的栅极即为所述三相全控整流桥A的整流控制端；上IGBT模块中的IGBT的发射极接下IGBT模块中的IGBT的集电极；各上IGBT模块中的IGBT的集电极接所述直流滤波电容C的正极，各下IGBT模块中的IGBT的发射极接所述直流滤波电容C的负极；各组IGBT单元中的上、下IGBT模块的接点分别与三相交流电源中的一相相连。
进一步，当CPU单元通过所述电流互感器测得三相全控整流桥A的交流输入端接通三相交流电源时，CPU单元控制各晶闸管Tr和各IGBT模块中的IGBT截止，三相全控整流桥A处于不控整流状态；交流电源经所述限流电阻R和三相全控整流桥A中的各IGBT模块的续流二极管对直流滤波电容C进行预充电；当CPU单元通过所述电压传感器测得直流滤波电容C两端的直流电压udc稳定后，CPU单元触发各晶闸管Tr导通，以旁路所述限流电阻R。
为解决在三相全控型整流过程中，从不控整流解锁切换至可控整流阶段时出现大幅度过流失控的技术问题，本发明提供了一种基于上述三相全控整流装置的整流限流方法，其特征在于: 当CPU单元开始控制三相全控整流桥A工作于可控整流状态时，CPU单元通过所述电流互感器检测三相全控整流桥A的交流输入端的三相交流瞬时电流ia、ib、ic。
当所述三相交流瞬时电流ia、ib、ic的绝对值中的最大值Imax > ILim，且该最大值对应的瞬时电流的方向是流入三相全控整流桥A，则CPU单元控制该最大值对应的瞬时电流Imax所在相上的所述下IGBT模块中的IGBT截止，同时控制该相上的所述上IGBT模块中的IGBT导通（但此时该相电流主要由该上IGBT模块中的续流二极管流过），并控制其余两相上的所述上IGBT模块中的IGBT截止，同时控制该其余两相上的所述下IGBT模块中的IGBT导通，但此时该两相电流主要由下IGBT模块中的续流二极管流过。
当所述三相交流瞬时电流ia、ib、ic的绝对值中的最大值Imax > ILim，且该最大值对应的瞬时电流的方向是流出三相全控整流桥A，则CPU单元控制该最大值对应的瞬时电流所在相上的所述上IGBT模块中的IGBT截止，同时控制该相上的所述下IGBT模块中的IGBT导通（但此时该相电流主要由下IGBT模块中的续流二极管流过），并控制其余两相上的所述下IGBT模块中的IGBT截止，同时控制该其余两相上的所述上IGBT模块中的IGBT导通（但此时该两相电流主要由上IGBT模块中的续流二极管流过）。
所述ILim为所述三相全控整流桥A中的IGBT模块的保护限值，该保护限值是IGBT模块的产品参数，可通过相应的检测或试验而得出。
本发明具有积极的效果：（1）本发明的三相全控整流装置及其整流限流方法工作时，当CPU单元通过所述电流互感器测得三相全控整流桥A的交流输入端接通三相交流电源时，CPU单元控制各晶闸管Tr和各IGBT模块中的IGTB截止，三相全控整流桥A处于不控整流状态；交流电源经所述限流电阻R和三相全控整流桥A中各IGBT模块中的续流二极管对直流滤波电容C进行预充电；由于电阻R的存在，限制了过冲电流；当CPU单元通过所述电压传感器测得直流滤波电容C两端的直流电压udc稳定后，CPU单元触发各晶闸管Tr导通，以旁路所述限流电阻R。此时由于所述直流电压udc存在一定的初始电压，三相全控整流桥A两侧的压差较小，从而使直流滤波电容C的充电电流相对较小，故而适于避免在三相全控整流桥与交流母线合闸瞬间造成器件损坏。（2）为解决在三相全控型整流过程中，从不控整流解锁切换至可控整流阶段时出现大幅度过流失控的技术问题，本发明采用了三相全控整流限流策略，该策略不仅可有效地限制三流三相充电电流，并且可对电容器进行平稳充电，防止其振荡过程。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1为实施例中的背靠背三相全控桥变流器拓扑结构示意图。
图2为所述三相全控整流桥装置的结构示意图。
图3为带软充电电路的三相全控整流桥装置的结构示意图。
图4为在采用软充电电路进行软充电时的三相全控整流桥的整流过程，其中，波段1为带限流电阻的不控整流阶段；波段2为软充电电路中的晶闸管导通时不控整流阶段；波段3为可控整流阶段。
图5为三相全控桥整流过程的示意图，其中，由于IGBT模块T3和T5中的IGBT导通，导致a相与b相、a相与c相之间发生短路。
图6为无限流策略时的可控整流波形（解锁过程）图。
图7为带限流策略的可控整流波形（解锁过程）图。
图8为三相全控整流桥的驱动逻辑的切换图。
具体实施方式
见图1，本实施例的三相全控整流装置包括：三相全控整流桥A、直流滤波电容C、三相桥式逆变器B和CPU单元；三相全控整流桥A的直流输出端与直流滤波电容C的两端及三相桥式逆变器B的直流电源输入端相连；CPU单元与三相全控整流桥A的整流控制端及三相桥式逆变器B的逆变控制端相连；所述三相全控整流桥A的交流输入端设有与所述CPU单元相连的电流互感器，直流滤波电容C的正、负极之间设有与所述CPU单元相连的电压传感器。
在三相全控整流桥A的任意两个交流输入端中的分别串接一软充电电路D；该软充电电路D包括：晶闸管Tr、与该晶闸管Tr并联的限流电阻R。
所述三相全控整流桥A包括三组IGBT单元，各组IGBT单元包括：上、下IGBT模块，各IGBT模块包括：IGBT和续流二极管，该续流二极管的阳极接IGBT的发射极，二极管的阴极接IGBT的集电极，各IGBT的栅极即为所述三相全控整流桥A的整流控制端；上IGBT模块中的IGBT的发射极接下IGBT模块中的IGBT的集电极；各上IGBT模块中的IGBT的集电极接所述直流滤波电容C的正极，各下IGBT模块中的IGBT的发射极接所述直流滤波电容C的负极；各组IGBT单元中的上、下IGBT模块的接点分别与三相交流电源中的一相相连。
当CPU单元通过所述电流互感器测得三相全控整流桥A的交流输入端接通三相交流电源时，CPU单元控制各晶闸管Tr和各IGBT模块中的IGBT截止，三相全控整流桥A处于不控整流状态；交流电源经所述限流电阻R和三相全控整流桥A中的各IGBT模块的续流二极管对直流滤波电容C进行预充电；由于电阻R的存在，限制了过冲电流；当CPU单元通过所述电压传感器测得直流滤波电容C两端的直流电压udc稳定后，CPU单元触发各晶闸管Tr导通，以旁路所述限流电阻R。此时由于所述直流电压udc存在一定的初始电压，三相全控整流桥A两侧的压差较小，从而使直流滤波电容C的充电电流相对较小，故而适于避免在三相全控整流桥与交流母线合闸瞬间造成器件损坏。
本实施例的三相全控整流装置的整流限流方法，包括：当CPU单元开始控制三相全控整流桥A工作于可控整流状态时，CPU单元通过所述电流互感器检测三相全控整流桥A的交流输入端的三相交流瞬时电流ia、ib、ic。
当所述三相交流瞬时电流ia、ib、ic的绝对值中的最大值Imax > ILim，且该最大瞬时电流的方向是流入三相全控整流桥A，则CPU单元控制该最大瞬时电流所在相上的所述下IGBT模块中的IGBT截止（并控制该相的上IGBT模块的IGBT导通，但此时该相电流主要由该上IGBT模块中的续流二极管流过），并控制其余两相的所述上IGBT模块中的IGBT截止（并控制该其余两相上的所述下IGBT模块的IGBT导通，但此时该两相电流主要由相应的下IGBT模块中的续流二极管流过）。
当所述三相交流瞬时电流ia、ib、ic的绝对值中的最大值Imax > ILim，且该最大值对应的瞬时电流的方向是流出三相全控整流桥A，则CPU单元控制该最大瞬时电流所在相上的所述上IGBT模块中的IGBT截止（并控制该相上的所述下IGBT模块的IGBT导通，但此时该相电流主要由该相上的所述下IGBT模块中的续流二极管流过），并控制其余两相上的所述下IGBT模块中的IGBT截止（并控制该其余两相上的所述上IGBT模块的IGBT导通，但此时该其余两相电流主要由相应的上IGBT模块中的续流二极管流过）。
所述ILim为所述三相全控整流桥A中的IGBT模块的保护限值，该保护限值是IGBT模块的产品参数，可通过相应的检测或试验而得出。
所述晶闸管Tr采用一对反接的单向可控硅，也可采用单个双向可控硅。
本实施例的三相全控整流限流策略：
令Sx为x相桥臂的开关函数，x = a, b, c。当Sx为1时，x相桥臂的上管导通，下管截止；当Sx为0时，x相桥臂的上管截止，下管导通。
假设交流侧电流流入桥臂的方向为正，并且令
Imax =max（|ia|，| ib |，|ic|）         (1)
则令ILim为整流桥功率器件的保护限值，若交流电流越限，即
Imax > ILim                            (2)
则功率器件的开关控制策略可由正常的高功率因数整流控制切换至
Figure 2011100202974100002DEST_PATH_IMAGE001
             (3)
其中，x = a, b, c，y = a, b, c，z = a, b, c，x, y, z互不相同。
上述式(1)～(3)的含义是：选择三相交流瞬时电流ia、ib、ic绝对值中的最大值Imax，若交流电流越限，即Imax > ILim，若x相电流值越限，且若ix > 0，则Sx为1，Sy和Sz为0；若ix < 0，则Sx为0，Sy和Sz为1。
分析其原理，假设a相电流的绝对值最大，且正向越限，即
Figure 243313DEST_PATH_IMAGE002
                         (4)
此时控制策略切换至
Figure 2011100202974100002DEST_PATH_IMAGE003
                               (5)
此时电流ia、ib和ic分别从的T1、T4和T6续流二极管流过，并且给电容C继续充电，如图2所示。由于直流电容已有较高电压，因此可迫使ia迅速下降回到限值范围以内，如图7所示。该策略不仅可有效地限制三流三相充电电流，并且可对电容器C进行平稳充电，防止其振荡过程。三相全控整流桥驱动逻辑的切换如图8所示，该逻辑还可用于整流桥正常高功率因数整过程的过流抑制。
图8为包含限流策略的三相全控型高功率因数整流桥驱动逻辑图，直流电压参考值
Figure 160453DEST_PATH_IMAGE004
和测量值
Figure 2011100202974100002DEST_PATH_IMAGE005
的偏差经过PI环节处理后作为参考电流d轴分量
Figure 251775DEST_PATH_IMAGE006
（有功分量），参考电流q轴分量
Figure DEST_PATH_IMAGE007
（无功分量）取0；a相电压测量值ua经过PLL环节获取电压相位信息，、
Figure 336723DEST_PATH_IMAGE007
根据a相电压相位信息通过dq→abc的坐标变换获得三相参考电流ia、ib和ic，再与三相电流测量值ia、ib和ic做差后，进行PWM调制已得到高功率因数整流驱动逻辑。图8下半部分分别通过求取三相电流测量值ia、ib和ic的绝对值和最大值，再与整流桥功率器件的保护限值ILim做比较，该逻辑作为切换逻辑，以选择正常驱动策略还是限流保护策略。
图8中，
Figure 159185DEST_PATH_IMAGE005
—直流电压测量值，
Figure 488535DEST_PATH_IMAGE004
—直流电压参考值，ua—a相电压测量值，PLL—锁相环，PI——比例积分环节，
Figure 687436DEST_PATH_IMAGE006
—参考电流d轴分量，
Figure 667899DEST_PATH_IMAGE007
—参考电流q轴分量，ia、ib和ic—a、b、c三相电流测量值，
Figure 661263DEST_PATH_IMAGE008
—a、b、c三相电流参考值，Imax—三相交流电流绝对值中的最大值，ILim—整流桥功率器件的保护限值，Sa、Sb、Sc—a、b、c三相桥臂驱动逻辑。
上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (4)

1.一种三相全控整流装置，包括：三相全控整流桥（A）、直流滤波电容（C）、三相桥式逆变器（B）和CPU单元；
三相全控整流桥（A）的直流输出端与直流滤波电容（C）的两端及三相桥式逆变器（B）的直流电源输入端相连；CPU单元与三相全控整流桥（A）的整流控制端及三相桥式逆变器（B）的逆变控制端相连；所述三相全控整流桥（A）的交流输入端设有与所述CPU单元相连的电流互感器，直流滤波电容（C）的正、负极之间设有与所述CPU单元相连的电压传感器；其特征在于：
在三相全控整流桥（A）的任意两个交流输入端中的分别串接一软充电电路（D）；该软充电电路（D）包括：晶闸管（Tr）、与该晶闸管（Tr）并联的限流电阻（R）。
2.根据权利要求1所述的三相全控整流装置，其特征在于：所述三相全控整流桥（A）包括三组IGBT单元，各组IGBT单元包括：上、下IGBT模块，各IGBT模块包括：IGBT和续流二极管，该续流二极管的阳极接IGBT的发射极，二极管的阴极接IGBT的集电极，各IGBT的栅极即为所述三相全控整流桥（A）的整流控制端；上IGBT模块中的IGBT的发射极接下IGBT模块中的IGBT的集电极；各上IGBT模块中的IGBT的集电极接所述直流滤波电容（C）的正极，各下IGBT模块中的IGBT的发射极接所述直流滤波电容（C）的负极；各组IGBT单元中的上、下IGBT模块的接点分别与三相交流电源中的一相相连。
3.根据权利要求2所述的三相全控整流装置的整流限流方法，其特征在于：当CPU单元通过所述电流互感器测得三相全控整流桥（A）的交流输入端接通三相交流电源时，CPU单元控制各晶闸管（Tr）和各IGBT模块中的IGBT截止，三相全控整流桥（A）处于不控整流状态；交流电源经所述限流电阻（R）和三相全控整流桥（A）中的各IGBT模块的续流二极管对直流滤波电容（C）进行预充电；当CPU单元通过所述电压传感器测得直流滤波电容（C）两端的直流电压（udc）稳定后，CPU单元触发各晶闸管（Tr）导通，以旁路所述限流电阻（R）。
4.根据权利要求2或3所述的三相全控整流装置的整流限流方法，其特征在于：当CPU单元开始控制三相全控整流桥（A）工作于可控整流状态时，CPU单元通过所述电流互感器检测三相全控整流桥（A）的交流输入端的三相交流瞬时电流（ia、ib、ic）；
当所述三相交流瞬时电流（ia、ib、ic）的绝对值中的最大值Imax > ILim，且该最大值对应的瞬时电流的方向是流入三相全控整流桥（A），则CPU单元控制该最大值对应的瞬时电流所在相上的所述下IGBT模块中的IGBT截止，同时控制该相上的所述上IGBT模块的中IGBT导通，并控制其余两相上的所述上IGBT模块中的IGBT截止，同时控制所述其余两相上的所述下IGBT模块中的IGBT导通；
当所述三相交流瞬时电流（ia、ib、ic）的绝对值中的最大值Imax > ILim，且该最大值对应的瞬时电流的方向是流出三相全控整流桥（A），则CPU单元控制该最大值对应的瞬时电流所在相上的所述上IGBT模块中的IGBT截止，同时控制该相上的所述下IGBT模块中的IGBT导通，并控制其余两相上的所述下IGBT模块中的IGBT截止，同时控制所述其余两相上的所述上IGBT模块中的IGBT导通；
所述ILim为所述三相全控整流桥（A）中的IGBT模块的保护限值。
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