CZ20002398A3

CZ20002398A3 - Způsob symetrického vyrovnávání asymetrických poruch

Info

Publication number: CZ20002398A3
Application number: CZ20002398A
Authority: CZ
Inventors: Jean-Emmanuel Masselus; Alexis Colasse; Jean-Marie Bodson
Original assignee: Alstom Belgium S. A.
Priority date: 1998-01-28
Filing date: 1999-01-26
Publication date: 2000-12-13
Also published as: EA200000715A1; DK1051787T3; JP2002502219A; WO1999039418A1; KR20010034289A; CN1289470A; CA2319267A1; ZA99570B; DE69902227D1; EA002061B1; AU2144599A; EP1051787A1; SK10362000A3; ATE221269T1; PL193216B1; HUP0100726A3; ES2180268T3; BR9907728B1; CZ300957B6; EP0933858A1

Description

-113453

Způsob symetrického vyrovnávání asymetrických poruch

Oblast techniky

Přihlašovaný vynález se zaměřuje na navržení způsobu symetrického vyrovnávání asymetrických poruch, ke kterým může docházet v trakčním řetězu obsahujícím synchronní nebo asynchronní motor ovládaný napěťovým měničem.

Dosavadní stav techmkv

Měniče a konkrétný napěťové měniče jsou určeny pro převádění stejnosměrného proudu na střídavý proud.

Obzvláště důležitou oblastí využitelnosti je ovládání proměnlivé rychlosti synchronních nebo asynchronních strojů.

V takovém případě je nezbytné z hlediska zatížení, které může představovat každá fáze synchronního nebo asynchronního motoru, vytvořit třífázový napěťový systém, jenž se blíží tak, jak je to jen možné, vyváženému, sinusovému, třífázovému systému s proměnlivou frekvencí a proměnlivou amplitudou. Napěťový měnič je zařízení, které umožňxýe dosahovat tento dl a sestavuje se ze statických spínačů využívajících činné složky, jako jsou tyristory. Z hlediska využitelnosti donedávna mezi tyto činné složky patřily především polovodiče jako tyristory, vypínací tyristory GTO atd.

Po nějakou dobu se objevovaly nové typy statických spínačů, které lze označit názvem JGBT“ (tato zkratka je převzata podle anglického výrazu Jnsulated Gate Bipolar Transistor) a používají bipolámí tranzistory s izolovaným hradlem. Tato zařízení účinkují jako ovladatelné součásti v tom smyslu, že lze v každém okamžiku předepisovat elektrický proud, který spínač vyžaduje, na základě seřizování napětí na jeho řídicím hradle, zatímco v případě starší generace spínačů, jako jsou například vypínací tyristory GTO a podobně, je možné pouze určit okamžik, v němž se zapínají, a okamžik, v němž se vypínají.

Přihlašovaný vynález se konkrétněji týká měničů, které používají novou generaci činných složek, jako jsou IGBT nebo rovnocenné bipolámí tranzistory.

0 0 0 ·0 0

0 0 0

0 00

-20 0 000

0 0 «0

N případě zkratu (poruchy polovodiče) ve dvouúrovňovém měniči je odpovídající fáze motoru trvale připojena buď k vrchnímu bodu měniče nebo kjeho spodnímu bodu za předpokladu, že polovodič nacházející se na téže odbočce je vypnut, protože jinak by byla celá odbočka zkratována, což se rovná zkratování vstupu a výstupů měniče. V tomto okamžiku činnost blokování zbytku měniče, která se provádí na základě vypnutí všech neporušených polovodičů, umístí motor do elektrické konfigurace, která může (v závislosti na okamžiku poruchy) generovat přechodně nadměrný kroutící moment na hřídel motoru způsobující lámání mechanické transmise.

Řešením tohoto proklánu je způsobení souměrného třífázového zkratu na vývodech motoru. Pro účely provádění tohoto opatření existuje několik možností.

V konkrétním případě zkratování asynchronního motoru je k dispozici známý praktický postup, který je obsažen především v dokumentu SU-1350783 a podle kterého se současně zkratují všechny fáze motoru tak, aby se předešlo asymetrické poruše, což jinými slovy znamená poruchu připojení fáze k vrchnímu bodu a spodnímu bodu přívodu elektrického proudu do měniče. Je nezbytné vytvořit symetrické třífázové spojení nakrátko tak, aby nedošlo k mechanickému přetížení mechanické transmise v důsledku nadměrného kroutícího momentu generovaného asymetrickými zkraty.

Nejednodušší řešení spočívá v současném zapnutí všech polovodičů měniče, což způsobuje zkratováni vstupního kondenzátorů měniče. V takovém případě však musí být všechny polovodiče dimenzovány tak, aby byly schopny vydržet zkratový proud vstupního kondenzátorů navíc ke zkratovému proudu motoru. Toto je možné v případě použití měničů na bázi vypínacích tyristorů GTO, protože elektrický proud v těchto tranzistorech je omezován omezujícími indukčními reaktancemi (strmostí nárůstu proudu di/dt). Naneštěstí v případě měničů na bázi IGBT je výsledkem použití sběmk s nízkou indukční reaktancí mezi vstupním kondenzátorem měniče a IGBT bipdámíím tranzistory s izolovaným hradlem to, že elektrický proud není omezován indukčními reaktancemi tak, jako v případě vypínacích tyristorů GTO. Navíc vlastní IGBT bipolánrí tranzistory s izolovaným hradlem omezují svůj kolektorový proud v důsledku.

Na jedná straně lze uvést, že v této oblasti techniky existuji prostředky pro ochranu dvouúrovňových měničů na bázi IGBT pohánějící motor s proměnlivou rychlostí. Dokument GB-A-2309597 shrnuje dosavadní stav v této oblastí techniky.

• fcfc » fc • fcfcfc fc ·

-3Zařízmi určená pro výše zmiňované účely používají obvody pro detekování nesycení

IGBT bipolámích transistorů s izolovaným hradlem a tyto obvody detekují potuchu uvnitř nebo u výstupu měniče a odstavují měnič z provozu.

Nedostatek těchto zařízení spočívá vtom, že mohou detekovat poruchu na asynchronním motoru, který napájí měnič, jenž je chráněn stejnými zařízeními.

Podstato vynálezu

Přihlašovaný vynález se zaměřuje na vyvinutí způsobu, který je určen pro ochranu synchronního nebo asynchronního trakčního řetězu vybaveného napěťovým měničem, jenž je sám o sobě sestaven ze statických spínačů obsahujících polovodiče, a který řeší problém schopnosti řečených polovodičů vydržet účinky elektrického proudu.

Přihlašovaný vynález se konkrétněji zaměřuje na schopnost omezení účinku kroutícího momentu synchronního nebo asynchronního motoru, který se napájí elektrickým proudem z dvouúrovňového nebo víceúrovňového napěťového měniče, generovaného během poruchy nacházející se uvnitř nebo vně měniče napájejícího motor.

Přihlašovaný vynález se tudíž zaměřuje na vyvinutí technické strategie pro celkovou ochranu trakčního řetězu, která umožňuje symetrické vyrovnávání asymetrického zkratu u výstupu napěťového měniče bez poškození tohoto měniče.

Přihlašovaný vynález se týká způsobu symetrického vyrovnávání asymetrické poruchy, ke které může dojít v trakčním řetězu obsahujícím synchronní nebo asynchronní motor ovládaný dvouúrovňovým nebo víceúrovňovým napěťovým vodičem, který je sestaven ze statických spínačů používajících polovodiče, jako jsou IGBT topolánri polovodiče s izolovaným hradlem, kdy podle tohoto způsobu jeden bipolárm polovodič detekuje, zda porucha připojuje nebo může připojit fázi motoru k vrchnímu bodu nebo ke spodnímu bodu elektrického zdroje měniče, a kdy podle toboto způsobu jeden bipdámí polovodič zkratuje pouze tu polovinu měniče, která vykazuje poruchu na základě výsledku detekování.

Přihlašovaný vynález se přesněji týká způsobu ochrany, podle něhož se všechny fáze napěťového měniče trvale připojují k vrchnímu bodu nebo ke spodnímu bodu měniče, čímž se způsobuje symetrický třífázový zkrat u vstupu tohoto měniče bez způsobování jakéhokoli zkratu na jeho vstupu následně po detekování a určení místo poruchy. Toto předpokládá, aby • ··· © 9 · ©·· · · 9· · • © · 9 ©«©·· ···· © · »· * *

-4všechny fáze motoru byty svedeny do vrchního bodu elektrického zdroje měniče, jestliže porucha je taková, že připojuje přinejmenším jednu fázi motoru k vrchnímu elektrickému zdroji měniče, a aby všechny fáze motoru byly svedeny do spodního bodu elektrického zdroje měniče, jestliže je porucha taková, že připojuje přinejmenším jednu fázi motoru ke spodnímu bodu elektrického zdroje měniče, což se dosahuje bez způsobování jakéhokoli zkratu na vstupu měniče.

V souladu s činností provedení, ve kterém se používá dvouúrovňový měnič, se místo poruchy ve dvouúrovňovém měniči určuje na základě využití principu detekování ncsycení IGBR bipolámího polovodiče s izolovaným hradlem.

V souladu s činností provedení, ve kterém se používá měnič se třemi nebo více úrovněmi, se místo poruchy ve tříúrovňovém měniči určuje na základě využití principu detekování nesycem a detekování aktivního špičkového omezení IGBR bipolámího polovodiče s izolovaným hradlem.

Přehled obrázků na výkrese

Nyní bude proveden popis příkladů provedení způsobu podle přihlašovaného vynálezu s odkázán na připojená vyobrazení, na nichž:

obr. 1,2 a 3 předvádějí různé kroky způsobu podle přihlašovaného vynálezu v případě dvouúrovňového měniče připojeného ke třem fázím asynchronního motoru;

obr. 4, 5 a 6 předvádějí různé kroky způsobu podle přihlašovaného vynálezu v případě tříúrovňového měniče připojeného ke třem fázím asynchronního motoru.

Přfkladyi •iOik řdffní vynátežu

Na obr. 1 je schematicky předveden dvouúrovňový měnič, který je připojen ke třem motorovým fázím R, £ a T asynchronního motoru MToto vyobrazení schematicky představuje tři větve konvenčního dvouúrovňového měniče, který se používá v souvislosti s přihlašovaným vynálezem. Jak je v této oblasti techniky běžné, každá větev tohoto měniče obsahuje dva spínače 11 (R, S, T) nebo 12 (R, S, T), které střídavě dodávají elektrické zatížení, které představuje fáze asynchronního motoru M4 4 Β • · 4 Β

BB ·· • ·Β · 4 « a β 4 • 4 * Β ·

4444 44 4· 4«

-5V tomto konkrétním případě jde o elektrické zatížení typu vlastní indukce a je nutné, aby oba spínače každé větvě byty uspořádány v paralelním zapojení s diodou, která se označuje jako „nulová (rekuperační) dioda“ (Dl nebo D21 která umožňuje přívod zatéžovacího proudu tehdy, když je odpovídající spínač otevřen. Přítomnost této diody umožňuje pokles indukčního zatéžovacího proudu a tím vzniká možnost odvrácení nebezpečí jakéhokoli destruktivního, nadměrného nárůstu napětí v době, kdy je odpovídající spínač otevřen.

Dvouúrovňový měnič se uplatňuje následovně. V případě použití spínačů typu IGBT bipolárních tranzistorů s izolovaným hradlem (na rozdíl od případu používání spínačů GO vypínaných hradlem) je dovoleno opakované blokování na základě zapínání polovodiče s ohledem na zkrat nebo tehdy, když se objeví zkrat i přes skutečnost zapnutí IGBT bipolámího tranzistoru s izolovaným hradlem. Je zřejmé, že IGBT bipdántí tranzistor s izolovaným hradlem skutečně omezuje svůj kolektorový proud na takovou úroveň proudu, která je třikrát až šestkrát nižší než jeho jmenovitý proud. Tento jev se označuje jako „nesycení“.

Detekování nesycení IGBT bipolámfho tranzistoru s izolovaným hradlem umožňuje detekování zkratu a provádí se porovnáváním hodnoty (kolektor - emitor) u vývodů IGBT s referenčním napětím, které se generuje vnitřně ve spouštěči, který řídí bipolámí tranzistor s izolovaným hradlem. Jestliže je měřené napětí Vm větší než toto referenční nebo-H porovnávací napětí, pak spouštěč tento rozdíl detekuje a v případě, kdy je to potřebné, může opakovaně zablokovat bipolámf tranzistor s izolovaným hradlem, který je zapnul a vysílá signál do řídicího elektronického zařízení se sdělením o detekování zkratu.

Řídicí elektronické zařízení vydává povel k vypnutí IGBT bipolámího tranzistoru 8 izolovaným hradlem, který se nachází na téže polovině měniče, a nařizuje zapnutí dalších IGBT bipolárních tranzistorů.

V této souvislosti lze například předpokládat, že řídicí elektronické zařízení obdrží následující informaci: spouštěč zablokoval spínač IR v důsledku detekování nesycení. Z toho vyplývá, že zkrat připojuje fázi £ k nejspodnějšímu bodu měniče. Činnost, kterou bude řídicí elektronické zařízení provádět, vychází z potřeby vydání povelu následného zapnutí spínačů 2R, 2Sa2T.

Obr. 2 a 3 schematicky představují zkratování jedné ze dvou částí měniče.

Konkrétněji lze uvést, že na obr. 2 je horní část měniče zkratována. V tomto případě řídicí elektronické zařízení vysílá povely k otevření spínačů I2R. ES a I2T a zapínací povely do ··« « fc · *·· φ * * # tt · tt · ··*#* tttttttt ·· ·· *« · ··

-6spínačůIlR I1S a IIT. Vriiledem k tomu, že kolektory spínačů I1R, IIS a HT jsou společně spojeny, jejich současné zapnutí způsobuje zkrat mezí třemi fázemi R, S a T motoru. Napětí vstupního kondenzátoru C přebírají spínače I2RI2S a KT.

Na obr. 3 je zkratována dolní Část měniče. V tomto případě řídicí elektronické zařízeni vysílá povely k otevření spínačů I1R US a IIT a zapínací povely do spínačů I2R. I2S a I2T. Emitoiy spínačů I2R. I2S a I2T jsou vzájemně spojeny, a proto jejich současné zapnutí způsotnye zkrat mezi třemi fázemi R, S a T motoru. Napětí vstupního kondenzátoru C přebírají spínače I1R. USa IIT.

Tříúrovňový měnič se uplatňuje následovně. Obr. 4 předvádí tříúrovňový měnič, k němuž jsou připojeny tři fáze asynchronního motoru. Každá ze tří větví měniče se skládá ze čtyř spínačů Π, U, B a 14 (příslušně pro R, S a D, které se zapínají nebo vypínají po dvou tak, aby střídavě napájely zatěžovanou fázi asynchronního motoru.

Také v tomto případě se na každém spínači umisťuje nulová dioda Dl nebo D2 tak, aby umožňovala průchod elektrického proudu tehdy, když jsou odpovídající spínače otevřeny.

Obr. 5 představuje zkratování horní částí měniče, zatímco obr. 6 předvádí zkratování dolní částí měniče.

Porucha nevyhnutelně nepřipojuje odpovídající fázi k vrchnímu bodu nebo ke spodnímu bodu měniče. Jako příklad lze uvést, že pokud to je polovodič, který je vadnou součástí, a pokud je zkratovaným polovodičem vnitřní polovodič, pak existuje možnost blokování nepoškozených polovodičů bez způsobování jakéhokoli nadměrného kroutícího momentu působícího na hřídel motoru.

Na druhé straně v případech, kdy porucha způsobuje průchod fáze na vrchní bod nebo spodní bod měniče, je ricratovací postup použitelný.

Proto je ochranný technický postup následující:

(a) jestliže se na IGBT detekuje nesycení, pak řídicí elektronické zařízení způsobuje blokování všech IGBT bipolámích tranzistorů s izolovaným hradlem příslušného měniče;

(b) jestliže se vnitřní IGBT vystavuje nadměrnému napětí, pak odpovídající spouštěč ochraňuje tento IGBT a vrací informaci o nadměrném napětí do řídicího elektronického zařízení, které vydává povel pro zapnutí IGBT bipolámích tranzistorů s izolovaným hradlem téže poloviny měniče a vydává povel pro vypnutí ostatních IGBT bipolámích tranzistorů s izolovaným hradlem.

• ··· * * · ··· · t · · · • ··* · · · · * ·«·· ·· ·· ·· ·· ··

-7Na příkladu si lze názorně představil poruchu, která způsobuje průchod fáze na vrchní bod měniče.

IGBT bipolánn tranzistor s izolovaným hradlem je ovládán řídicím elektronickým zařízením, nicméně je však zkratován. Tento IGBT bipolántí tranzistor s izolovaným hradlem je uveden do stavu zapnutí a zatčžovacím proudem je výstupní proud z měniče. IGBT bipolántí tranzistory 3R a 4R jsou vypnuty.

Další krok činnosti tříúrovňového měniče normálně obsahuje vypnutí IGBT bipolántího tranzistoru IR a zapnutí IGBT bipolántího tranzistoru 3R.

Co se stane pak ?

1) IGBT bipolántí tranzistor IR se nevypne, protože je vadný;

2) IGBT hqxtíántí tranzistor 3R se zapne a způsobí zkratování smyčky Cl, IR. 2R.3R, dioda.

3) IGBT bipolántí tranzistor 2R a nebo IGBT bipolántí tranzistor 3R nebudou syceny a odpovídající spouštěč bude blokovat jejich IGBT, přičemž informace o tomto stavu bude vracena do řídicího elektronického zařízení;

4) řídicí elektronické zařízení bude požadovat blokování všech IGBT bipolántích tranzistorů měniče. Všechny IGBT bipolámí tranzistory s izolovaným hradlem budou blokovány s výjimkou IGBT bipolántího tranzistoru IR;

5) kolektor IGBT bipolántího tranzistoru 2R se připojí k vrchnímu bodu měniče;

6) vzhledem k tornu, že proud fáze R je výstupní, nebude možně blokovat IGBT bipolántí tranzistor 2R za studená bez jeho poškození v důsledku nadměrného napětí (protože v důsledku blokování způsobí vodivost antiparalektích diod 3R a 4R). Avšak řídicí elektronické zařízení vydává povel pro blokování všech IGBT bipolánrfch tranzistorů s izolovaným hradlem;

7) řešení přijaté pro odvrácení poškození IGBT bipolántího tranzistoru 2R vychází z instalování ochrany proti účinkům nadměrného napětí na základě omezení špiček na všech spouštěčích. V případě nadměrného napětí budou aktivní špičková omezení automaticky snižovat napětí V_ctna předem stanovenou hodnotu a informace o tomto stavu bude odesílána do řídicího elektronického zařízení, pokud nadměrné napětí bude trvat příliš dlouho. Poté řídicí elektronické zařízení vydá rozhodnutí vyslat zapínací povel do té poloviny měniče, které odpovídá IGBT bipolámí tranzistor vystavený účinku nadměrného napětí.

• kkk k k > kkk k * k k · k kkk kkkk» kkkk kk kk kk kk ·»

-8Obr. 5 představuje zkratování horní části měniče, zatímco obr. 6 předvádí zkratování dolní části měniče.

Vzhledem k tomu, že spínače IIR I1S a ΠΤ mají své enútory vzájemně propojeny a jejich příslušné kolektory jsou připojeny ke spínačůrnER, I2S a ET. jak je to předvedeno na obr. 5, bude činnost zapínání spínačů IIR. IIS, IIT, ER. ES a ET způsobovat zkrat mezi třemi fázemi R, S a I motoru. Napětí vstupních kondenzátorů pak přebírají spínače BR. BS, BT, I4R, J4S a I4T.

Protože jsou spínače I4R. I4S a I4T mají své enritory vzájemně propojeny a jejich příslušné kolektory jsou připojeny ke spínačům BR. BS a BT, jak je to předvedeno na obr. 5, bude v případě zkratování dolní části činnost zapínání spínačů BR. BS. BT. I4R. I4S a I4T způsobovat zkrat mezi třemi fázemi R, § a T motoru. Napětí vstupních kondenzátorů pak přebírají spínače I1R, US, IIT, ER, ES a ET.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Způsob symetrického vyrovnávám asymetrické poruchy, ke které může dojít v trakčním řetčzu obsahujícím synchronní nebo asynchronní motor ovládaný dvouúrovňovým nebo víceúrovňovým napěťovým vodičem, který je sestaven ze statických spínačů používajících polovodiče, jako jsou IGBT bipolárm polovodiče s izolovaným hradlem nebo bipolánií polovodiče, vyznačující se tím , že jeden detekuje, zda porucha připojuje nebo může připojit fázi motoru k vrchnímu bodu nebo ke spodnímu bodu elektrického zdroje měniče, a že jeden zkratuje pouze tu polovinu měniče, která vykazuje poruchu na základě výsledku detekování.
2. Způsob symetrického vyrovnávání asymetrické poruchy podle nároku 1, vyznačující se tím , že všechny fáze napěťového měniče se trvale připojují k vrchnímu bodu nebo ke spodnímu bodu měniče, čímž vzniká možnost vyvolání symetrického třífázového zkratu u vstupu tohoto měniče bez způsobování jakéhokoli zkratu na jeho vstupu následně po detekování a určení místa poruchy.
3. Způsob symetrického vyrovnávání asymetrické poruchy podle nároku 2, vyznačující se tím , Že fáze motoru se svádějí do vrchního bodu elektrického zdroje měniče, jestliže porucha je taková, že připojuje přinejmenším jednu fázi motoru k vrchnímu elektrickému zdroji měniče, a že všechny íáze motoru se svádějí do spodního bodu elektrického napájecího zdroje měniče, jestliže je porucha taková, že připojuje přinejmenším jednu fázi motoru ke spodnímu bodu elektrického napájecího zdroje měniče, což se dosahuje bez způsobování jakéhokoli zkratu na vstupu měniče.
4. Způsob symetrického vyrovnávání asymetrické poruchy podle nároku 3, vyznačující se t í m , Že porucha ve dvouúrovňovém měniči se lokalizuje na základě využití principu detekování nesycení IGBT bipolámího polovodiče s izolovaným hradlem.
9 9· · · • a·· « a a a * a a aaa* aa ·· ·· ·*

-105. Způsob symetrického vyrovnávání asymetrické poruchy podle nároku 3, vyznačující se tím , že porucha ve dvouúrovňovém měniči se lokalizuje na základě využití principu detekování nesycení a detekováni aktivního špičkového omezení IGBT bipolámího polovodiče s izolovaným hradlem.