支持容错运行的矩阵式变换器故障保护方法及电路技术

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。本发明专利技术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。采用本发明专利技术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。采用本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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

技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。本专利技术的技术方案如下本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。而且本专利技术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。附图说明图1为现有的矩阵式变换器-电本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。...

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：王莉娜，黄立培，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]