1 引言
隨著大功率電力電子器件不斷涌現(xiàn)，大容量傳動(dòng)系統(tǒng)也變得越來(lái)越容易實(shí)現(xiàn)。acs6000是abb公司基于igct開(kāi)發(fā)的大容量中壓傳動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)，它分為同步機(jī)系統(tǒng)(sd)和異步機(jī)系統(tǒng)(ad)。acs6000系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)采用直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)（dtc），dtc控制系統(tǒng)是繼矢量控制系統(tǒng)之后由abb公司開(kāi)發(fā)應(yīng)用的一種高動(dòng)態(tài)性能的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)。在該系統(tǒng)傳動(dòng)保護(hù)方式上，acs6000基于考慮大容量的高速快熔難于精確制造、精度差、成本高等缺點(diǎn)，采用了無(wú)快熔全觸發(fā)保護(hù)方式。這種保護(hù)方式對(duì)控制系統(tǒng)的快速響應(yīng)、igct通流能力、以及高壓開(kāi)關(guān)快速可靠性都提出了較高的要求。

2 acs6000系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
在某廠的實(shí)際應(yīng)用中，直流母線上設(shè)有兩個(gè)整流器和兩個(gè)逆變器，屬于電壓源型變頻設(shè)備，每個(gè)逆變器拖動(dòng)一臺(tái)電機(jī)，見(jiàn)圖1。該acs-6000穿動(dòng)系統(tǒng)采用4.5kv、3.5ka等級(jí)igct，整流器進(jìn)線電壓是工頻交流3160v，直流母排電壓為4840v，負(fù)載為兩臺(tái)4600kw同步電機(jī)。系統(tǒng)由10kv母線饋線到高壓開(kāi)關(guān)后送到兩個(gè)整流變壓器，兩個(gè)整流變高壓側(cè)線圈采用串聯(lián)形式，整流變二次線圈相互隔離送到兩個(gè)獨(dú)立的高功率因數(shù)整流器。在設(shè)計(jì)上，該系統(tǒng)既可以用來(lái)單傳動(dòng)也允許多傳動(dòng)，但在同一個(gè)直流母線上連接整流單元和逆變單元總數(shù)比較多不超過(guò)6個(gè)。

圖1 acs6000sd系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

變頻設(shè)備中整流器（aru）和逆變器（inu）的主回路硬件組成上基本是相同的（見(jiàn)圖2），唯一的不同就是aru比inu多兩塊ase防變壓器磁飽和板。aru和inu的控制系統(tǒng)主要由主控板（amc）和接口板（int）以及其他檢測(cè)板構(gòu)成，由接口板直接將分配好的脈沖送給igct集成的門(mén)極驅(qū)動(dòng)板。在控制板結(jié)構(gòu)aru和inu的基本相同，上傳相應(yīng)的軟件后控制板都是可以互換的。

圖2 aru（inu）主回路電氣結(jié)構(gòu)原理圖

同步機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)還包括勵(lì)磁單元（exu），主要包括勵(lì)磁電源整流橋和過(guò)壓保護(hù)裝置（ovp）。勵(lì)磁給定由每臺(tái)逆變器的主控板amc給出，通過(guò)光纖送給勵(lì)磁裝置的控制板ccb，從而實(shí)現(xiàn)整流橋的脈沖控制。過(guò)電壓保護(hù)裝置采用bod控制模式，當(dāng)直流過(guò)壓時(shí)bod裝置控制輸出脈沖導(dǎo)通bod。

3 acs6000無(wú)快熔保護(hù)方式的分析
acs6000采用無(wú)快熔全觸發(fā)保護(hù)方式，當(dāng)某一橋臂的脈沖紊亂或igct不能關(guān)斷導(dǎo)致橋臂直通短路時(shí)，故障電流在快速短路保護(hù)裝置（fscd）中感應(yīng)出異常電源，給int接口板發(fā)出異常光信號(hào)。故障單元int板判斷接受到的信號(hào)異常時(shí)，通過(guò)int板間的光纖鏈路，快速讓所有int發(fā)出全觸發(fā)脈沖，使所有橋臂的igct脈沖導(dǎo)通，分流故障橋臂的過(guò)電流。系統(tǒng)為保證全觸發(fā)保護(hù)的快速性，所有整流和逆變裝置的int接口板之間都有專(zhuān)門(mén)的光纖鏈路。全觸發(fā)保護(hù)同時(shí)，主逆變器int板發(fā)出直流高壓開(kāi)關(guān)分閘指令，每臺(tái)逆變器int發(fā)給各自勵(lì)磁裝置電源跳閘指令，避免電源側(cè)和馬達(dá)側(cè)能量繼續(xù)流入裝置。
3.1 無(wú)快熔全觸發(fā)保護(hù)方式優(yōu)點(diǎn)
一般情況下，快熔保護(hù)的速度一般很難保護(hù)故障回路受損，在采用快熔設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中通常是考慮避免故障擴(kuò)大化的目的；同時(shí)，大容量系統(tǒng)的高速快熔制造難度較大，交直流回路中并聯(lián)使用量較多。基于考慮大容量的高速快熔難于精確制造、精度差、使用量大、更換成本高等缺點(diǎn)，abb公司在acs6000系統(tǒng)中采用了無(wú)快熔全觸發(fā)保護(hù)方式。全觸發(fā)保護(hù)方式采用觸發(fā)所有整流逆變橋臂來(lái)分流故障橋臂電流的設(shè)想，避免了故障橋臂硬件受損。
3.2 無(wú)快熔全觸發(fā)保護(hù)方式的原理
全觸發(fā)保護(hù)方式在直通短路故障時(shí)，由快速短路保護(hù)板（fscd）檢測(cè)到故障信號(hào)，發(fā)出脈沖送到int接口板，由int板之間光纖的互相鏈路控制所有的int板發(fā)出全觸發(fā)脈沖，保護(hù)故障橋臂。fscd快速短路保護(hù)裝置在系統(tǒng)中共設(shè)有4個(gè)，分別位于直流正負(fù)母線整流器側(cè)和逆變器側(cè)直流電抗器上，見(jiàn)圖3中（a）。該裝置是一個(gè)無(wú)源裝置，它通過(guò)igct通斷時(shí)產(chǎn)生的電流脈動(dòng)在直流電抗器中產(chǎn)生一定脈動(dòng)磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)在fscd的線圈內(nèi)產(chǎn)生脈動(dòng)電源，見(jiàn)圖3中（b）。對(duì)該感應(yīng)電源進(jìn)行半波整流后，控制發(fā)光二極管發(fā)光時(shí)間。正常igct通斷導(dǎo)致的fscd發(fā)光二極管發(fā)光頻率與igct導(dǎo)通頻率基本一致，發(fā)光時(shí)間一般不會(huì)超過(guò)6μs；當(dāng)橋臂直通故障時(shí)，直流電流脈動(dòng)加大，fscd感應(yīng)的能量增大，其發(fā)光二極管發(fā)光時(shí)間變長(zhǎng)。整流或逆變控制系統(tǒng)接受到fscd發(fā)出光信號(hào)超過(guò)6~10μs時(shí)，認(rèn)為故障發(fā)生；同時(shí)發(fā)生全觸發(fā)保護(hù)脈沖指令，整流和逆變所有橋臂igct導(dǎo)通，分流故障橋臂過(guò)電流，保護(hù)故障橋臂。

（a）fscd在系統(tǒng)中的位置 （b）fscd裝置的結(jié)構(gòu)
圖3 fscd快速短路保護(hù)裝置

3.3 無(wú)快熔全觸發(fā)保護(hù)過(guò)程分析
當(dāng)系統(tǒng)發(fā)出全觸發(fā)保護(hù)脈沖時(shí)，所有橋臂全部直通短路，將進(jìn)線電源、電容電荷以及馬達(dá)饋線全部短路。全觸發(fā)保護(hù)的結(jié)果就是避免電源能量和馬達(dá)回饋能量流入橋臂，同時(shí)將電容電荷通過(guò)導(dǎo)通橋臂釋放掉。因此，全觸發(fā)保護(hù)時(shí)，在每個(gè)橋臂中將流過(guò)短路電流，直到高壓開(kāi)關(guān)分閘、電容電荷釋放結(jié)束以及馬達(dá)回饋能量結(jié)束。
（1）電源能量與馬達(dá)回饋能量短路釋放分析
當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，整流器側(cè)igct在全觸發(fā)脈沖后全導(dǎo)通，對(duì)于整流變壓器來(lái)說(shuō)就是二次側(cè)電源發(fā)生短路。圖4為器件全觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)電源能量單相釋放回路示意圖，ch1、ch2、ch3三根藍(lán)色線代表三條放電回路，但是ch2和ch3都通過(guò)一個(gè)相同的igct（設(shè)短路時(shí)l3相為正電流）。對(duì)進(jìn)線故障電流進(jìn)行測(cè)量，波形如圖5。圖5中三根波形曲線為三相電流波形，測(cè)試線圈套在每相的1根電纜上（每相共5根電纜并聯(lián)），電流傳感器變比為1000a:1v。從圖5中可以看出相比較大電流為4v左右，對(duì)應(yīng)比較大電流為i=1000×4×5=20ka；同樣計(jì)算，該相第二波頭峰值為17ka，第三波頭峰值為15ka。由于釋放回路為兩個(gè)器件并聯(lián)，所以通過(guò)單個(gè)器件的比較大電流為10ka。根據(jù)igct特性參數(shù)，其允許通過(guò)工頻、不重復(fù)的40ka峰值電流10ms（即半波）。根據(jù)上述計(jì)算的半波峰值電流，按照公式∫i2tdt計(jì)算出來(lái)的值盡管沒(méi)有超過(guò)額定耐受值，但由于大電流重復(fù)出現(xiàn)將器件結(jié)溫升高，將影響igct器件特性，甚至損傷器件。馬達(dá)回饋能量釋放回路與電源能量釋放回路基本相同。

圖4 全觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)電源能量釋放回路

圖5 全觸發(fā)保護(hù)動(dòng)作時(shí)進(jìn)線電流波形

（2）電容電荷短路釋放分析
igct全觸發(fā)導(dǎo)通保護(hù)時(shí)，電容電荷主要通過(guò)整流器和逆變器共12個(gè)主回路放電，見(jiàn)圖6。理論上，整流器和逆變器中每相結(jié)構(gòu)基本對(duì)稱(chēng)，每相電路參數(shù)基本相同，因此對(duì)于電容電荷放電來(lái)說(shuō)，每相放電波形應(yīng)該基本相同。在放電回路中，直流回路中設(shè)有扼流電抗器，同時(shí)考慮回路分布電感和分布電阻，放電波形為逐漸衰減的正弦波形，見(jiàn)圖7。

（a）整流器放電回路 （b）逆變器放電回路
圖6 電容電荷放電回路

（a）整流器放電波形 （b）逆變器放電波形
圖7 電容電荷放電波形

圖7為不考慮整流變壓器和電機(jī)情況下，將電容電荷對(duì)整流和逆變回路放電波形。圖7中幅值較大的波形為總放電電流，幅值較小的波形為單橋臂中放電電流。很明顯可以看出每個(gè)橋臂的放電電流大小不同，主要原因?yàn)槊總€(gè)igct觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)刻略有差已，導(dǎo)通時(shí)分散阻抗不同所致。因此，直流母線上所有橋臂的固有電氣特性和脈沖的不一致性，將導(dǎo)致不同橋臂承受過(guò)電流不同，橋臂上功率器件受影響程度也不同。

4 對(duì)無(wú)快熔全觸發(fā)保護(hù)方式的探討
全觸發(fā)保護(hù)方式的實(shí)現(xiàn)，從一定程度上避免了故障橋臂的直接損壞及故障擴(kuò)大，降低了大容量、有快熔系統(tǒng)中故障件成本和更換時(shí)間，具有一定優(yōu)勢(shì)。但在實(shí)際應(yīng)用中，常出現(xiàn)存在下列問(wèn)題：
（1）該保護(hù)方式對(duì)高壓開(kāi)關(guān)動(dòng)作可靠性和跳閘時(shí)間要求較高，一旦發(fā)生跳閘時(shí)間延長(zhǎng)將造成全橋臂的損傷；
（2）在全觸發(fā)短路保護(hù)時(shí)，整流器進(jìn)線電流幅值較大，對(duì)整流器橋臂器件將造成一定的損傷和劣化；
（3）由于每個(gè)橋臂在全觸發(fā)保護(hù)動(dòng)作時(shí)通過(guò)電流不同，因此多次保護(hù)動(dòng)作后器件的劣化程度不同。
針對(duì)上述問(wèn)題，解決措施首先要保證高壓開(kāi)關(guān)狀態(tài)，盡量選用開(kāi)斷速度快的斷路器，并加強(qiáng)定期檢修試驗(yàn)；在設(shè)計(jì)上，選用合適短路阻抗的整流變壓器，降低短路電流對(duì)功率器件的沖擊；在發(fā)生保護(hù)動(dòng)作后，要對(duì)故障橋臂進(jìn)行全面檢查，對(duì)直流母排上其他橋臂器件狀態(tài)也要確認(rèn)。對(duì)于多次發(fā)生全觸發(fā)保護(hù)的情況，要對(duì)所有橋臂進(jìn)行徹底檢查，保證每個(gè)功率器件的狀態(tài)。