双向变流器短路电流整流器件保护装置的制作方法

本发明涉及一种保护装置，具体涉及一种双向变流器短路电流整流器件保护装置，属于轨道交通供电装置技术领域。

背景技术：

在轨道交通系统中，牵引供电作为核心和动力源，在整体系统处于极其关键的地位。目前，城市轨道交通的牵引供电系统仍普遍采用二极管整流机组供电的方式，该供电方式存在着如下缺点：1、输出直流电压波动大； 2、无法处理再生制动能量：3、系统功率因数不可控；由全控型电力电子器件IGBT构成的大功率牵引供电双向变流器可彻底解决上述二极管整流机组存在的缺点。

由于轨道牵引供电装置应用的特殊性，在使用过程中不可避免的将发生直流侧短路的故障。当直流侧短路发生时，IGBT由内部保护必然进入封锁状态，此时短路电流均从模块中的反并联续流二极管流过。在直流侧短路发生时为保证直流开关对直流故障点的检测功能，需要求双向变流器在封锁脉冲后不能为了保护自身的功率器件而立即发出输入输出侧的跳闸指令，即要求功率器件需满足短路电流的长时耐受要求。由于IGBT与整流器件的机构差异性，IGBT的续流二极管I²t参数将远远不能满足短路电流耐受的要求，若不采取措施功率器件IGBT将因为热效应而出现受损甚至损坏的现象。由于轨道牵引供电装置不可避免的发生短路故障，虽然双向变流器能解决二极管整流器存在的缺点，但若无法解决短路时功率器件的耐受问题，双向变流器将无法在工业应用中得到推广。针对该问题，本领域的技术人员一直尝试新的方案，但是该问题一直没有得到妥善解决。

技术实现要素：

本发明正是针对现有技术中存在的技术问题，提供一种双向变流器短路电流整流器件保护装置，该技术方案提供一种双向变流器功率单元用于完成直流稳压输出、制动能量回馈、系统无功补偿的功能；该技术方案提供一种用于双向变流器功率单元直流短路时分流短路电流的耐受装置用以保护功率器件IGBT，其次是耐受装置可以承受短路电流不损坏，保证可靠的安装在功率单元内,不需增加功率单元的体积。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下，一种双向变流器短路电流整流器件保护装置，其特征在于，所述保护装置包括一套整流器件，功率器件IGBT、钳位二极管以及支撑电容，所述整流器件(D1-D4)与功率器件IGBT并联，组成两组不控整流桥臂，所述支撑电容与功率器件IGBT并联。

作为本实用新型的一种改进，所述整流器件包括整流器件D1、D2、D3、D4，其中整流器件D1、D2 、D3、D4均与IGBT并联, 整流器件D1、D2 、D3、D4的一端连接于直流母线,另一端连接于交流进线AC。

作为本实用新型的一种改进，所述支撑电容包括支撑电C13和支撑电容C14，所述支撑电C13和支撑电容C14与功率器件IGBT并联；所述钳位二极管包括D11、D12、D21、D22。

作为本实用新型的一种改进，所述功率器件IGBT包括1#IGBTA1、1#IGBTA2、1#IGBTA3、1#IGBTA4、2#IGBTA1、2#IGBTA2、2#IGBTA3、2#IGBTA4，其中1#IGBTA2、1#IGBTA3设置在1#IGBTA1和1#IGBTA4之间，2#IGBTA2、2#IGBTA3设置在2#IGBTA1和2#IGBTA4之间；并且钳位二极管D11与功率器件 1#IGBTA2并联，钳位二极管D12与功率器件 1#IGBTA3并联，钳位二极管D21与功率器件2#IGBTA2并联，钳位二极管D22与功率器件2#IGBTA3并联。

作为本实用新型的一种改进，所述整流器件D1、D2 、D3、D4的连接直流母线的阻抗值小于0.1mΩ。

作为本实用新型的一种改进，整流器件内阻r_T= 0.253mΩ。

作为本实用新型的一种改进，整流器件的连接选用3mm铜排直接压接的方式，保证了压接的可靠性。

一种双向变流器短路电流整流器件保护装置，其工作步骤如下：步骤1,双向变流器正常工作时提供由功率器件IGBT即1#IGBTA1-1#IGBTA4、2#IGBTA1-2#IGBTA4、钳位二极管D11、D12、D21、D22及支撑电容C13、C14触发完成直流稳压输出、直流能量回馈、系统无功补偿；步骤2,当出现短路故障时IGBT即1#IGBTA1-1#IGBTA4、2#IGBTA1-2#IGBTA4保护封锁脉冲；步骤3,直流侧短路故障未解除,短路电流由整流器件D1-D4及IGBT续流二极管并联提供；步骤4,整流器件D1-D4回路内阻远小于IGBT续流二极管内阻,大部分的短路电流均由整流器件D1-D4回路流过,IGBT续流二极管仅承受很小的电流。

相对于现有技术，本发明具有如下优点，1）该技术方案整体设计巧妙、结构紧凑；2）该技术方案中的双向变流器短路电流整流器件保护装置使得双向变流器兼具了二极管整流器大电流耐受能力强的优点,也解决了二极管整流器输出直流电压波动大、无法处理再生制动能量、系统功率因数不可控的缺点,3）该技术方案中的整流器件仅在IGBT触发脉冲封锁后才有电流通过,时间也较短,因此也无需安装散热器,很小的空间即可安装,整流器件直接安装在功率单元内即可,无需单独增加柜体,减少了安装的体积；4）该技术方案成本较低，便于大规模的推广应用。

附图说明

图1为整个保护装置的电气连接原理图；

图2为本发明通断状态示意图；

图3是整流器件分流实测波形图，其中 2#通道为交流进线电流，3#通道为整流器件电流。

图中：整流器件：D1-D4，功率器件：1#IGBTA1-1#IGBTA4、2#IGBTA1-2#IGBTA4，钳位二极管：D11、D12、D21、D22，支撑电容：C13、C14。

具体实施方式：

为了加深对本发明的理解，下面结合附图对本实施例做详细的说明。

实施例1：参见图1，一种双向变流器短路电流整流器件保护装置，所述保护装置包括一套整流器件D1-D4，功率器件IGBT即1#IGBTA1-1#IGBTA4、2#IGBTA1-2#IGBTA4、钳位二极管D11、D12、D21、D22以及支撑电容C13、C14，所述整流器件D1-D4与功率器件IGBT并联，组成两组不控整流桥臂，所述支撑电容与功率器件IGBT并联；所述整流器件包括整流器件D1、D2、D3、D4，其中整流器件D1、D2 、D3、D4均与IGBT并联, 整流器件D1、D2 、D3、D4的一端连接于直流母线,另一端连接于交流进线AC，所述支撑电容包括支撑电C13和支撑电容C14，所述支撑电C13和支撑电容C14与功率器件IGBT并联；所述钳位二极管包括D11、D12、D21、D22，所述功率器件IGBT包括1#IGBTA1、1#IGBTA2、1#IGBTA3、1#IGBTA4、2#IGBTA1、2#IGBTA2、2#IGBTA3、2#IGBTA4，其中1#IGBTA2、1#IGBTA3设置在1#IGBTA1和1#IGBTA4之间，2#IGBTA2、2#IGBTA3设置在2#IGBTA1和2#IGBTA4之间；并且钳位二极管D11与D12串联后并联与功率器件 1#IGBTA2、1#IGBTA3两端，钳位二极管D21与D22串联后并联与功率器件 2#IGBTA2、2#IGBTA3两端。该技术方案可以有效的保证短路电流由整流器件流过，使得流过IGBT续流二极管的电流降低在可承受的范围内，有效的保护IGBT不受损伤，所加装的整流器件仅在IGBT封锁触发脉冲后才有电流流过，且短路故障切除时间不允许超过1s钟，因此无需另外对整流器件加装散热装置，减少了安装体积。

实施例2：参见图1，作为本实用新型的一种改进，所述整流器件D1、D2 、D3、D4的连接直流母线的阻抗值小于0.1mΩ，这样可以保证直流侧短路时的大电流耐受，其正常工作状态时功率器件IGBT正常触发,用于完成直流稳压输出、制动能量回馈、系统无功补偿，此时负载电流主要由IGBT回路触发控制调节。

实施例3：参见图1，图2是双向变流器短路电流耐受保护装置的工作原理图，此时直流侧发生短路故障,由于IGBT的保护响应时间较短,IGBT封锁触发脉冲,即IGBT处在断路状态,由于短路点依然存在,此时短路电流主要由整流器件D1-D4、1#IGBTA1-1#IGBTA4及2#IGBTA1-2#IGBTA4提供，由于IGBT与整流器件的机构差异性，IGBT的续流二极管I²t参数较小，无法承受长时的大电流耐受，因此此时短路电流主要由内阻较小的整流器件D1-D4提供。为保证该工况下的大电流主要由整流器件D1-D4提供，应采取以下措施：1）整流器件应满足I²t=6125kA²s，整流器件内阻r_T= 0.253mΩ，2）整流器件的连接选用3mm铜排直接压接的方式，保证了压接的可靠性。

工作原理：参见图1、图2、图3，一种双向变流器短路电流整流器件保护装置，其工作步骤如下：步骤1,双向变流器正常工作时提供由功率器件IGBT即1#IGBTA1-1#IGBTA4、2#IGBTA1-2#IGBTA4、钳位二极管D11、D12、D21、D22及支撑电容C13、C14触发完成直流稳压输出、直流能量回馈、系统无功补偿；步骤2,当出现短路故障时IGBT即1#IGBTA1-1#IGBTA4、2#IGBTA1-2#IGBTA4保护封锁脉冲；步骤3,直流侧短路故障未解除,短路电流由整流器件D1-D4及IGBT续流二极管并联提供；步骤4,整流器件D1-D4回路内阻远小于IGBT续流二极管内阻,大部分的短路电流均由整流器件D1-D4回路流过,IGBT续流二极管仅承受很小的电流。图3是短路时大电流分流实测波形,从波形可以看出，当短路发生时，示波器2#通道检测交流进线电流为6.81kA，示波器3#通道检测整流器件的电流为6.63kA，IGBT的电流仅为6.81-6.63=0.18kA，即增加整流器件后，当短路发生时依靠整流器件强大的I²t热容可以有效的保护IGBT不会承受大电流的冲击，既可以保护整流器件不受损伤亦可保证IGBT不会损坏。

本发明还可以将实施例2、3所述技术特征的至少一个与实施例1组合形成新的实施方式。

需要说明的是上述实施例，并非用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上所作出的等同变换或替代均落入本发明权利要求所保护的范围。