УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ТРЕХФАЗНОГО МАТРИЧНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ ОТ КОММУТАЦИОННЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ

Устройство защиты трехфазного матричного преобразователя частоты от коммутационных перенапряжений
Настоящее решение относится к области преобразовательной техники и представляет собой устройство защиты от коммутационных перенапряжений матричного преобразователя частоты (МПЧ), силовая часть которого содержит девять двунаправленных транзисторных ключей, объединенных в матрицу размерностью 3х3.
Известно устройство защиты от коммутационных перенапряжений трехфазного МПЧ, построенного на полностью управляемых двунаправленных транзисторных ключах с эмиттерной связью (ДКЭС) и управляемого по методу высокочастотной широтно-импульсной модуляции (ШИМ), описанное в [1]. В данном МПЧ в качестве элементов защиты от перенапряжений используется два трехфазных диодных моста на основе быстродействующих диодов, при этом один из мостов подключен ко входным клеммам преобразователя, а второй - к его выходным клеммам, при этом выходы мостов объединены и подключены к выводам электролитического конденсатора.
Недостатком данного решения является существование дополнительных потерь энергии на элементах защитной цепи, что ведет к уменьшению КПД МПЧ, а также к увеличению массогабаритных показателей МПЧ в связи с необходимостью использования электролитического конденсатора значительной ёмкости. Причём величина ёмкости электролитического конденсатора пропорциональна мощности нагрузки МПЧ.
Наиболее близким по техническому решению является устройство защиты трехфазного МПЧ от коммутационных перенапряжений, описанное в [2]. В соответствие с [2] для защиты МПЧ от перенапряжений используется способ, заключающийся в подключении к входным и выходным клеммам МПЧ двух групп варисторов, соединенных по схеме «треугольник». Однако, наиболее распространенные и коммерчески доступные на сегодняшний день металлоксидные варисторы обладают быстродействием, которое лежит в диапазоне от десятков наносекунд до сотен микросекунд [3, 4], что сопоставимо со временем перехода IGBT-транзисторов из открытого состояния в закрытое. Следовательно, быстродействие варисторов является недостаточным для обеспечения надежной защиты IGBT- транзисторов от перенапряжений.
Решаемая задача - создание надежной быстродействующей защиты ДКЭС МПЧ от коммутационных перенапряжений, возникающих вследствие:
- внезапного закрытия ключей МПЧ при работе преобразователя на активно-индуктивную нагрузку, происходящего при аварийной ситуации либо при формировании бестоковой паузы в случае использования двух- или трёхтактной коммутации ДКЭС;
- влияния внутренних паразитных индуктивностей ДКЭС, а также паразитных индуктивностей линий связи при сопутствующих высоких значениях di/dt в моменты переключения ДКЭС.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение работоспособности МПЧ при возникновении аварийных ситуаций.
Этот технический результат достигается тем, что в устройство защиты от перенапряжений трехфазного матричного преобразователя частоты, содержащего девять двунаправленных транзисторных ключей, объединенных в матрицу размерностью 3х3, состоящее из трех варисторов, установленных на стороне питающей сети и трех варисторов, установленных на стороне нагрузки, соединенных по схеме «треугольник» и подключенных к входным и выходным клеммам преобразователя соответственно, параллельно варисторам и двунаправленным транзисторным ключам дополнительно установлены цепи, каждая из которых состоит из последовательно включенного двунаправленного супрессора и токоограничивающего резистора.
Предлагаемое устройство защиты МПЧ по сравнению с аналогом [2] отличается более высоким быстродействием, и, следовательно, более высокой надежностью защиты.
Сущность полезной модели поясняется чертежами. На фиг.1 приведена блок-схема трехфазного МПЧ, к входным и выходным клеммам которого подключены цепи защиты от коммутационных перенапряжений.
На фиг.1 используются следующие обозначения:
1 - входной RLC-фильтр;
2 - блок защиты МПЧ по цепи питания, состоящий из варисторов 2.1, включенных по схеме «треугольник» между фазами питающей сети, и установленных параллельно этим варисторам защитных цепей, каждая из которых состоит из последовательно включенного двунаправленного супрессора 2.2 и токоограничивающего резистора 2.3;
3 - матрица силовых ключей на основе ДКЭС;
4 - блок защиты МПЧ по цепи нагрузки, который устроен аналогично блоку 2;
5 - нагрузка (асинхронный электродвигатель);
A
B
C
U, U, U - напряжения питающей сети;
A
B
C
I, I, I - токи, потребляемые МПЧ;
а
b
c
U, U, U - выходные напряжения МПЧ;
a
b
c
I, I, I - токи нагрузки.
Матрица силовых ключей МПЧ состоит из трёх идентичных групп ДКЭС на основе IGBT-транзисторов и защитных элементов. Упрощенная принципиальная схема одной группы ДКЭС приведена на фиг.2.
На фиг.2 используются следующие обозначения:
1 - IGBT-транзисторы ДКЭС;
2 - двунаправленные супрессоры;
3 - токоограничивающие резисторы;
A
B
C
U, U, U - напряжения питающей сети;
а
U- выходное напряжение группы ДКЭС.
Устройство работает следующим образом.
Если во время работы матрицы силовых ключей на основе ДКЭС 3 (фиг.1) значение напряжения на входных, либо выходных клеммах МПЧ превышает номинальное значение, то первыми из элементов защиты срабатывают супрессоры 2.2, поскольку их быстродействие составляет порядка нескольких пикосекунд, в отличие от варисторов, быстродействие которых не меньше десятков наносекунд.
Супрессоры 2.2 (фиг. 1) ограничивают линейное напряжение на уровне примерно равном напряжению своего пробоя, при этом величина протекающего через них тока ограничивается последовательно стоящими резисторами 2.3.
Основной задачей супрессоров 2.2 (фиг. 1) является ограничение и поддержание величины линейного напряжения на уровне выше напряжения пробоя варисторов 2.1, но ниже напряжения пробоя IGBT-транзисторов матрицы силовых ключей ДКЭС 3 (фиг.1) в течение времени, необходимого варистору 2.1 (фиг.1) для перехода на туннельный участок своей вольт-амперной характеристики. После перехода на туннельный участок вольт-амперной характеристики варистор 2.1 ограничивает линейное напряжение на уровне ниже напряжения пробоя супрессора 2.2 (фиг. 1). Это вызывает переход супрессора 2.2 (фиг. 1) в закрытое состояние. При этом варистор 2.1 (фиг. 1) рассеивает большую часть энергии импульса перенапряжения.
Блок 4 защиты МПЧ по цепи нагрузки работает аналогично блоку 2.
Входной RLC-фильтр 1 (фиг.1) снижает влияние МПЧ на питающую сеть, уменьшая искажения синусоидальности кривой потребляемого тока.
Установленные параллельно IGBT-транзисторам 1 (фиг.2) защитные цепи, каждая из которых состоит из двунаправленного супрессора 2 и токоограничивающего резистора 3, осуществляют гашение всплесков напряжения, обусловленных внутренними паразитными индуктивностями IGBT-транзисторов 1 (фиг. 2) аналогично тому, как это происходит в защитных группах 2 и 4 (фиг.1) за тем исключением, что обычно величина энергии, накопленная в паразитных индуктивностях матрицы силовых ключей на основе ДКЭС 3 (фиг. 1) значительно меньше, чем энергия, накопленная в индуктивности нагрузки 5 (фиг. 1). Следовательно, установка варисторов параллельно IGBT-транзисторам 1 (фиг. 2) не требуется.
Таким образом, при возникновении аварийной ситуации, вызванной всплеском напряжения на входных либо выходных клеммах МПЧ, произойдёт срабатывание защитных групп 2 либо 4 (фиг.1), что вызовет шунтирование IGBT-транзисторов ДКЭС 3 (фиг. 1) и сохранит их полупроводниковые структуры от повреждений. При этом энергия импульса выделится в виде тепла сначала на супрессоре 2.2 и токоограничивающем резисторе 2.3, а затем на варисторе 2.1 (фиг. 1). В случае всплеска напряжения, вызванного паразитными индуктивностями внутренних структур IGBT-транзисторов, IGBT-транзисторы 1 (фиг.2) будут зашунтированы параллельно установленными супрессорами 2 (фиг.2), а энергия импульса выделится в виде тепла как на супрессоре 2, так и на токоограничивающем резисторе 3 (фиг.2).
Литература
1. Protection apparatus and protection method of PWM cycloconverter. Toshihiro Sawa, Xiaorong Xia и др. Патент США № 6351397 B1
2. Overvoltage protection apparatus for a matrix converter. Jochen Mahlein, Walter Springmann. Патент США № US 6496343 B2
3. Компоненты для силовой электроники корпорации EPCOS AG. Часть 4. Мощные варисторы EPCOS для защиты промышленной электроники. С.Пряхин. Компоненты и технологии, 2002, №1.
4. Общие принципы выбора варисторов для защиты от перенапряжений. Трегубов С.В., Пантелеев В.А., Фрезе О.Г. [Электронный ресурс] http://www.komi.com/progress/product/varistor/manual/index.html.