Способ симметрирования асимметричных дефектов

1 Предмет изобретения Настоящее изобретение предлагает способ симметрирования асимметричных дефектов,которые могут происходить в тяговой цепи,включающей синхронный или асинхронный двигатель, управляемый инвертором напряжения. Предпосылки создания изобретения Инверторы, и в частности инверторы напряжения, предназначены для получения переменного напряжения из постоянного напряжения. Особенно важной областью применения является регулирование частоты вращения синхронных или асинхронных машин. В этом случае необходимо обеспечить нагрузку, которая может быть представлена каждой фазой синхронного или асинхронного двигателя, трехфазной системой напряжений, которая настолько близка, насколько это возможно к сбалансированной синусоидальной трехфазной системе с изменяющейся частотой и изменяющейся амплитудой. Инвертор напряжения является устройством, позволяющим достичь этой цели, и которое состоит из статических ключей,использующих такие силовые элементы как тиристоры. До недавнего времени для этих силовых элементов использовались по существу такие полупроводники как тиристоры, GTO (запираемые тиристоры), и т.д. Недавно появились новые типы статических ключей, которые можно определить термином "IGBT" (биполярный транзистор с полевым управлением). Эти устройства являются управляемыми элементами в том смысле, что можно в любой момент задать требуемый ток в ключе, регулируя напряжение на его управляющем затворе, тогда как для старого поколения ключей, представленного, например, GTO или аналогичными элементами, можно задать лишь момент их открытия и момент их закрытия. Настоящее изобретение относится в частности к инверторам, использующим новое поколение силовых элементов, таких как IGBT или даже биполярные транзисторы. Когда полупроводник замкнут накоротко(пробой полупроводника) в двухуровневом инверторе, соответствующая фаза двигателя соединена постоянно или с верхней точкой инвертора, или с его нижней точкой, при условии, что полупроводник, расположенный в том же самом плече закрыт, иначе все плечо замкнуто накоротко, что равносильно замыканию накоротко входа и выхода инвертора. В этот момент запирание оставшейся части инвертора путем закрытия всех неповрежденных полупроводников установит двигатель в электрическую конфигурацию, которая может (в зависимости от момента дефекта) вызвать кратковременный избыточный вращающий момент на валу двигателя, ко 002061 2 торый приведет к удару в механической трансмиссии. Решение этой проблемы состоит в том,чтобы вызвать симметричное трехфазное короткое замыкание на выводах двигателя. Чтобы это сделать, существует несколько возможностей. В частном случае замыкания накоротко асинхронного двигателя обычно, в частности по документу SU-1350783, одновременно замыкают накоротко все фазы двигателя, чтобы избежать асимметричного дефекта, то есть дефекта,соединяющего фазу с верхней и с нижней точкой питания инвертора. Необходимо выполнить симметричное трехфазное короткое замыкание асинхронного двигателя, чтобы не нагрузить механическую трансмиссию чрезмерно избыточным вращающим моментом, образованным асимметричными короткими замыканиями. Самое простое решение состоит в открывании всех полупроводников инвертора одновременно, что приведет к короткому замыканию входного конденсатора инвертора. Однако в этом случае полупроводники должны иметь такой размер, чтобы выдержать ток короткого замыкания входного конденсатора в дополнение к току короткого замыкания двигателя. Это возможно для инверторов на основе GTO, так как ток в этих тиристорах ограничен дросселями насыщения (di/dt). К сожалению, в случае инверторов на основе IGBT, использование шин с низкой индуктивностью между входным конденсатором инвертора и IGBT вызовет ток, не ограниченный дросселями, как в случае GTO. Кроме того, сам IGBT ограничивает свой ток коллектора посредством денасыщения. Эти две причины означают, что данная стратегия не может быть легко перенесена на инверторы на основе IGBT. С другой стороны в промышленности существуют устройства защиты для двухуровневых инверторов на основе IGBT, питающих двигатель с регулируемой частотой вращения. Документ GB-A-2309597 суммирует состояние дел в этой области. Рассматриваемые устройства используют схемы обнаружения денасыщения IGBT с тем,чтобы обнаружить дефект внутри или на выходе инвертора и блокировать инвертор. Недостатком этих устройств является то,что они могут вызвать асимметричный дефект на асинхронном двигателе, питаемом инвертором, защищенным этими устройствами. Цели изобретения Настоящее изобретение предлагает способ защиты синхронной или асинхронной тяговой цепи, оборудованной инвертором напряжения,который составлен из статических ключей, состоящих из полупроводников, и который решает проблему способности упомянутых полупроводников выдержать ток. Настоящее изобретение позволяет, в частности, ограничить вращающий момент син 3 хронного или асинхронного двигателя, питаемого двухуровневым или многоуровневым инвертором напряжения, образованный во время дефекта, расположенного внутри или вне инвертора, питающего двигатель. Настоящее изобретение предлагает стратегию полной защиты тяговой цепи, которая позволяет симметрировать асимметричное короткое замыкание на выходе инвертора напряжения без повреждения последнего. Основные существенные элементы изобретения Настоящее изобретение относится к способу симметрирования асимметричного дефекта, который может происходить в тяговой цепи,включающей синхронный или асинхронный двигатель, управляемый двухуровневым или многоуровневым инвертором напряжения, состоящим из статических ключей, использующих такие полупроводники как IGBT или биполярные транзисторы, согласно которому обнаруживают дефект, соединяющий фазу двигателя с верхней или с нижней точкой питания инвертора, и замыкают накоротко, на основе результата обнаружения, только ту половину инвертора, в которой имеется дефект. Точнее настоящее изобретение относится к способу защиты, при котором все фазы инвертора напряжения соединены постоянно с верхней точкой или с нижней точкой инвертора, вызывая тем самым симметричное трехфазное короткое замыкание на выходе инвертора без образования короткого замыкания на его входе,после обнаружения и локализации дефекта. Подразумевается, что все фазы двигателя соединяются с верхней точкой питания инвертора,если дефект приводит к соединению, по крайней мере, одной фазы двигателя с верхней точкой питания инвертора, и что все фазы двигателя соединяются с нижней точкой питания инвертора, если дефект приводит к соединению, по крайней мере, одной фазы двигателя с нижней точкой питания инвертора, причем этот достигается без образования короткого замыкания на входе инвертора. Согласно реализации,использующей двухуровневый инвертор, дефект в двухуровневом инверторе локализуется, используя принцип обнаружения денасыщения полупроводникаIGBT. Согласно реализации, использующей инвертор с тремя или большим количеством уровней, дефект в трехуровневом инверторе локализуется, используя принципы обнаружения денасыщения и обнаружения активного ограничения амплитуды IGBT полупроводника. Краткое описание чертежей Фиг. 1, 2 и 3 представляют различные шаги способа изобретения в случае двухуровневого инвертора, соединенного с тремя фазами асинхронного двигателя. Фиг. 4, 5 и 6 представляют различные шаги способа изобретения в случае трехуровневого 4 инвертора, соединенного с тремя фазами асинхронного двигателя. Детальное описание нескольких реализаций настоящего изобретения Фиг. 1 представляет двухуровневый инвертор, соединенный с тремя фазами R, S и Т асинхронного двигателя М. Эта фигура представляет три плеча обычного двухуровневого инвертора, который используется в контексте настоящего изобретения. Традиционно каждое плечо этого инвертора включает два ключа I1, (R, S, Т) или I2 (R, S, Т),которые поочередно питают нагрузку, представленную фазой асинхронного двигателя М. В этом частном случае нагрузка обладает самоиндукцией, при этом необходимо параллельно двум ключам каждого плеча устанавливать диод, который называется "диодом холостого хода" (D1 или D2), позволяющий протекать току нагрузки, когда соответствующий ключ закрыт. Наличие этого диода позволяет уменьшать индуктивный ток нагрузки и, таким образом, позволяет избежать любого разрушительного перенапряжения, когда соответствующий ключ закрыт. Применение для двухуровневого инвертора В случае, когда используются ключи IGBT типа (в отличие от ключей GTO типа), повторное запирание допускается после открывания полупроводника при коротком замыкании или когда короткое замыкание происходит при открытом IGBT. Действительно, IGBT свойственно ограничивать ток коллектора током, превышающим в 3-6 раз номинальное значение. Это явление называется "денасыщением". Обнаружение денасыщения IGBT позволяет обнаружить короткое замыкание, оно осуществляется путем сравнения величины Vкэ (коллектор-эмиттер) на выводах IGBT с опорным напряжением, образованным внутри устройства управления IGBT. Если измеренное напряжениеVкэ больше, чем опорное напряжение, то устройство управления обнаруживает это и, если нужно, может автоматически повторно заперетьIGBT, который открывался, и послать сигнал управляющей электронике, указывающий на обнаружение короткого замыкания. Управляющая электроника дает команду закрыть IGBT, находящиеся на той же самой половине инвертора, и дает команду открыть другие IGBT. Предположим, например, что управляющая электроника получает следующую информацию: ключ 1R был повторно заперт устройством управления после обнаружения денасыщения. Это означает, что короткое замыкание соединяет фазу R с самой нижней точкой инвертора. Действие, которое выполнит управляющая электроника, будет заключаться в открывании ключей 2R, 2S и 2 Т. Фиг. 2 и 3 представляют короткое замыкание одной из двух частей инвертора. 5 В частности, на фиг. 2, верхняя часть инвертора замкнута накоротко. В этом случае,управляющая электроника посылает закрывающие команды ключам I2R, I2S и I2T, и открывающие команды ключам I1R, I1S и I1T. Так как ключи I1R, I1S и I1T соединены вместе своими коллекторами, их одновременное открытие вызывает короткое замыкание между тремя фазами двигателя R, S и Т. Напряжение входного конденсатора С воспринимается ключами I2R,I2S и I2T. На фиг. 3 нижняя часть инвертора замкнута накоротко. В этом случае, управляющая электроника посылает закрывающие команды ключам I1R, I2S и I1T, и открывающие команды ключам I2R, I2S и I2T. Так как ключи I2R, I2S иI2T соединены вместе своими эмиттерами, их одновременное открытие вызывает короткое замыкание между тремя фазами двигателя R, S и Т. Напряжение входного конденсатора С воспринимается ключами I1R, I1S и I1T. Реализация для трехуровневого инвертора Фиг. 4 представляет трехуровневый инвертор, соединенный с тремя фазами асинхронного двигателя. Каждое из трех плеч инвертора состоит из четырех ключей I1, I2, I3 и I4 (R, S и Т соответственно), которые открываются или закрываются два по два, чтобы поочередно питать нагрузку, состоящую из фазы асинхронного двигателя. Вновь диод холостого хода D1 или D2 расположен на каждом ключе, чтобы позволить течь току, когда соответствующие ключи закрыты. Фиг. 5 представляет короткое замыкание верхней части инвертора, тогда как фиг. 6 короткое замыкание нижней части инвертора. Когда полупроводник замкнут накоротко в трехуровневом инверторе, проблема более сложна, чем в случае двухуровневого инвертора. Дефект не соединяет неизбежно соответствующую фазу с верхней точкой или с нижней точкой инвертора. Например, если есть дефектный полупроводник и если короткозамкнутый полупроводник является внутренним, то можно запереть неповрежденные полупроводники без того, чтобы вызвать избыточный вращающий момент на валу двигателя. С другой стороны, в случаях, когда дефект приводит к соединению фазы с верхней точкой инвертора или с его нижней точкой, применима процедура короткого замыкания. Поэтому стратегия защиты следующая: Если денасыщение обнаружено на IGBT,электроника осуществляет запирание всех IGBT инвертора. Если внутренний IGBT испытывает перенапряжение,соответствующее устройство управления защищает его и выдает информацию о перенапряжении управляющей электронике,которая дает команду открыть IGBT той же са 002061 6 мой половины инвертора и дает команду закрыть другие IGBT. Например, рассмотрим дефект, приводящий к соединению фазы с верхней точкой инвертора.IGBT 1R управляется электроникой, однако, он замыкается накоротко. IGBT открывается,и током нагрузки является выходной ток инвертора. IGBT 3R и 4R закрыты. Следующий шаг трехуровневого инвертора обычно состоит в закрытии IGBT 1R и в открывании IGBT 3R. Что тогда произойдет: 1) IGBT 1R не будет закрываться, так как он дефектен. 2) IGBT 3R откроется и вызовет замыкание накоротко контура С 1, 1R, 2R, 3R, диод. 3) IGBT 2R и/или IGBT 3R будет денасыщаться, и соответствующее устройство управления запрет его IGBT и выдаст информацию управляющей электронике. 4) Управляющая электроника запросит запирание всех IGBT инвертора. Все IGBT будут заперты за исключением IGBT 1R. 5) Коллектор IGBT 2R соединяется с верхней точкой инвертора. 6) Так как ток фазы R выходной, невозможно запереть IGBT 2R без его разрушения посредством перенапряжения (так как запирание приведет к тому, что встречные диоды 3R и 4R будут проводить). Но управляющая электроника выдала команду запереть все IGBT. 7) Решение, позволяющее избежать разрушения IGBT 2R, состоит в том, чтобы установить защиту против перенапряжений активным ограничением амплитуды на всех устройствах управления. В случае перенапряжения, активное ограничение амплитуды автоматически ограничивает напряжение Vкэ IGBT до предопределенного значения и проинформирует управляющую электронику, если перенапряжение длится слишком долго. Управляющая электроника тогда принимает решение послать открывающую команду половине инвертора, соответствующейIGBT, который имеет перенапряжение. Фиг. 5 представляет короткое замыкание верхней части инвертора, тогда как фиг. 6 представляет короткое замыкание нижней части инвертора. Как представлено на фиг. 5, так как ключиI1R, I1S и I1T соединены вместе своими коллекторами, а их соответствующие эмиттеры соединены с ключами I2R, I2S и I2T, открывание ключей I1R, I1S, I1T, I2R, I2S и I2T вызывает короткое замыкание между тремя фазами двигателя R, S и Т. Напряжение входных конденсаторов воспринимается ключами I3R, I3S, I3T, I4R,I4S и I4T. В случае короткого замыкания нижней части, как представлено на фиг. 6, так как ключи I4R, I4S и I4T соединены вместе своими эмиттерами, а их соответствующие коллекторы 7 соединены с ключами I3R, I3S и I3T, открывание ключей I3R, I3S, I3T, I4R, I4S и I4T вызывает короткое замыкание между тремя фазами двигателя R, S и Т. Напряжение входного конденсатора воспринимается ключами I1R, I1S,I1T, I2R, I2S и I2T. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ симметрирования асимметричного дефекта, который может возникать в тяговой цепи,включающей синхронный или асинхронный двигатель, управляемый двухуровневым или многоуровневым инвертором напряжения, состоящим из статических ключей, включающих в себя биполярные транзисторы с полевым управлением (IGBT) или биполярные транзисторы, отличающийся тем, что при обнаружении дефекта, соединяющего фазу двигателя с верхней точкой или с нижней точкой питания инвертора осуществляют замыкание накоротко, на основе результата этого обнаружения,только той половины инвертора, в которой имеется дефект. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что все фазы инвертора напряжения соединяются постоянно с верхней точкой или с нижней точкой инверто 002061 8 ра, вызывая, таким образом, симметричное трехфазное короткое замыкание на выходе этого инвертора без образования короткого замыкания на его входе, после обнаружения и локализации дефекта. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что все фазы двигателя соединяются с верхней точкой питания инвертора, если дефект такой, что он соединяет, по крайней мере, одну фазу двигателя с верхней точкой питания инвертора, и что все фазы двигателя соединяются с нижней точкой питания инвертора, если дефект такой, что он соединяет, по крайней мере, одну фазу двигателя с нижней точкой питания инвертора, что достигается без образования короткого замыкания на входе инвертора. 4. Способ по п.3, отличающийся тем, что дефект в двухуровневом инверторе локализуется,используя принцип обнаружения денасыщенияIGBT полупроводника. 5. Способ по п.3, отличающийся тем, что дефект в трехуровневом инверторе локализуется, используя принципы обнаружения денасыщения и обнаружения активного ограничения амплитуды