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CN104810799A - 过电压保护装置以及电流调整电路 - Google Patents

过电压保护装置以及电流调整电路 Download PDF

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CN104810799A CN201510027084.2A CN201510027084A CN104810799A CN 104810799 A CN104810799 A CN 104810799A CN 201510027084 A CN201510027084 A CN 201510027084A CN 104810799 A CN104810799 A CN 104810799A
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Abstract

本发明提供能够通过简单的构成以短时间进行从系统事故的复原的过电压保护装置。实施方式的过电压保护装置具备被设置在绕线式感应电机的二次侧与用三相交流对所述绕线式感应电机的二次侧进行励磁的变频器之间并具有使三相交流的相间短路的功能的第一短路器，该过电压保护装置具备：电阻器，按每相连接在所述第一短路器与所述变频器之间；以及第二短路器，与所述电阻器并联连接，并具有使所述变频器与所述绕线式感应电机的二次侧短路的功能。

Description

过电压保护装置以及电流调整电路
技术领域
本发明的实施方式涉及保护绕线式感应电机的二次绕线及变频器以免于过电压的过电压保护装置以及该过电压保护装置具备的电流调整电路。
背景技术
在将绕线式感应电机的一次侧连接至电力系统并用转差频率的交流对二次侧进行励磁的例如静态西皮(static scherbius)方式、超同步西皮方式(Super-synchronous scherbius)的构成中，在绕线式感应电机的一次侧变得不平衡时，流动反相电流，在二次侧流动2f1±sf1(其中，f1是系统的频率，s表示转差。)的频率的电流。另外，对一次侧乘以直流量的情况下，在二次侧流动fr(转子的旋转频率)的电流。
但是，用转差频率的交流对绕线式感应电机的二次侧进行励磁的变频器难以在2f1±sf1或fr的频率下使电流流动，无法将变频器内的功率半导体元件(例如GTO、IGBT)启动(日语原文为点弧；ignition)。为此，绕线式感应电机的二次侧开放，产生异常的高电压。在绕线式感应电机的二次侧产生高电压时，二次绕线以及变频器有可能发生绝缘破坏。
因此，已知有如下方法，即，在绕线式感应电机的二次侧产生了过电压的情况下，直接使二次绕线短路或经由电阻使二次绕线短路来将电压抑制成几乎为零，由此保护二次绕线及变频器以免于过电压。
将以往的绕线式感应电机的包括二次过电压保护装置的电路构成的一个例子示于图4。
如图4所示，绕线式感应电机1的一次绕线端子经由主变压器2以及输电线4与电力系统3连接。绕线式感应电机1的一次绕线端子的电压通过主变压器2被变换为与电力系统3同等的电压后，经由输电线4被供给至电力系统3。
在绕线式感应电机1的二次绕线端子上，经由第一短路器12而连接有变频器7。变频器7具备逆变器(inverter)6及与主变压器2连接的例如自激式转换器(converter)5。
在变频器7中，通过自激式转换器5从三相交流电压暂时变换为直流电压，变换后的直流电压通过直流支撑电容器(DC link condenser)8来保持。并且，该直流电压通过逆变器6被变换为绕线式感应电机1的转差频率相当的三相交流电压。变频器7通过该三相交流电压对绕线式感应电机1的二次侧进行励磁。另外，变频器7为了保护自激式转换器5和逆变器6以免于由直流支撑(DC link)电压的上升引起的过电压，而具备由电阻器9、功率半导体元件10(例如GTO、IGBT)构成的斩波器(chopper)11。
在绕线式感应电机1的二次绕线端子与变频器7之间，设置有第一短路器12。第一短路器12具有在绕线式感应电机1的二次侧产生过电压时使三相交流的相间短路的功能。
接下来，使用图5的时序图对这样构成的绕线式感应电机1的二次过电压保护装置的动作进行说明。
在图5的时刻t1，在电力系统3或输电线4中发生事故而绕线式感应电机1的一次侧变得不平衡时，在二次侧产生由反相量引起的2f1±sf1的交流。此情况下，变频器7追踪不了该交流，因此绕线式感应电机1的二次绕线成为瞬间打开的状态，产生过电压。过电压被变频器7的逆变器6的二极管整流，对直流支撑电容器8进行充电，电容器电压上升。
在绕线式感应电机1的二次绕线、或直流支撑电容器8中产生超过阈值的过电压时，在时刻t2，斩波器11和第一短路器12工作。另外，实际上，最初斩波器11动作，然后，如果即使经过了一定时间后过电压也未消除，则接下来第一短路器12动作，但在此，为了易于理解整体的动作而简化说明。
由此，第一短路器12对绕线式感应电机1的二次绕线以及变频器7的输出侧进行三相短路。
因此，在绕线式感应电机1的二次侧，在相间通过第一短路器12而流动短路电流，该短路电流随着绕线式感应电机1的二次绕线的时间常数而衰减。
接下来，估计电力系统3、输电线4的事故得以消除的时间，并在时刻t3解除第一短路器12的短路。第一短路器12通过电流容量较高的晶闸管构成，因此在短路电流未变为零时无法截止。因此，将变频器7重新启动，在与第一短路器12中流动的短路电流相反方向上施加电压，使在第一短路器12中流动的电流为零。作为使用了晶闸管的过电压保护电路的在先技术，有JPH06－54444A。
但是，在以往的方式中，在通过逆电压的施加而使在第一短路器12中流动的电流为零时，在时刻t4在第一短路器12中流动的短路电流流入到变频器7，直流支撑电容器8的电压再次增大，斩波器11与第一短路器12重新动作的情况是存在的。由此，构成斩波器11的电阻器9、功率半导体元件10、及构成第一短路器12的晶闸管的温度上升，可能导致破坏。
在此，在为了能经受重新动作而使斩波器11及第一短路器12的额定值增大时，成本及占有面积增大。
另外，在第一短路器12中流动的电流根据绕线式感应电机1的二次绕线的时间常数而衰减，因此在电流为零之前等待，随着绕线式感应电机1的电抗变大，等待时间长到数秒的数量级，重新启动变晚。
发明内容
本发明是鉴于上述情况而做出的，目的在于，提供一种能够通过简单的构成以短时间进行从系统事故的复原的过电压保护装置以及电流调整电路。
根据实施方式提供的过电压保护装置，具备第一短路器，该第一短路器设置在绕线式感应电机的二次侧与用三相交流对所述绕线式感应电机的二次侧进行励磁的变频器之间，并具有使三相交流的相间短路的功能，该过电压保护装置的特征在于，具备：电阻器，按每相连接在所述第一短路器与所述变频器之间；以及第二短路器，与所述电阻器并联连接，并具有使所述变频器与所述绕线式感应电机的二次侧短路的功能。
根据实施方式的过电压保护装置以及电流调整电路，能够通过简单的构成以短时间进行从系统事故的复原。
附图说明
图1是对第一实施方式的绕线式感应电机1的包括二次过电压保护装置的电路构成的一例进行表示的图。
图2是对该实施方式的绕线式感应电机1的二次过电压保护装置的动作进行表示的时序图。
图3是对代替机械式断路器而使用半导体断路器的情况的构成进行表示的图。
图4是对现有技术中的包括二次过电压保护装置的电路构成的一例进行表示的图。
图5是对现有技术中的绕线式感应电机1的二次过电压保护装置的动作进行表示的时序图。
具体实施方式
以下，参照附图对实施方式进行说明。
(第一实施方式)
参照图1以及图2对第一实施方式进行说明。
图1是对第一实施方式的绕线式感应电机1的包括二次过电压保护装置的电路构成的一例进行表示的图。另外，对与图4通用的要素标注同一标号。
如图1所示，绕线式感应电机1的一次绕线端子经由主变压器2以及输电线4而连接于电力系统3。绕线式感应电机1的一次绕线端子的电压通过主变压器2被变换成与电力系统3同等的电压后，经由输电线4被供给至电力系统3。
在绕线式感应电机1的二次绕线端子，经由第一短路器12而连接有变频器7。变频器7具备逆变器6和与主变压器2连接的例如自激式转换器5等。
在变频器7中，通过自激式转换器5从三相交流电压暂时变换为直流电压，变换后的直流电压由直流支撑电容器8保持。并且，该直流电压通过逆变器6被变换为绕线式感应电机1的转差频率相当的三相交流电压。变频器7通过该三相交流电压对绕线式感应电机1的二次侧进行励磁。另外，变频器7为了保护自激式转换器5和逆变器6以免于由直流支撑电压的上升引起的过电压，而具备斩波器11，该斩波器11由电阻器9和功率半导体元件10(例如GTO、IGBT)构成。
在本实施方式中，在绕线式感应电机1的二次绕线端子与变频器7之间，设置第一短路器12和电流调整电路15。第一短路器12具有在绕线式感应电机1的二次侧产生过电压时使三相交流的相间短路的功能。电流调整电路15具备：在第一短路器12与变频器7之间按三相的每一相连接的三个电阻器13、及与该各电阻器13并联连接的三个第二短路器14。第二短路器14具有使变频器7与绕线式感应电机1的二次侧短路的功能。第二短路器14例如像图1那样将多个机械式断路器并联连接而构成。
控制装置100负责绕线式感应电机1的二次侧的控制。该控制装置100的一部分与第一短路器12、电流调整电路15一起构成二次过电压保护装置。控制装置100具有如下功能，即，通过设置在各处的各种传感器，取得直流支撑电容器8中的电压(电容器电压)的计测值、从变频器7流出的电流(变换器电流)的计测值、流过第一短路器12的电流(第一短路器电流)的计测值，并基于这些值，对第一短路器12、第二短路器14、以及构成转换器5和逆变器6的各元件进行驱动控制的功能。
例如在由于电力系统的事故(例如输电线4中的短路事故)的发生而通过各种传感器检测到绕线感应电机1的二次侧的过电压的情况下，控制装置100使第一短路器12短路，使变频器7停止，并使第二短路器14的短路解除。并且，控制装置100在事故消除后，使变频器7重新启动以使在第一短路器12中流动的电流为零，使第一短路器12的短路解除，并在其一定时间后使第二短路器14短路。
另外，希望电阻器13的电阻值是如下的值，即，保证通过变频器7的重新启动而短路电流从第一短路器12换流到变频器7时的电容器电压低于第一短路器12的动作阈值的值。并且，设想在第一短路器12中流动的电流换流到变频器7时的电流最大值，希望电阻器13的电阻值比用该电流最大值去除变频器7的最大输出电压而获得的值小的值。通过这样设定电阻器13的电阻值，在短路电流从第一短路器12换流到变频器7时，能够将流入到变频器7的电流抑制为最小限。
另外，第二短路器14在电流为零时开放，因此也可以采用低成本的机械式断路器。或者，也可以用没有电流切断能力的隔离开关代替。另外，第二短路器14也可以采用将多个机械式断路器并联连接而成的构成。在使断路器为多个的情况下，即使在通常运转时一个断路器误开放，电流换流到并联的断路器，因此不会产生电弧，能够继续运转或进行安全的停止。
接下来，使用图2的时序图对这样构成的绕线式感应电机1的二次过电压保护装置的动作进行说明。
另外，在以下说明的图2的时序图中，从时刻t1到t2的时间为约10m秒，从t2到t3的时间为约70m秒，从t2到t4的时间为约200m秒。
在图2的时刻t1，在电力系统3或输电线4发生事故而在绕线式感应电机1的一次侧绕线产生不平衡电压时，在其二次侧产生由反相量引起的2f1±sf1的频率的交流电压。为此，变频器7追踪不了与此时的电压对应的控制，绕线感应电机1的二次绕线成为瞬间打开状态，产生过电压。过电压通过变频器7的逆变器6的二极管整流，对直流支撑电容器8充电，电容器电压上升。
通过电容器电压的上升而在时刻t2检测过电压时，控制装置100使斩波器11和第一短路器12工作。另外，实际上，最初，斩波器11动作，然后，如果即使经过一定时间后过电压也未消除，则接下来第一短路器12动作，但在此，为了易于理解整体的动作而简化说明。
由此，第一短路器12对绕线式感应电机1的二次绕线以及变频器7的输出侧进行三相短路。
此时，构成变频器7的全部元件通过栅极锁定而成为停止状态，因此在发生所述事故期间在绕线式感应电机1的二次绕线与第一短路器12之间流动事故电流。在该时间点，逆变器6的输出电流为零，控制装置100使第二短路器14开放。
控制装置100在电力系统3的事故消除后，在时刻t3将第一短路器12的短路解除。但是，第一短路器12由晶闸管构成，因此仅使栅极信号断开(off)无法使电流为零。因此，控制装置100将变频器7与第一短路器12的短路解除信号一起启动，对晶闸管施加逆电压。其结果是，短路电流从第一短路器12通过电阻器13换流至变频器7。
控制装置100在变频器7的电流返回到稳定状态的时刻t5，使第二短路器14短路，复原到通常的运转状态。
根据第一实施方式，在电力系统的事故被消除后对第一短路器12进行短路解除，短路电流通过电阻器13换流至变频器7，因此流入到变频器7的电流降低，抑制直流支撑电压的上升。因此，在换流时，电容器电压不会达到第一短路器12的动作阈值，因此第一短路器12不会重新动作。另外，不会被绕线式感应电机1的二次绕线的时间常数、运转条件所左右，能够以短时间从事故复原。
(第二实施方式)
参照图1、图2及图3对第二实施方式进行说明。另外，对与第一实施方式通用的要素标注同一标号。以下，省略与第一实施方式通用的部分的说明，以不同的部分为中心进行说明。
在第二实施方式中，代替机械式断路器而使用图3所示的半导体断路器来构成前述的第二短路器14。具体而言，用IGBT、GTO等的功率半导体元件和与其反并联连接的二极管来构成半导体断路器。通过与其反串联连接，能够始终流通交流电流。
这样构成时，通过在通常运转时流动到半导体的电流，决定半导体断路器的电流容量及并联数。并且，通过短路电流流动到电阻器13时的电压下降，决定半导体断路器的耐电压以及串联数。另外，也可以考虑半导体断路器发生了故障的情况而增加串并联数。
第二短路器的开放、短路的定时与第一实施方式中说明的相同。
根据第二实施方式，通过使第二短路器为半导体断路器，能够高速进行短路、开放的动作。因此，在短时间内连续发生事故的情况下，也能够以短时间从事故复原。另外，能够缩短电流在电阻器13中流动的期间t3～t5，并且，能够减小电阻器的容量。
如以上详述那样，根据各实施方式，能够通过简单的构成以短时间进行从系统事故的复原。
对本发明的几个实施方式进行了说明，但这些实施方式是作为例子提示的，无意限定发明的范围。这些新的实施方式能够以其他各种方式实施，在不脱离发明的主旨的范围内能够进行各种省略、置换、变更。这些实施方式及其变形包括在发明的范围及主旨中，并且包括在记载于权利要求书的发明及其等同的范围中。

Claims (15)

1.一种过电压保护装置，具备：
第一短路器，被设置在绕线式感应电机的二次侧与用三相交流对所述绕线式感应电机的二次侧进行励磁的变频器之间，并具有使三相交流的相间短路的功能，
所述过电压保护装置的特征在于，具备：
电阻器，按每相连接在所述第一短路器与所述变频器之间；以及
第二短路器，与所述电阻器并联连接，并具有使所述变频器与所述绕线式感应电机的二次侧短路的功能。
2.如权利要求1所述的过电压保护装置，其特征在于，
还具备控制机构，对所述第一短路器、所述第二短路器以及所述变频器进行控制，
相应于事故发生，所述控制机构使所述第一短路器短路，使所述变频器停止，使所述第二短路器的短路解除，
在事故被消除后，所述控制机构使所述变频器重新启动，以使在所述第一短路器中流动的电流为零，使所述第一短路器的短路解除，并在其一定时间后使所述第二短路器短路。
3.如权利要求1所述的过电压保护装置，其特征在于，
所述电阻器的电阻值是比用所述第一短路器的最大短路电流去除所述变频器的最大输出电压而获得的值小的值。
4.如权利要求1或3所述的过电压保护装置，其特征在于，
所述电阻器的电阻值是保证换流时的电容器电压低于所述第一短路器的动作阈值的值，该换流时的电容器电压是短路电流通过所述变频器的重新启动而从所述第一短路器换流到所述变频器时的电容器电压。
5.如权利要求1或2所述的过电压保护装置，其特征在于，
所述第二短路器使用机械式断路器而构成。
6.如权利要求1或2所述的过电压保护装置，其特征在于，
所述第二短路器将多个机械式断路器并联连接而构成。
7.如权利要求1或2所述的过电压保护装置，其特征在于，
所述第二短路器使用半导体断路器而构成。
8.如权利要求1或2所述的过电压保护装置，其特征在于，
所述第二短路器将多个半导体断路器并联连接而构成。
9.一种电流调整电路，其特征在于，具备：
变频器，用三相交流对绕线式感应电机的二次侧进行励磁；
第一短路器，被设置在所述绕线式感应电机的二次侧与所述变频器之间，并具有使三相交流的相间短路的功能；
电阻器，按每相连接在所述第一短路器与所述变频器之间；以及
第二短路器，与所述电阻器并联连接，并具有使所述变频器与所述绕线式感应电机的二次侧短路的功能。
10.如权利要求9所述的电流调整电路，其特征在于，
所述电阻器的电阻值是比用所述第一短路器的最大短路电流去除所述变频器的最大输出电压而获得的值小的值。
11.如权利要求9或10所述的电流调整电路，其特征在于，
所述电阻器的电阻值是保证换流时的电容器电压低于所述第一短路器的动作阈值的值，该换流时的电容器电压是短路电流通过所述变频器的重新启动而从所述第一短路器换流到所述变频器时的电容器电压。
12.如权利要求9所述的电流调整电路，其特征在于，
所述第二短路器使用机械式断路器而构成。
13.如权利要求9或12所述的电流调整电路，其特征在于，
所述第二短路器将多个机械式断路器并联连接而构成。
14.如权利要求9所述的电流调整电路，其特征在于，
所述第二短路器使用半导体断路器而构成。
15.如权利要求9或14所述的电流调整电路，其特征在于，
所述第二短路器将多个半导体断路器并联连接而构成。
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