1 引言
隨著大功率電力電子器件不斷涌現，大容量傳動系統也變得越來越容易實現。acs6000是abb公司基于igct開發的大容量中壓傳動調速系統，它分為同步機系統(sd)和異步機系統(ad)。acs6000系統關鍵技術采用直接轉矩控制技術（dtc），dtc控制系統是繼矢量控制系統之后由abb公司開發應用的一種高動態性能的交流變頻調速系統。在該系統傳動保護方式上，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，采用了無快熔全觸發保護方式。這種保護方式對控制系統的快速響應、igct通流能力、以及高壓開關快速可靠性都提出了較高的要求。

2 acs6000系統結構
在某廠的實際應用中，直流母線上設有兩個整流器和兩個逆變器，屬于電壓源型變頻設備，每個逆變器拖動一臺電機，見圖1。該acs-6000穿動系統采用4.5kv、3.5ka等級igct，整流器進線電壓是工頻交流3160v，直流母排電壓為4840v，負載為兩臺4600kw同步電機。系統由10kv母線饋線到高壓開關后送到兩個整流變壓器，兩個整流變高壓側線圈采用串聯形式，整流變二次線圈相互隔離送到兩個獨立的高功率因數整流器。在設計上，該系統既可以用來單傳動也允許多傳動，但在同一個直流母線上連接整流單元和逆變單元總數比較多不超過6個。

圖1 acs6000sd系統結構示意圖

變頻設備中整流器（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的控制系統主要由主控板（amc）和接口板（int）以及其他檢測板構成，由接口板直接將分配好的脈沖送給igct集成的門極驅動板。在控制板結構aru和inu的基本相同，上傳相應的軟件后控制板都是可以互換的。

圖2 aru（inu）主回路電氣結構原理圖

同步機的傳動系統還包括勵磁單元（exu），主要包括勵磁電源整流橋和過壓保護裝置（ovp）。勵磁給定由每臺逆變器的主控板amc給出，通過光纖送給勵磁裝置的控制板ccb，從而實現整流橋的脈沖控制。過電壓保護裝置采用bod控制模式，當直流過壓時bod裝置控制輸出脈沖導通bod。

3 acs6000無快熔保護方式的分析
acs6000采用無快熔全觸發保護方式，當某一橋臂的脈沖紊亂或igct不能關斷導致橋臂直通短路時，故障電流在快速短路保護裝置（fscd）中感應出異常電源，給int接口板發出異常光信號。故障單元int板判斷接受到的信號異常時，通過int板間的光纖鏈路，快速讓所有int發出全觸發脈沖，使所有橋臂的igct脈沖導通，分流故障橋臂的過電流。系統為保證全觸發保護的快速性，所有整流和逆變裝置的int接口板之間都有專門的光纖鏈路。全觸發保護同時，主逆變器int板發出直流高壓開關分閘指令，每臺逆變器int發給各自勵磁裝置電源跳閘指令，避免電源側和馬達側能量繼續流入裝置。
3.1 無快熔全觸發保護方式優點
一般情況下，快熔保護的速度一般很難保護故障回路受損，在采用快熔設計的系統中通常是考慮避免故障擴大化的目的；同時，大容量系統的高速快熔制造難度較大，交直流回路中并聯使用量較多。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，abb公司在acs6000系統中采用了無快熔全觸發保護方式。全觸發保護方式采用觸發所有整流逆變橋臂來分流故障橋臂電流的設想，避免了故障橋臂硬件受損。
3.2 無快熔全觸發保護方式的原理
全觸發保護方式在直通短路故障時，由快速短路保護板（fscd）檢測到故障信號，發出脈沖送到int接口板，由int板之間光纖的互相鏈路控制所有的int板發出全觸發脈沖，保護故障橋臂。fscd快速短路保護裝置在系統中共設有4個，分別位于直流正負母線整流器側和逆變器側直流電抗器上，見圖3中（a）。該裝置是一個無源裝置，它通過igct通斷時產生的電流脈動在直流電抗器中產生一定脈動磁場，該磁場在fscd的線圈內產生脈動電源，見圖3中（b）。對該感應電源進行半波整流后，控制發光二極管發光時間。正常igct通斷導致的fscd發光二極管發光頻率與igct導通頻率基本一致，發光時間一般不會超過6μs；當橋臂直通故障時，直流電流脈動加大，fscd感應的能量增大，其發光二極管發光時間變長。整流或逆變控制系統接受到fscd發出光信號超過6~10μs時，認為故障發生；同時發生全觸發保護脈沖指令，整流和逆變所有橋臂igct導通，分流故障橋臂過電流，保護故障橋臂。

（a）fscd在系統中的位置 （b）fscd裝置的結構
圖3 fscd快速短路保護裝置

3.3 無快熔全觸發保護過程分析
當系統發出全觸發保護脈沖時，所有橋臂全部直通短路，將進線電源、電容電荷以及馬達饋線全部短路。全觸發保護的結果就是避免電源能量和馬達回饋能量流入橋臂，同時將電容電荷通過導通橋臂釋放掉。因此，全觸發保護時，在每個橋臂中將流過短路電流，直到高壓開關分閘、電容電荷釋放結束以及馬達回饋能量結束。
（1）電源能量與馬達回饋能量短路釋放分析
當故障發生時，整流器側igct在全觸發脈沖后全導通，對于整流變壓器來說就是二次側電源發生短路。圖4為器件全觸發導通時電源能量單相釋放回路示意圖，ch1、ch2、ch3三根藍色線代表三條放電回路，但是ch2和ch3都通過一個相同的igct（設短路時l3相為正電流）。對進線故障電流進行測量，波形如圖5。圖5中三根波形曲線為三相電流波形，測試線圈套在每相的1根電纜上（每相共5根電纜并聯），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，對應比較大電流為i=1000×4×5=20ka；同樣計算，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器件并聯，所以通過單個器件的比較大電流為10ka。根據igct特性參數，其允許通過工頻、不重復的40ka峰值電流10ms（即半波）。根據上述計算的半波峰值電流，按照公式∫i2tdt計算出來的值盡管沒有超過額定耐受值，但由于大電流重復出現將器件結溫升高，將影響igct器件特性，甚至損傷器件。馬達回饋能量釋放回路與電源能量釋放回路基本相同。

圖4 全觸發導通時電源能量釋放回路

圖5 全觸發保護動作時進線電流波形

（2）電容電荷短路釋放分析
igct全觸發導通保護時，電容電荷主要通過整流器和逆變器共12個主回路放電，見圖6。理論上，整流器和逆變器中每相結構基本對稱，每相電路參數基本相同，因此對于電容電荷放電來說，每相放電波形應該基本相同。在放電回路中，直流回路中設有扼流電抗器，同時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情況下，將電容電荷對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橋臂的放電電流大小不同，主要原因為每個igct觸發導通時刻略有差已，導通時分散阻抗不同所致。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，將導致不同橋臂承受過電流不同，橋臂上功率器件受影響程度也不同。

4 對無快熔全觸發保護方式的探討
全觸發保護方式的實現，從一定程度上避免了故障橋臂的直接損壞及故障擴大，降低了大容量、有快熔系統中故障件成本和更換時間，具有一定優勢。但在實際應用中，常出現存在下列問題：
（1）該保護方式對高壓開關動作可靠性和跳閘時間要求較高，一旦發生跳閘時間延長將造成全橋臂的損傷；
（2）在全觸發短路保護時，整流器進線電流幅值較大，對整流器橋臂器件將造成一定的損傷和劣化；
（3）由于每個橋臂在全觸發保護動作時通過電流不同，因此多次保護動作后器件的劣化程度不同。
針對上述問題，解決措施首先要保證高壓開關狀態，盡量選用開斷速度快的斷路器，并加強定期檢修試驗；在設計上，選用合適短路阻抗的整流變壓器，降低短路電流對功率器件的沖擊；在發生保護動作后，要對故障橋臂進行全面檢查，對直流母排上其他橋臂器件狀態也要確認。對于多次發生全觸發保護的情況，要對所有橋臂進行徹底檢查，保證每個功率器件的狀態。