本發(fā)明涉及的是可控硅變流器的保護(hù)電路，這類可控硅變流器的單元橋臂是由一組互相串聯(lián)連接的可控硅元件構(gòu)成的。

高壓可控硅變流器用于各種應(yīng)用場合，例如：直流輸電系統(tǒng)以及無功功率補(bǔ)償裝置。這類變流器通過采用許多可控硅元件的串聯(lián)連接方式或串聯(lián)-并聯(lián)混合連接方式來達(dá)到額定值。因此，這類可控硅變流器的一個技術(shù)問題就是：在此可控硅元件組導(dǎo)通和關(guān)斷的時刻，如何使其中每個獨立的可控硅元件承受相同的電壓和電流強(qiáng)度。為此而采取了許多措施。在這些重要的技術(shù)問題中，有一個問題是在關(guān)斷時刻，由于部分關(guān)斷而引起的過壓問題（即電壓只由一部分處于關(guān)斷狀態(tài)的串聯(lián)連接的可控硅元件所承受）。更詳細(xì)地說，當(dāng)要使許多可控硅元件關(guān)斷時，就要在這些相應(yīng)的可控硅元件上加上一個反向電壓，并且這個反向電壓還要能夠維持足夠長的時間間隔，才能使所有這些可控硅元件承受而后所加的正向電壓。如果反向電壓維持的時間間隔不夠長，在正向電壓加到這些可控硅元件上時，就只有部分可控硅元件能夠承受這一正向電壓，而其余的可控硅元件則不能恢復(fù)正向阻斷能力，即不能恢復(fù)承受正向電壓的特性，結(jié)果是它們?nèi)匀惶幱趯?dǎo)通狀態(tài)，這一現(xiàn)象就是所謂的部分關(guān)斷現(xiàn)象。當(dāng)部分關(guān)斷現(xiàn)象發(fā)生時，橋臂的全部電壓就加到那部分已經(jīng)恢復(fù)正向阻斷能力的可控硅元件上。因此，當(dāng)加到相應(yīng)的可控硅元件上的電壓近似等于或高于相應(yīng)的可控硅元件的額定電壓值時，在沒有任何觸發(fā)脈沖的情況下，就會使這部分可控硅元件擊穿導(dǎo)通，從而使可控硅元件本身或變流器遭到損壞。先有技術(shù)中采取的保護(hù)措施是：當(dāng)導(dǎo)通后的反向電壓時間間隔（裕度角）△t小于某一預(yù)定值（設(shè)定時間ts）時，為了避免過電壓加到其中一部分可控硅元件上，就向全部可控硅元件強(qiáng)制發(fā)出觸發(fā)指令（強(qiáng)制觸發(fā)），以便對它們實現(xiàn)同時觸發(fā)。用以與之比較從而確定反向電壓時間間隔（裕度角）△t是否足夠長的時間預(yù)定值，與可控硅元件的關(guān)斷時間tf有關(guān)。另一方面，由于此關(guān)斷時間tf受到以下因素影響：可控硅元件的結(jié)溫，在反向電壓時間間隔之前可控硅元件的電流衰減率，可控硅元件的正向電壓增長率，加在可控硅元件上的正向電壓值等等，因此通?？紤]最差工作條件，即取最大值作為關(guān)斷時間tf。

預(yù)先準(zhǔn)備好保護(hù)觸發(fā)指令信號，在反相電壓時間間隔△t小于設(shè)定時間ts的情況下，向所有的可控硅元件發(fā)出此信號，強(qiáng)制對其觸發(fā)。在這種情況下，由于變流器作為逆變器工作，所以從整個系統(tǒng)的觀點來看，可以說，強(qiáng)制觸發(fā)迫使變流器發(fā)生換相失敗。因此對系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響。也就是說，采用強(qiáng)制觸發(fā)的可控硅保護(hù)措施對整個系統(tǒng)來說，不是非常理想的方案。

通常根據(jù)處于最差工作條件下的可控硅關(guān)斷時間tf（約為400us）來確定設(shè)定時間ts。即在考慮到由于電壓不平衡以及設(shè)定的裕度等因素而引起的相位差的情況下，以關(guān)斷時間tf的最大值為基礎(chǔ)，可以確定設(shè)定時間約為600至800us（在頻率為50Hz的情況下，為10.8至14.4度電角度）。在這方面，當(dāng)直流電流及其衰減率不大時，即當(dāng)換相條件不太惡劣時，關(guān)斷時間tf約為200至300us。

上述先有技術(shù)存在以下缺點：

（1）由于根據(jù)最差工作條件來確定反相電壓設(shè)定時間ts，所以即使在不需要采取強(qiáng)制觸發(fā)保護(hù)措施的情況下，例如，當(dāng)結(jié)溫比較低或可控硅元件電流衰減率比較小時，也會對可控硅元件進(jìn)行強(qiáng)制觸發(fā)，從而使變流器發(fā)生換相失敗，導(dǎo)致對系統(tǒng)的擾亂。

（2）由于反向電壓設(shè)定時間ts通常比較大;即為600至800us（在頻率為50Hz的情況下，電角度為10.8至14.4度），而在逆變器中，通常是由把控制超前角設(shè)定為大于反向電壓設(shè)定時間ts的值來完成對控制超前角γ的恒定控制。例如，為了防止頻繁發(fā)出保護(hù)性選通信號，在頻率為50Hz的情況下，使其控制超前角為15至17電角度。如此之大的控制超前角將增加變流器的無功功率，以致此無功功率大于此系統(tǒng)所必須的無功功率。

（3）因為通常是根據(jù)考慮到起動沖擊電壓的沖擊實驗電壓（此沖擊實驗電壓＝（1.5-2.0）×正常工作電壓峰值），而不是正常工作電壓，來確定串聯(lián)連接的可控硅元件的數(shù)目，所以即使是在發(fā)生部分關(guān)斷現(xiàn)象的情況下，只有50%至70%（（1/2.0-1/1.5）×100%）以上的可控硅元件恢復(fù)了正向阻斷能力，變流器就足以承受正常工作電壓。因此，當(dāng)至少有50%以上的可控硅元件恢復(fù)正向阻斷能力時，就應(yīng)該避免發(fā)生對系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響的保護(hù)選通脈沖信號，即避免發(fā)生換相失敗。不僅如此，由于先有技術(shù)針對部分關(guān)斷而采取的保護(hù)措施設(shè)置了不必要的裕度角，所以在某種定義上，這一保護(hù)措施是預(yù)防性的保護(hù)措施，由于發(fā)出的保護(hù)選通信號經(jīng)常比所需要的要多，以致系統(tǒng)發(fā)生不必要的多次換相失敗，這一點更加重了這種保護(hù)措施的嚴(yán)重缺點。

如上所述為先有技術(shù)中廣泛采用的針對部分關(guān)斷的過壓保護(hù)系統(tǒng)，專利號為1865/77的日本專利披露了另一種系統(tǒng)。在這種系統(tǒng)中，提供了正向電壓檢測電路，將所有可控硅元件中每一個可控硅元件兩端的正向電壓都以模擬量的方式量測出來，再求出此檢測電路輸出的兩組相應(yīng)的正向電壓信號之間的電壓差。然后，將此電壓差信號與一參考電壓相比較，此參考電壓與可控硅元件的允許正向電壓（耐壓）相對應(yīng)。當(dāng)電壓差信號大于參考電壓時，可以斷定發(fā)生了部分關(guān)斷現(xiàn)象。以此判斷為根據(jù)，產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，然后經(jīng)脈沖形成電路輸出，做為保護(hù)選通指令信號。

在采用這種保護(hù)系統(tǒng)的情況下，只有確定發(fā)生部分換相失敗現(xiàn)象象，并由系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)這一事實后，才實施保護(hù)性的同時觸發(fā)操作。因此，與首先談及的系統(tǒng)相比，這種系統(tǒng)在很大程度上減少了不必要的同時觸發(fā)操作，從而使之可能在某種程度上減輕對系統(tǒng)的不利影響。然而這種系統(tǒng)仍然存在以下缺點：

（1）考慮兩個相比較的正向電壓信號，盡量選出相應(yīng)具有最大和最小儲存載流子Qmax和Qmin的可控硅元件。然而，這些Qmax和Qmin元件，不能在所有的工作條件下，都能相應(yīng)地具有最大值和最小值，這就增加了不能對可控硅元件進(jìn)行保護(hù)的可能性。即，即使是發(fā)生了部分關(guān)斷現(xiàn)象，也會出現(xiàn)不能發(fā)現(xiàn)該部分關(guān)斷現(xiàn)象的情況。

（2）由于是對兩個正向電壓信號（模擬量信號）的差與參考電壓進(jìn)行比較，其中兩個正向電壓信號的差與該可控硅元件兩端的正向電壓相對應(yīng)，而參考電壓與接近于可控硅元件耐壓的某一電壓值相對應(yīng)，所以在做出判斷與同時觸發(fā)之間就不存在時間間隔，這就導(dǎo)致發(fā)生不能對可控硅元件進(jìn)行保護(hù)的可能性。即，各種部分關(guān)斷狀態(tài)都是可能發(fā)生的。已經(jīng)恢復(fù)正向阻斷能力元件的電壓和電壓變化率的變化幅度很大，取決于未能恢復(fù)正向阻斷能力的元件數(shù)目。因此，可以假想：在同時觸發(fā)脈沖加在可控硅元件上的時候，加到可控硅元件兩端的電壓已超過允許值。

（3）與部分關(guān)斷不同，部分導(dǎo)通不是由那些具有最大儲存載流子的可控硅元件引起的，即不是因為反向電壓時間間隔過小而引起的。換句話說，即使是在具有相同儲存載流子的可控硅元件當(dāng)中，那些具有較短關(guān)斷時間tf的可控硅元件也很可能產(chǎn)生部分導(dǎo)通。

所以，即使是采用后一種先有技術(shù)，，在部分關(guān)斷現(xiàn)象發(fā)生時，也不能實現(xiàn)可靠而安全的保護(hù)措施。

本發(fā)明的目的是為可控硅變流器提供一種保護(hù)電路，采用這種保護(hù)電路，可以克服上述系統(tǒng)的缺點，可以盡可能地防止發(fā)生由于不必要的同時觸發(fā)火而引起的換相失敗，并且當(dāng)發(fā)生部分關(guān)斷現(xiàn)象時，能可靠地對可控硅元件進(jìn)行保護(hù)。

根據(jù)本發(fā)明，各種目的都是通過以下方式實現(xiàn)的：以數(shù)字形式檢測所有可控硅元件兩端相應(yīng)的正向電壓的存在/不存在，被檢測的正向電壓的值與允許電壓相比是足夠低的，根據(jù)表示存在/不存在的檢測信號的個數(shù)，來判斷是否出現(xiàn)了部分關(guān)斷，再以此判斷為根據(jù)，確定采取相應(yīng)的同時觸發(fā)保護(hù)措施。

圖1是說明本發(fā)明第一個實施例中所采用的保護(hù)電路的框圖;

圖2是用于解釋圖1所示保護(hù)電路工作的時序圖;

圖3是用于解釋本發(fā)明另一實施例所采用的保護(hù)電路工作的時序圖;

圖4是本發(fā)明又一實施例所采用的保護(hù)電路中，可控硅單元的接線圖。

圖1所示為本發(fā)明的一個實施例，在此實施例中，變流器的一個橋臂是由一組串聯(lián)連接的可控硅元件11至1N構(gòu)成的。為了抑制可控硅元件中電流或電壓的增長率，在此橋臂中串聯(lián)連接了一個電抗器2。為了在這一組可控硅元件承受加在其兩端的電壓時，每一個可控硅元件都承受大小相同的電壓值，這組可控硅元件11至1N分別與分壓電路31至3N并聯(lián)連接。在將由可控硅元件11至1N構(gòu)成的變流器橋臂劃分為相應(yīng)的單元時，為每個單元配置了相應(yīng)的正向電壓檢測電路41，42，…4N，在每個這樣的檢測電路中，都有一個高阻值電阻401，一個與電阻401串聯(lián)連接的發(fā)光元件402，以及一個與發(fā)光元件402反相并聯(lián)連接的二極管403。每個檢測電路的檢測電平最好處于一個不會產(chǎn)生不必要動作的范圍內(nèi)的低限。例如，此檢測電平被穩(wěn)定為只占工作電壓峰值的很小的百分比。正向電壓檢測電路的輸出信號，即發(fā)光元件402的光輸出信號，經(jīng)過相應(yīng)的光傳導(dǎo)器件71至7N送到低電壓側(cè)，然后由相應(yīng)的光接收元件81至8N和信號轉(zhuǎn)換電路91至9N轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制電信號P1至PN。經(jīng)轉(zhuǎn)換而得到的這N個正向電壓信號P1至PN接著被送到“與”門55和“或”門56?！芭c”門55的輸出信號Ca經(jīng)過反相器57做為輸入信號，送到“與”門58的第一個輸入端?！盎颉遍T56的輸出信號CO經(jīng)過延時電路59后輸出信號d，該信號d2送至“與”門58的第二個輸入端?！盎颉遍T56的輸出信號CO也輸入到“與”門60的第一個輸入端。導(dǎo)通指令信號b送到“與”門60的第二個輸入端，此導(dǎo)通指令信號b通過反相器61送到“與”門62的第一個輸入端。“與”門62的第二個輸入端，接的是“與”門58送來的輸出信號e?！芭c”門62和60的相應(yīng)的輸出信號f和g通過“或”門63送入單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器64，此單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器輸出一個脈沖寬度為tp，而且足以對可控硅元件進(jìn)行觸發(fā)的選通指令信號h。

根據(jù)圖1所示電路，通過“與”門55得到的全部可控硅元件正向電壓信號的“與”輸出Ca，與通過“或”門56得到的全部可控硅元件正向電壓信號的“或”輸出CO進(jìn)行邏輯比較，以判斷部分關(guān)斷現(xiàn)象存在與否。因此，當(dāng)判斷結(jié)果表明存在部分關(guān)斷現(xiàn)象時，就產(chǎn)生上述保護(hù)選通指令信號f。即，根據(jù)圖1的線路結(jié)構(gòu)，在沒有發(fā)生部分關(guān)斷的情況下，當(dāng)正向電壓加到變流器橋臂兩端時（t＝t2′），可以大體上同時地檢測到正向電壓的“或”信號Co和正向電壓的“與”信號Ca。相反，在發(fā)生部分關(guān)斷現(xiàn)象的情況下，當(dāng)正向電壓加到變流器橋臂兩端時（t＝t2′），由于恢復(fù)正向阻斷能力的可控硅元件分擔(dān)了加在橋臂兩端的電壓，所以可以檢測到正向電壓的“或”信號Co。而由于存在部分可控硅元件沒有恢復(fù)正向阻斷能力，因而不能檢測到正向電壓的“與”信號Ca。正是根據(jù)這一事實，來發(fā)現(xiàn)部分關(guān)斷現(xiàn)象。這就是圖1所示的線路原理。

現(xiàn)在參考圖2所示的時序圖，對圖1所示線路的工作情況加以詳細(xì)描述。

圖2a所示的情況為：在電流截斷后，反向電壓時間間隔（裕度角△t＝t2-t1）相對于可控硅元件的關(guān)斷時間tf來說是足夠長的，因此沒有發(fā)生部分關(guān)斷現(xiàn)象。圖2b所示的情況為反向電壓時間間隔（△t＝t2′-t1′）小于關(guān)斷時間tf，因此發(fā)生了部分關(guān)斷現(xiàn)象。在圖2a中，可控硅元件在t＝t1時刻開始關(guān)斷，反向電壓加到可控硅元件兩端。由于反向電壓的時間間隔足夠長，一直延續(xù)到t＝t2時刻，所以沒有發(fā)生部分關(guān)斷現(xiàn)象。在t＝t2時刻，正向電壓的“或”信號和正向電壓的“與”信號都有輸出。由于信號d相對于正向電壓“或”信號Co要延遲一段時間td，并且它和“與”信號Ca的反相信號一起做為“與”門58的輸入，因此門58的輸出信號e為邏輯“0”，而“與”門62的輸出信號f也為“0”。即，由于這時沒有發(fā)生部分關(guān)斷現(xiàn)象，所以不產(chǎn)生保護(hù)選通指令信號。相反，在圖2b所示的情況中，由于從t1′到t2′的反向電壓時間間隔比較短，所以發(fā)生了部分關(guān)斷現(xiàn)象。因此，在t＝t2′時刻，當(dāng)正向電壓加到此變流器橋臂兩端時，正向電壓的“或”信號Co變?yōu)檫壿嫛?”，而正向電壓的“與”信號Ca保持為“0”。因此，延時電路59的輸出d和正向電壓“與”信號Ca的反相信號相“與”的結(jié)果在t＝t2′+td這段時間內(nèi)保持為0，此后，輸出信號e，選通指令信號f變?yōu)椤?”。即，在t＝t2′+td時刻，產(chǎn)生保護(hù)選通指令信號，并將此信號同時送往所有的可控硅元件。因此，在發(fā)生部分關(guān)斷期間，針對可控硅元件的過壓情況，對可控硅元件進(jìn)行了快速保護(hù)。在這種情況下，由于正向電壓的檢測電平足夠低，因此有可能在正向電壓接近為0的情況下，對部分關(guān)斷現(xiàn)象的存在與否進(jìn)行判斷。尤其是，當(dāng)對全部可控硅元件實行同時觸發(fā)時，加到這些可控硅元件兩端的電壓還是非常低，所以能夠?qū)崿F(xiàn)對這些可控硅元件進(jìn)行妥善的保護(hù)。為了避免由相應(yīng)的正向電壓檢測電路工作誤差而引起的不必要的動作，設(shè)置了延時電路59的延遲時間td。盡管此延遲時間td取決于正向電壓檢測電路的調(diào)整情況，但通常需要將其大約為10至100us。

在用x/n邏輯擇多判定線路65來代替圖1中的“與”門55的情況下，當(dāng)n個可控硅元件中的x個或更多個元件的正向電壓檢測信號為“1”時，此x/n邏輯擇多判定線路的輸出就為“1”。經(jīng)過這一改進(jìn)，即使是在不是全部n個可控硅元件恢復(fù)正向阻斷能力的情況下，如果有x個或更多個可控硅元件恢復(fù)正向阻斷能力，而只有（n-x）或更少的可控硅元件未恢復(fù)正向阻斷能力時，就將保護(hù)選通指令信號鎖住。即做如下假定：如果有x個或更多個可控硅元件恢復(fù)了正向阻斷能力，那么這些可控硅元件足以承受穩(wěn)態(tài)變流器橋臂電壓。在這種情況下，即使發(fā)生了部分關(guān)斷現(xiàn)象，也沒有必要對變流器橋臂實行強(qiáng)制觸發(fā)，從而避免了發(fā)生換相失敗的可能性。根據(jù)上述原理，采取了將保護(hù)選通指令信號鎖住的方案。在這種情況下，根據(jù)恢復(fù)正向阻斷能力后足以聯(lián)合承受變流器橋臂電壓的可控硅元件的數(shù)目來確定x，所以通常為總數(shù)n的50%或更多。例如，當(dāng)選定x為n的50%，與第一個實施例（相當(dāng)于x＝n＝100%）相比，可以大大減少保護(hù)選通指令信號的發(fā)生頻率。假設(shè)n＝3，x＝2，在圖3a所示的情況下（相當(dāng)于圖2a的情況），在t＝t2時刻，如果三個正向電壓檢測信號中有兩個顯示為“1”，則不發(fā)出保護(hù)選通指令信號。然而，在圖3b所示的情況中（相當(dāng)于圖2b的情況），在t＝t2′時刻，由于所有三個正向電壓檢測信號中只有一個為“1”，于是就在t＝t2′+td時刻，發(fā)出保護(hù)選通指令信號。

可以看出：在實施例1和2中，為每個可控硅元件配置了一個正向電壓檢測電路，本發(fā)明不限于這一種實現(xiàn)方法。除此而外，可以采用這樣一種方案：例如每個橋臂中包括2至10個串聯(lián)連接的可控硅元件，而為每個單元配置一個正向電壓檢測電路。圖4所表示的是：為由一對可控硅元件11，12;13，14;……分別構(gòu)成的單元相應(yīng)地配置正向電壓檢測電路41，42，……。在這個實施例中，也裝有與第一個和第二個實施例中類似的邏輯電路，由此得到與上述兩個方案類似的工作結(jié)果。在這一方面，可以認(rèn)為：圖1所示的那種情況，就是由一個單一的可控硅元件來構(gòu)成一個單元。

此外，在上述實施例中，僅僅描述了變流器中正常換相期間反向電壓之后的一個正向電壓，但一般不能認(rèn)為，部分關(guān)斷必須只在正常換相期間發(fā)生。還有其它發(fā)生部分關(guān)斷的情況，例如，當(dāng)旁路對操作轉(zhuǎn)換到正常操作時，或該導(dǎo)通的可控硅元件在控制極斷路后不能導(dǎo)通等，都會發(fā)生部分關(guān)斷。從以上描述中，可以清楚地看到：本發(fā)明也可以用于換相期間已外所發(fā)生的部分關(guān)斷現(xiàn)象。在上述的實施例中，采用正向電壓的“或”信號做為時間基準(zhǔn)信號，也可以采用其它的等效信號來代替它。例如，當(dāng)反向電壓向正向電壓轉(zhuǎn)換時產(chǎn)生的零點電壓信號或者是反向電壓衰減時產(chǎn)生的信號均可采用。然而，在這種情況下，必須精確校正參考信號以及實際檢測正向電壓所需要的時間。

在上述這三個實施例中，所談及的每個可控硅元件都可以用一組并聯(lián)連接的可控硅元件來代替。

根據(jù)本發(fā)明，可以發(fā)現(xiàn)部分關(guān)斷現(xiàn)象，并以此為根據(jù)產(chǎn)生保護(hù)選通指令信號。因此，在某種意義上，與傳統(tǒng)的取決于反向電壓時間間隔的預(yù)防措施相比，本發(fā)明只有在可控硅元件真正處于危險狀態(tài)時，才對其進(jìn)行妥善保護(hù)。即，當(dāng)沒有發(fā)生部分關(guān)斷現(xiàn)象時;或即使是發(fā)生了部分關(guān)斷現(xiàn)象，但沒有危險時，就沒有必要發(fā)出保護(hù)選通指令信號。本發(fā)明可以抑制這類不必要信號的發(fā)生，及抑制不必要的換相失敗的發(fā)生頻率。此外，在傳統(tǒng)的控制超前角r的恒值控制中，控制超前角r的值大于一個設(shè)定的反向電壓（裕度角）值，這一設(shè)定的反向電壓值是根據(jù)在換相條件惡劣的情況下，可控硅元件的關(guān)斷時間確定的，換相條件惡劣的情況可以舉例為：直流電流比較大或電流衰減率比較高等;根據(jù)本發(fā)明，控制超前角r可以減小，它取決于在這種換相條件下發(fā)生部分關(guān)斷現(xiàn)象的極限值。因此可以降低用于變流器的無功功率。此外，根據(jù)本發(fā)明，可以保證在檢測到部分關(guān)斷現(xiàn)象并進(jìn)行同時觸發(fā)時，可控硅兩端的電壓仍足夠低，從而實現(xiàn)對可控硅元件的妥善保護(hù)。