1 引言
随着大功率电力电子器件不断涌现，大容量传动系统也变得越来越容易实现。acs6000是abb公司基于igct开发的大容量中压传动调速系统，它分为同步机系统(sd)和异步机系统(ad)。acs6000系统关键技术采用直接转矩控制技术（dtc），dtc控制系统是继矢量控制系统之后由abb公司开发应用的一种高动态性能的交流变频调速系统。在该系统传动保护方式上，acs6000基于考虑大容量的高速快熔难于精确制造、精度差、成本高等缺点，采用了无快熔全触发保护方式。这种保护方式对控制系统的快速响应、igct通流能力、以及高压开关快速可靠性都提出了较高的要求。
2 acs6000系统结构
在某厂的实际应用中，直流母线上设有两个整流器和两个逆变器，属于电压源型变频设备，每个逆变器拖动一台电机，见图1。该acs-6000穿动系统采用4.5kv、3.5ka等级igct，整流器进线电压是工频交流3160v，直流母排电压为4840v，负载为两台4600kw同步电机。系统由10kv母线馈线到高压开关后送到两个整流变压器，两个整流变高压侧线圈采用串联形式，整流变二次线圈相互隔离送到两个独立的高功率因数整流器。在设计上，该系统既可以用来单传动也允许多传动，但在同一个直流母线上连接整流单元和逆变单元总数*多不超过6个。
图1 acs6000sd系统结构示意图
变频设备中整流器（aru）和逆变器（inu）的主回路硬件组成上基本是相同的（见图2），唯一的不同就是aru比inu多两块ase防变压器磁饱和板。aru和inu的控制系统主要由主控板（amc）和接口板（int）以及其他检测板构成，由接口板直接将分配好的脉冲送给igct集成的门极驱动板。在控制板结构aru和inu的基本相同，上传相应的软件后控制板都是可以互换的。
图2 aru（inu）主回路电气结构原理图
同步机的传动系统还包括励磁单元（exu），主要包括励磁电源整流桥和过压保护装置（ovp）。励磁给定由每台逆变器的主控板amc给出，通过光纤送给励磁装置的控制板ccb，从而实现整流桥的脉冲控制。过电压保护装置采用bod控制模式，当直流过压时bod装置控制输出脉冲导通bod。
3 acs6000无快熔保护方式的分析
acs6000采用无快熔全触发保护方式，当某一桥臂的脉冲紊乱或igct不能关断导致桥臂直通短路时，故障电流在快速短路保护装置（fscd）中感应出异常电源，给int接口板发出异常光信号。故障单元int板判断接受到的信号异常时，通过int板间的光纤链路，快速让所有int发出全触发脉冲，使所有桥臂的igct脉冲导通，分流故障桥臂的过电流。系统为保证全触发保护的快速性，所有整流和逆变装置的int接口板之间都有专门的光纤链路。全触发保护同时，主逆变器int板发出直流高压开关分闸指令，每台逆变器int发给各自励磁装置电源跳闸指令，避免电源侧和马达侧能量继续流入装置。
3.1 无快熔全触发保护方式优点
一般情况下，快熔保护的速度一般很难保护故障回路受损，在采用快熔设计的系统中通常是考虑避免故障扩大化的目的；同时，大容量系统的高速快熔制造难度较大，交直流回路中并联使用量较多。基于考虑大容量的高速快熔难于精确制造、精度差、使用量大、更换成本高等缺点，abb公司在acs6000系统中采用了无快熔全触发保护方式。全触发保护方式采用触发所有整流逆变桥臂来分流故障桥臂电流的设想，避免了故障桥臂硬件受损。
3.2 无快熔全触发保护方式的原理
全触发保护方式在直通短路故障时，由快速短路保护板（fscd）检测到故障信号，发出脉冲送到int接口板，由int板之间光纤的互相链路控制所有的int板发出全触发脉冲，保护故障桥臂。fscd快速短路保护装置在系统中共设有4个，分别位于直流正负母线整流器侧和逆变器侧直流电抗器上，见图3中（a）。该装置是一个无源装置，它通过igct通断时产生的电流脉动在直流电抗器中产生一定脉动磁场，该磁场在fscd的线圈内产生脉动电源，见图3中（b）。对该感应电源进行半波整流后，控制发光二极管发光时间。正常igct通断导致的fscd发光二极管发光频率与igct导通频率基本一致，发光时间一般不会超过6μs；当桥臂直通故障时，直流电流脉动加大，fscd感应的能量增大，其发光二极管发光时间变长。整流或逆变控制系统接受到fscd发出光信号超过6~10μs时，认为故障发生；同时发生全触发保护脉冲指令，整流和逆变所有桥臂igct导通，分流故障桥臂过电流，保护故障桥臂。
（a）fscd在系统中的位置 （b）fscd装置的结构
图3 fscd快速短路保护装置
3.3 无快熔全触发保护过程分析
当系统发出全触发保护脉冲时，所有桥臂全部直通短路，将进线电源、电容电荷以及马达馈线全部短路。全触发保护的结果就是避免电源能量和马达回馈能量流入桥臂，同时将电容电荷通过导通桥臂释放掉。因此，全触发保护时，在每个桥臂中将流过短路电流，直到高压开关分闸、电容电荷释放结束以及马达回馈能量结束。
（1）电源能量与马达回馈能量短路释放分析
当故障发生时，整流器侧igct在全触发脉冲后全导通，对于整流变压器来说就是二次侧电源发生短路。图4为器件全触发导通时电源能量单相释放回路示意图，ch1、ch2、ch3三根蓝色线代表三条放电回路，但是ch2和ch3都通过一个相同的igct（设短路时l3相为正电流）。对进线故障电流进行测量，波形如图5。图5中三根波形曲线为三相电流波形，测试线圈套在每相的1根电缆上（每相共5根电缆并联），电流传感器变比为1000a:1v。从图5中可以看出相*大电流为4v左右，对应*大电流为i=1000×4×5=20ka；同样计算，该相第二波头峰值为17ka，第三波头峰值为15ka。由于释放回路为两个器件并联，所以通过单个器件的*大电流为10ka。根据igct特性参数，其允许通过工频、不重复的40ka峰值电流10ms（即半波）。根据上述计算的半波峰值电流，按照公式∫i2tdt计算出来的值尽管没有超过额定耐受值，但由于大电流重复出现将器件结温升高，将影响igct器件特性，甚至损伤器件。马达回馈能量释放回路与电源能量释放回路基本相同。
图4 全触发导通时电源能量释放回路
图5 全触发保护动作时进线电流波形
（2）电容电荷短路释放分析
igct全触发导通保护时，电容电荷主要通过整流器和逆变器共12个主回路放电，见图6。理论上，整流器和逆变器中每相结构基本对称，每相电路参数基本相同，因此对于电容电荷放电来说，每相放电波形应该基本相同。在放电回路中，直流回路中设有扼流电抗器，同时考虑回路分布电感和分布电阻，放电波形为逐渐衰减的正弦波形，见图7。
（a）整流器放电回路 （b）逆变器放电回路
图6 电容电荷放电回路
（a）整流器放电波形 （b）逆变器放电波形
图7 电容电荷放电波形
图7为不考虑整流变压器和电机情况下，将电容电荷对整流和逆变回路放电波形。图7中幅值较大的波形为总放电电流，幅值较小的波形为单桥臂中放电电流。很明显可以看出每个桥臂的放电电流大小不同，主要原因为每个igct触发导通时刻略有差已，导通时分散阻抗不同所致。因此，直流母线上所有桥臂的固有电气特性和脉冲的不一致性，将导致不同桥臂承受过电流不同，桥臂上功率器件受影响程度也不同。
4 对无快熔全触发保护方式的探讨
全触发保护方式的实现，从一定程度上避免了故障桥臂的直接损坏及故障扩大，降低了大容量、有快熔系统中故障件成本和更换时间，具有一定优势。但在实际应用中，常出现存在下列问题：
（1）该保护方式对高压开关动作可靠性和跳闸时间要求较高，一旦发生跳闸时间延长将造成全桥臂的损伤；
（2）在全触发短路保护时，整流器进线电流幅值较大，对整流器桥臂器件将造成一定的损伤和劣化；
（3）由于每个桥臂在全触发保护动作时通过电流不同，因此多次保护动作后器件的劣化程度不同。
针对上述问题，解决措施首先要保证高压开关状态，尽量选用开断速度快的断路器，并加强定期检修试验；在设计上，选用合适短路阻抗的整流变压器，降低短路电流对功率器件的冲击；在发生保护动作后，要对故障桥臂进行全面检查，对直流母排上其他桥臂器件状态也要确认。对于多次发生全触发保护的情况，要对所有桥臂进行彻底检查，保证每个功率器件的状态。