IGCT短路故障及主回路运行状态监测方法及监测电路与流程

igct短路故障及主回路运行状态监测方法及监测电路
技术领域
1.本发明属于igct故障检测领域，尤其是一种igct短路故障及主回路运行状态监测方法及监测电路。


背景技术：

2.轧机主传动系统电力电子设备具有容量大、过载能力强、动态响应快等特点，是冶金生产的核心装备。基于igct的大功率变流装置在轧机主传动系统中的应用越来越多。在igct变流器的设计中，其缓冲吸收回路的设计、短路故障的检测与保护，一直是变流器设计开发的热点和难点，目前市面上的igct变流器产品对于缓冲回路异常状态均缺少检测手段。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种igct短路故障及主回路运行状态监测方法及监测电路，能够及时发现故障及故障隐患并提示处理，减少设备非正常停机给客户造成损失，同时可较为准确给出异常元件的位置，减少故障排查时间。
4.本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
5.一种igct短路故障及主回路运行状态监测方法，包括以下步骤：
6.步骤1、电压采集板实时采集缓冲吸收回路电压u
an
和u
bn
数据波形，并根据igct的通断状态分别处理，若igct开通则进行步骤2，否则进行步骤3；
7.步骤2、在igct开通时，检测电压u
an
和u
bn
数据波形中u
an
和u
bn
到零的时间，并根据u
an
和u
bn
到零的时间判断是否发生短路直通故障；
8.步骤3、在igct关断时，截取u
an
和u
bn
数据波形中触发关断信号40us内u
an
和u
bn
波形数据，并提取峰值电压和峰值时间作为特征值，送入控制板卡中的数值拟合观测器，计算得到当前缓冲吸收回路r值和c值的估计值；将r值和c值的估计值与保存的缓冲吸收回路r值和c值的初始值进行比较，判断缓冲吸收回路运行状态。
9.而且，所述步骤2判断是否发生短路直通故障的方法为：
10.当负载电流i
l
》0，且开关状态变为v3关断、v1导通时，检测u
an
≈0的时间，若超过阈值认为发生直通故障；
11.当负载电流i
l
《0，且开关状态变为v2关断、v4导通时，检测u
bn
≈0的时间，若超过阈值认为发生直通故障。
12.而且，所述步骤3包括以下步骤：
13.步骤3.1、计数器置0；
14.步骤3.2、产生关断信号；
15.步骤3.3、电压采集板连续采集u
an
和u
bn
数据波形；
16.步骤3.4、判断持续时间是否超过40us，若超过40us，则进行步骤3.5，否则返回步骤3.3；
17.步骤3.5、找出u
an
或u
bn
数据的最大值v
dm
以及其对应的时间位置t
dm
；
18.步骤3.6、将步骤3.5得到的v
dm
和t
dm
的实际值输入控制板卡中的数值拟合观测器，计算得到缓冲吸收回路r值和c值的估计值，将缓冲吸收回路r值和c值的估计值与缓冲吸收回路设置的r值和c值的初始值进行比较，若在初始值的范围内，则进行步骤3.7，否则进行步骤3.8；
19.步骤3.7、计数器清零，判断缓冲吸收回路运行正常同时本次监控结束；
20.步骤3.8、判断缓冲吸收回路运行异常，同时计数器数值 1；判断计数器数值是否大于等于3，若计数器数值大于等于3，则进行步骤3.9，否则返回步骤3.2；
21.步骤3.9、连续三次超出缓冲吸收回路设置的r值和c值的初始值范围，申请正常停机或报警，同时本次监控结束。
22.一种igct短路故障及主回路运行状态监测电路，包括电压采集板卡、控制板卡，所述电压采集板卡与缓冲吸收回路相连接，采集缓冲吸收回路的正半组直流电压u
an
和负半组直流电压u
bn
并输入至控制板卡，所述控制板卡监测igct短路故障及主回路运行状态。
23.而且，所述控制板卡内部包括数值拟合观测器，该数值拟合观测器包括依次连接的数值归一化模块、非线性拟合模块、线性拟合模块和数值反归一化模块，该数值归一化模块输入端与电压采集板块相连接，该数值反归一化模块输出缓冲吸收回路r值和c值的估计值。
24.而且，所述数值归一化模块的具体结构为依次连接的u c1模块，k1模块和u-1模块，非线性拟合模块的具体结构为相加的w1模块和b1模块输入至双曲线函数模块，线性拟合模块的具体结构为w1模块和b1模块输入至直线函数模块，数值反归一化模块的具体结构为依次连接的u c2模块，k2模块和u 1模块，其中c1和k1是数值归一化系数矩阵，w1和b1是非线性拟合系数矩阵，w2和b2是线性拟合系数矩阵，c2和k2是数值反归一化系数矩阵，c1、k1、w1、b1、w2、b2、c2和k2通过神经网络输入输入数据和目标数据训练得到。
25.而且，所述输入数据和输出数据的关系为：
[0026][0027][0028]
q＝arctan(2rc*w)
[0029][0030][0031]
其中，w为中间计算变量，l为缓冲吸收回路电感，c为缓冲吸收回路电容，r为缓冲吸收回路电阻，o为中间计算变量，q为中间计算变量，i
l
为负载电流，v
dm
为峰值电压、t
dm
为峰值时间。
[0032]
本发明的优点和积极效果是：
[0033]
1、本发明将监测电路接入缓冲吸收回路中电抗器与igct的公共点与直流母线电源中点之间，记录电压u
an
和u
bn
数据波形，根据u
an
和u
bn
数据波形得到峰值电压与峰值时间作
为特征值，即电压最大值v
dm
和最大值发生时刻t
dm
，送入数值拟合观测器得到当前主回路参数rc的估计值，将此估计值与rc实际初始值比较，判断缓冲吸收回路是否处于正常状态，若因器件老化、虚焊、发热等异常原因导致参数变化时，给出报警提示。本发明可实时监控缓冲吸收回路运行状态，当缓冲吸收回路中电容老化导致容值下降，或电阻阻值因长期运行或烧损而明显发生变化时，能够及时发现并给出提示，减少设备非正常停机给客户造成损失，同时可较为准确地给出异常元件的位置，减少客户排查问题所需的时间。
[0034]
2、本发明的监测电路检测电感与igct公共点与与直流母线电源中点的电压u
an
和u
bn
数据波形，可同时检测换流时间，当u
an
和u
bn
为零的时间超出正常换流时间1.5倍，大约6～10us左右，认定装置发生短路直通故障。本发明的保护动作时间在10us以内，可及时可靠地触发保护动作。
附图说明
[0035]
图1为现有igct功率回路，包括缓冲吸收回路原理图；
[0036]
图2为本发明监测电路连接示意图；
[0037]
图3为本发明采样电压波形示意图；
[0038]
图4为本发明的判定流程图；
[0039]
图5为本发明数值拟合观测器原理图。
具体实施方式
[0040]
以下结合附图对本发明做进一步详述。
[0041]
本发明提出一种igct短路故障及主回路运行状态监测电路，是针对现有的功率主回路及缓冲吸收回路进行igct短路故障及主回路运行状态监测。如图1所示，该缓冲吸收回路包括电感l1、电感l2、电阻r1、电阻r2、电容c1、电容c2、二极管d1、二极管d2、二极管d3、二极管d4、二极管d5、二极管d6、二极管d7、二极管d8、开关管v1、开关管v2、开关管v3和开关管v4，所述电感l1的一端连接主回路的交流电源正极，电感l1的另一端连接分别连接二极管d7的正极、开关管v1集电极和二极管d1的负极，二极管d7的负极串联电容c1、电容c2和二极管d8的正极，二极管d8的负极分别连接电感l2的一端、开关管v4的发射极和二极管d4的正极，电感l2的另一端连接主回路的交流电源负极，电阻r1并联在电感l1和二极管d7上，电阻r2并联在电感l2和二极管d8上，开关管v1、开关管v2、开关管v3和开关管v4通过发射极连接集电极的形式串联，二极管d1、二极管d2、二极管d3和二极管d4通过正极连接负极的形式串联，主回路的零线分别电容c1和电容c2的串联节点以及二极管d5的正极和二极管d6的负极，二极管d5的负极分别连接开关管v1和开关管v2的串联节点以及二极管d1和二极管d2的串联节点，二极管d5的正极分别连接开关管v3和开关管v4的串联节点以及二极管d3和二极管d4的串联节点，开关管v2和开关管v3的串联节点连接二极管d2和二极管d3的串联节点并输出负载电流i
l
。
[0042]
如图2所示，本发明的igct短路故障及主回路运行状态监测电路包括电压采集板卡、控制板卡。本发明的创新点在于，通过电压采集板在缓冲吸收的特定三点位置上增加了电压检测功能，即将电压采集板分别连接电感l1和二极管d7的串联节点a、电容c1和电容c2的串联节点n以及电感l2和二极管d8的串联节点b，采集缓冲吸收回路的正半组直流电压u
an
和负半组直流电压u
bn
，并将正半组直流电压u
an
和负半组直流电压u
bn
输入至控制板卡。控制板卡内部包括数值拟合观测器，该数值拟合观测器包括依次连接的数值归一化模块、非线性拟合模块、线性拟合模块和数值反归一化模块，该数值归一化模块输入端与电压采集板块相连接，该数值反归一化模块输出缓冲吸收回路r值和c值的估计值。
[0043]
如图5所示，数值归一化模块的具体结构为依次连接的u c1模块，k1模块和u-1模块，非线性拟合模块的具体结构为相加的w1模块和b1模块输入至双曲线函数模块，线性拟合模块的具体结构为w1模块和b1模块输入至直线函数模块，数值反归一化模块的具体结构为依次连接的u c2模块，k2模块和u 1模块，其中c1和k1是数值归一化系数矩阵，w1和b1是非线性拟合系数矩阵，w2和b2是线性拟合系数矩阵，c2和k2是数值反归一化系数矩阵，c1、k1、w1、b1、w2、b2、c2和k2通过向神经网络输入输入数据和目标数据训练得到，u c1模块的的输入为负载电流i
l
、u
an
或u
bn
数据的最大值v
dm
以及其对应的时间位置t
dm
，其中，负载电流i
l
与u
an
或u
bn
数据的最大值v
dm
呈线性相关。
[0044]
输入数据和输出数据的关系为：
[0045][0046][0047]
q＝arctan(2rc*w)
[0048][0049][0050]
其中，l为缓冲吸收回路电感，c为缓冲吸收回路电容，r为缓冲吸收回路电阻，w为中间计算变量，o为中间计算变量，q为中间计算变量，i
l
为负载电流，v
dm
为峰值电压、t
dm
为峰值时间。
[0051]
本发明的监测原理为：
[0052]
如图2所示，由于di/dt缓冲吸收回路中电感l1和电感l2的存在，限制了开关时刻快恢复二极管的电流变化率，igct关断后缓冲吸收回路电感li上的电流会通过二极管充到缓冲吸收电容ci上(i＝1或2)，造成关断时刻的暂时性电压上升。如图3所示，该阶段功率器件的管压降有2个尖峰电压v
dsp
和v
dm
。第一个尖峰电压v
dsp
主要由连接铜排的杂散电感引起。第二个尖峰电压v
dm
主要由缓冲吸收回路电感、电容和电阻参数影响。
[0053]
本发明还提出一种igct短路故障及主回路运行状态监测方法，包括以下步骤：
[0054]
步骤1、电压采集板实时采集缓冲吸收回路电压u
an
和u
bn
数据波形，并判断igct开通或关断，若igct开通则进行步骤2，否则进行步骤3。
[0055]
步骤2、在igct开通时，检测电压u
an
和u
bn
数据波形中u
an
和u
bn
为零的时间，并根据u
an
和u
bn
为零的时间判断是否发生短路直通故障。
[0056]
本步骤的检测原理为：正常的igct开通时，由于缓冲吸收回路吸收电感l的存在，其电流变化率di/dt＝u
dc
/l，其中u
dc
是正、负半组直流电压；当负载电流i
l
》0，负载电流向外流时，若开关管状态变为开关管v3关断、开关管v1导通，那么输出电流会从二极管d5换流至
开关管v1，这个过程持续时间t≈i
l
*l/u
dc
，在过程持续时间中u
an
≈0，通常在0～6us之间，若发生短路直通故障，igct的桥臂短路，u
an
持续保持为0。
[0057]
因此本步骤的判定方法为：
[0058]
当负载电流i
l
》0(即负载电流向外流)，且开关管状态变为开关管v3关断、开关管v1导通时，检测u
an
≈0的时间，若超过0～6us(该值与电路参数相关)认为发生直通故障。
[0059]
当负载电流i
l
《0(即负载电流向外流)，且开关管状态变为开关管v2关断、开关管v4导通时，检测u
bn
≈0的时间，若超过0～6us(该值与电路参数相关)认为发生直通故障。
[0060]
步骤3、在igct关断时，截取u
an
和u
bn
数据波形中触发关断信号40us内u
an
和u
bn
波形数据，并提取峰值电压和峰值时间作为特征值，送入控制板卡中的数值拟合观测器，计算得到当前缓冲吸收回路r值和c值的估计值；将r值和c值的估计值与缓冲吸收回路设置的r值和c值的初始值范围进行比较，判断缓冲吸收回路运行状态。
[0061]
如图4所示，本步骤的流程为：
[0062]
步骤3.1、计数器置0；
[0063]
步骤3.2、产生关断信号；
[0064]
步骤3.3、检测电路连续采集u
an
和u
bn
数据波形；
[0065]
步骤3.4、判断持续时间是否超过40us，
[0066]
步骤3.5、找u
an
或u
bn
数据最大值v
dm
以及其对应的时间位置t
dm
；
[0067]
步骤3.6、将步骤3.5得到的v
dm
和t
dm
的实际值输入控制板卡中的数值拟合观测器，计算得到缓冲吸收回路r值和c值的估计值，将缓冲吸收回路r值和c值的估计值与缓冲吸收回路设置的r值和c值的初始值范围进行比较，若在初始值的某个(例如0.95到1.05)范围内，则进行步骤3.7，否则进行步骤3.8；
[0068]
步骤3.7、计数器清零，判断缓冲吸收回路运行正常同时本次监控结束；
[0069]
步骤3.8、判断缓冲吸收回路运行异常，同时计数器数值 1，判断计数器数值是否大于等于3，若计数器数值大于等于3，则进行步骤3.9，否则返回步骤3.2；
[0070]
步骤3.9、连续三次超出缓冲吸收回路设置的r值和c值的初始值范围，申请正常停机或报警，同时本次监控结束。
[0071]
通过上述发明内容，针对某一电路进行计算。
[0072]
电路负载电流i
l
＝4000a，电感l＝4uh
[0073]
如图4所示的控制框图，数值拟合观测器的具体数值为：
[0074][0075][0076]
[0077][0078][0079][0080][0081]
当电容c＝12.5uf，电阻r＝0.9ω，此时参考上述理论计算
[0082][0083][0084]
q＝arctan(2rc*w)
[0085][0086][0087]
可知对应理论峰值电压v
dm
＝1495.4v，峰值时间t
dm
＝9.318us，将峰值电压和峰值时间代入数值拟合观测器得到电路参数rc的估计值0.9257ω和12.4uf，与实际值0.9ω和12.5uf相差很小。
[0088]
igct器件短路检测：
[0089]
首先计算igct理论换流时间t＝|i
l
*l/u
dc
|
[0090]
当v1或v3导通时，检测u
an
幅值小于0.1*u
dc
的持续时间t,若t《1.5*t则装置正常，否则判定为异常状态。
[0091]
当v2或v4导通时，检测u
bn
幅值小于0.1*u
dc
的持续时间t,若t《1.5*t则系统正常，否则判定为异常状态。
[0092]
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。