中性点箱位三电平高压变频器的过电压保护研究

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摘要：本文通过利用ZnO压敏电阻接入位置和接线形式的分析，探讨了中性点箱位三电平高压变频器的过电压保护问题。本文认为将一只ZnO压敏电阻接于逆变部分输入直流母线两端和三只参数相同ZnO压敏电阻三相三角形接法接于逆变部分输出，可以实现对中性点箱位三电平高压变频器的过电压保护。

关键词：ZnO压敏电阻　接入位置　接线形式　过电压　保护

一、ZnO压敏电阻接入位置分析

使用Zno压敏电阻对中性点箱位三电平高压变频器进行外部过电压保护需要考虑Zno压敏电阻接入系统中的位置，这不但要分析外部过电压发生时，ZnO压敏电阻是否能准确及时地动作，还要分析ZnO压敏电阻动作后，是否能有效限制过电压。

当ZnO压敏电阻接于位置2时，它能很好地限制高压变频器输出发生的过电压。但是，它的残压将使系统电流增大，电流变化率也相应增大，导致输出滤波电感感应电压增大。如果输出滤波电感感应电压与ZnO压敏电阻残压正向叠加后，再通过逆变部分IGCT反并联二极管整流对直流环节箱位电容充电，则可能会导致逆变部分输入过电压。因此，当ZnO压敏电阻接于位置2时，它不能对高压变频器进行有效的过电压保护。

当ZnO压敏电阻接线位置3时，它能很好地限制直流电容两端的电压。但是，如果ZnO压敏电阻处于工作状态，直流电容两端电压上升为ZnO压敏电阻的残压，将使直流母线电流增大，电流变化率也相应增大，直流环节限流电感感应电压增大。如果限流电感感应电压与直流电容电压正向叠加，则可能会导致逆变部分输入过电压。

因此，当ZnO压敏电阻接于位置3时，它不能对高压变频器进行有效的过电压保护。当ZnO压敏电阻接于位置4时，不管是发生输入过电压还是输出过电压，它都能直接对逆变部分输入电压进行抑制，只要设计的Zno压敏电阻工作时的残压低于逆变部分耐压，就能对逆变部分进行有效的过电压保护。因此，当ZnO压敏电阻接于位置4时，它能对高压变频器进行有效的过电压保护。

当ZnO压敏电阻接于位置5时，它能有效地限制高压变频器输出发生故障时引起的相间过电压情况。比如高压变频器输出AB两相发生相间短路，由于短路两相电流突然变化，电流变化率很大，从而输出滤波电感感应电压增大，可能会导致AB两相相间过电压，而处于位置4的ZnO压敏电阻只能保护逆变部分输入过电压，而不能保护逆变部分相间过电压，因此，有必要在位置5接入ZnO压敏电阻对逆变部分相间过电压进行保护。

综上分析，将合理设计的ZnO压敏电阻接于逆变部分输入和输出才能有效地进行外部过电压保护。

二、接线形式分析

下面详细分析ZnO压敏电阻接于位置4和位置5的接线形式。当ZnO压敏电阻接于位置4时，有以下两种接法：一是直流正、负母线分别接一只Zno压敏电阻接地；二是一只Zno压敏电阻直接接于直流正负母线之间，与逆变部分并联。对于第一种接法，ZnO压敏电阻两端参考电压为直流正母线对地电压或直流负母线对地电压。由于中性点箱位三电平高压变频器直流环节本身没有接地点，其中性点电压不为零，只要保证逆变部分输入直流正、负母线间的电压在一个确定的范围内就能使高压变频器正常工作。但是，如果因为控制策略等原因造成的中性点漂移可能会使直流正母线对地电压或直流负母线对地电压高于ZnO压敏电阻标称电压，而直流正、负母线间的电压又可能处于正常工作范围，这就会导致ZnO压敏电阻误动作。

此外，这种接法虽然可以保证大电流不会对逆变部分造成危害，但是可能会引起较大的负载电动机共模电压，危害电动机安全；同时，高压变频器系统相对于电网而言处于对地放电状态，相当于接地短路，工作不正常。对于第二种接法，ZnO压敏电阻两端参考电压为直流正负母线间电压，能直流反应逆变部分输入过电压情况，有利于电压保护。当过电压达到Zno压敏电阻标称电压时，ZnO压敏电阻开始工作，大电流通过Zno压敏电阻直接从一条直流母线流向另一条直流母线，不会对负载电动机造成影响，也不会对逆变部分造成影响，整个高压变频器系统相对于电网而言没有发生故障，只是负载发生了变化。因此，当ZnO压敏电阻接于位置4时，采用一只ZnO压敏电阻直接接于直流正负母线之间的形式能实现高压变频器过电压保护的目的，同时也不会对高压变频器正常工作和负载电动机带来不良影响。

当ZnO压敏电阻接于位置5时，Zno压敏电阻是对逆变部分输出三相交流方波电压或者由于故障导致的三相正弦电压进行过电压保护，主要有以下三种接法：一是三只zno压敏电阻三相星形连接；二是四只ZnO压敏电阻三相四线制星形连接；三是三只ZnO压敏电阻三相三角形连接。

对于三相星形接法，任意两只ZnO压敏电阻所承受的电压为逆变部分输出线电压。为了达到良好的过电压保护效果，要求三只ZnO压敏电阻各项性能参数完全相同。

当某两相之间发生过电压情况时，要求这两相之间串联的两只ZnO压敏电阻能同时进入工作状态并且具有相同大小的残压。然而，对于ZnO压敏电阻而言，很难保证串联的ZnO压敏电阻动作之后的残压值是相同的，增加了Zno压敏电阻设计制造难度，不易实际应用。

对于三相四线制星形接法，它与三相星形接法的不同在于多了一只从公共点接地的Zno压敏电阻。为了达到良好的过电压保护效果，它同样要求四只Zno压敏电阻的性能参数完全相同。当某两相发生故障而造成与该两相相连的ZnO压敏电阻工作时，公共点的电压值会因为这两只ZnO压敏电阻的工作而发生变化，这可能导致三种情况：一是接地ZnO压敏电阻由于公共点电压提升到标称电压而进入工作状态，扩大事故影响；二是正常相因为公共点电压提升而出现过电压情况，造成正常相Zno压敏电阻也进入工作状态，扩大事故影响；三是如果正常相随后也出现过电压情况，由于公共点电压的提升，与它们连接的ZnO压敏电阻两端电压未达到标称电压而导致Zno压敏电阻没有及时动作，而造成被保护设备过电压损坏。因此，三相四线制星形接法不能对高压变频器进行有效的过电压保护。

对于三相三角形接法，每只Zno压敏电阻独自承受逆变部分输出线电压，它们之间没有相互影响，三只ZnO压敏电阻各项性能参数要求基本相同。只要合理设计ZnO压敏电阻的性能参数，就能达到对高压变频器进行过电压保护的目的。

三、结论

综上分析，本文认为将一只ZnO压敏电阻接于逆变部分输入直流母线两端和三只参数相同ZnO压敏电阻三相三角形接法接于逆变部分输出，可以实现对中性点箱位三电平高压变频器的过电压保护。