CN100586002C - 用于反向馈电的变流器电桥的关断装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于反向馈电的变流器电桥(SRB)的关断装置(LOV)，该变流器电桥由电网同步的控制电路(AST)以触发脉冲来控制并且以其三个输入端(1U1，1V1，1W1)连接到三相电网的相位(U，V，W)上，该电桥的两个输出端(1C1，1D1)被引向直流电机(MOT)，该直流电机在发电运行中通过该电桥反向馈电到三相电网中，并且该关断装置能够由触发单元(ALE)来控制，该触发单元被设立用于根据对电学量和时间量的监控而发出触发脉冲。该关断装置(LOV)针对每个半桥(V11，V13，V15；V11′，V13′，V15′或V14，V16，V12；V14′，V16′，V12′)具有能够由充电电路(R1，S1，R2，S2或R3，S3，R4，S4)充电到所限定的关断电压的关断电容器(C1或C2)，并且该关断电容器在关断情况下能够借助由触发单元(ALE)所控制的开关(V31，V32，V39或V34，V33，V40)连接到所述半桥上。

Description

用于反向馈电的变流器电桥的关断装置
本发明涉及一种用于反向馈电的变流器电桥的关断装置，其中由电网同步的控制电路以触发脉冲所控制的变流器电桥以其三个输入端连接到三相电网的相位上，并且该电桥的两个输出端被引向直流电机，该直流电机在发电运行中通过该电桥反向馈电到三相电网中，并且该关断装置可以由触发单元控制，该触发单元被设立用于根据对电学量和时间量的监控而发出触发脉冲。
在如例如在本申请人的AT 404 414B中所描述的电网所拥有的变流器的情况下，电压或电流变化过程中的干扰、特别是过压和/或整流故障可能导致这种桥的昂贵的闸流晶体管或开关的损坏。
更确切地说，在电网所拥有的变流器的情况下，在反向馈电运行中出现反用换流器触发(kippen)的基本问题。在此，在电网电压扰动以及足够的直流电压、例如电机的相应的电枢电压时，出现过电流，该过电流进一步增大并且也不再能够通过变流器本身来消除。于是必然导致通常所设置的应该保护闸流晶体管的保险丝的熔断(Ansprechen)。结果是变流器以及由其馈电的电机的较长时间的失效，因为需要相应的时间来更换通常被构造为快速半导体保险丝的保险丝。因此人们曾尽力实现不同的、部分昂贵的用于限制和中断过电流的设备或者尽力防止反用换流器触发或受控地终止反用换流器触发，如例如在所提及的本申请人的专利中所描述的那样。
例如公开了位于直流路径中的直流快速开关。当应该保证它们可靠工作时，不考虑有问题的尺寸确定以及用于可靠工作的定期的维护，然而附加地需要高度可控的用于限制电流上升的电抗器并且费用相应地是可观的。
还公开了另一种方法，用于利用关断电容器来直接对闸流晶体管进行关断，例如利用一个电容器仅仅对两个变流器半桥之一进行关断，其中直到完全降低到零，电机电流还使第二半桥的整流管(Ventil)完全加载，并且因此不能在所有情况下都实现保护。一种类似的方法是利用两个电容器并且利用各一个与这些电容器并联的电压限制装置来对两个半桥进行关断，然而这允许电机上的过压。此外，如果变压器位于电网和变流器电桥之间，则这些所提及的方法在电网中断时并不防止过压。
本发明的任务在于，实现一种关断装置(Loeschvorrichtung)，该关断装置能够对反向馈电的变流器的闸流晶体管这样快速地进行关断，使得单个连接在闸流晶体管之前的或总体上连接在变流器之前的半导体保险丝特别是在反用换流器触发的情况下被防止熔断或损坏(老化)。只要存在保险丝，就不应该达到其熔断积分(i2t)，在没有保险丝的运行中不允许达到闸流晶体管的极限负载积分(i2t)。此外，关断装置应该保护变流器免遭过压、如特别是在电网中断、尤其是在具有变压器的运行中出现的过压，并且该过压通常是整流故障的原因并且因此导致闸流晶体管的毁坏。
该任务利用开头所提及的类型的关断装置来解决，其中根据本发明该关断装置针对每个半桥具有能够由充电电路充电到所限定的关断电压的关断电容器，并且该关断电容器在关断情况下能够借助由触发单元控制的开关连接到半桥上。
在一种有利的实施形式中规定，在关断电容器与位于电网相位上的电桥点的连接中，除了受控的开关之外，二极管位于六脉冲电桥电路中。在此，关断电容器能够通过二极管和可接通的电阻来充电。以这种方式，无需大的附加的开销就可实现关断电容器的充电。
此外合理地规定，整流电抗器位于关断装置与直流电压侧的电桥点的连接中，该整流电抗器限制在整流过程中的电流上升速度。
也是合理的是，关断装置为了限制电压而具有保护电容器，限压器与该保护电容器并联，其中关断电容器能够通过受控的开关连接到电桥的直流电压输出端上。由此保证，关断装置的元件本身以及电机都被保护不受不允许的过压损害。
在此，保护电容器能够通过由受控的开关构成的电桥电路选择性地这样连接到变流器电桥的直流电压输出端上，使得保护电容器和限压器的极性不依赖于直流电压输出端或电机端子电压的极性而保持不变。
在一种有利的实施形式中，限压器被构造为电阻斩波器(Widerstandchopper)，即镇流电阻根据所需要的能量吸收率而总是又被接通或断开。
当保护电容器通过两个二极管持续地连接到六个位于电桥电路中的二极管的直流电压侧时，也能够限制所有来自电网的过压。
此外，当变流器电桥的交流电压点与六个位于电桥电路中的二极管的输入端通过电感相连接时，是有意义的。这些能够由空气线圈或者由寄生(线路)电感构成的电感防止可能危及电桥开关的电流的快速上升。
当变流器是闸流晶体管时，关断装置是特别适合的。
下面借助示例性的实施形式来进一步阐述本发明连同另外的优点，该实施形式在附图中被示出。该附图在示意性的框图中示出由控制电路控制的用于给直流电机供电的变流器电桥以及根据本发明的具有所属的触发装置的关断装置。
如从附图中可以获悉的，三相电网的三个相位U、V、W通过整流电抗器Lu、Lv、Lw连接到变流器电桥SRB的三相侧。在此，附图中未示出的电网保险丝通常位于每个相位中，如例如在AT404414B中结合其图2所描述的那样。受控的整流器开关V11、...、V16和V21、...、V26被构造为闸流晶体管或可比较的器件。
为两个电桥设置了控制装置AST，该控制装置负责闸流晶体管的电网同步的触发。通过触发时刻的推移，可以以公知的方式实现转速或力矩调节。电网的三个相电压和电机端子电压被输送给控制电路A以及相电流通过两个变流器Wu、Ww被输送给控制电路AST，由此存在相应的用于调节和用于控制变流器电桥的信息。
电桥SRB的两个直流端子1C1、1D1通向直流电机MOT，该电机在发电运行中通过由开关V11、...、V16构成的电桥反向馈电到三相电网中。这里要说明的是，就本发明而言，只有发电运行(进入电网的能量流)是令人感兴趣的。当电机EMK相反地施加时(需要相反的旋转方向)，另外的电桥V21、...、V26也可以以反向馈电的方式工作。出于简明的原因，这里只考虑以下情况，即由开关V11、...、V16构成的电桥正好是反向馈电的。在正好馈电的电桥中，也与刚才的电桥相同，不会出现在关断的意义上需要干预的问题。具体地，在电网电压扰动时，在馈电的电桥中实现电流的下降。为了进一步的理解，应记得，等效电路可以被示出为电机EMK、电枢电感L电枢、以及电枢电阻R电枢的串联电路。电桥SRB的输出电流相当于所示出的电机电流I电机。
在本发明的意义上所构造的并且起作用的关断装置LOV针对每个半桥V11、V13、V15或V14、V16、V12(在相反的EMK的情况下针对V21、V23、V25或V24、V26、V22)都具有一个关断电容器C1或C2，如下面还要描述的那样，这些关断电容器中的每一个都被充电到所示的极性。电容器C1和C2的正极或负极以所示的方式通过闸流晶体管V31、V32和V34、V33、在当前情况下通过整流电抗器L1、L2与变流器电桥SRB的直流电压端子1C1和1D1相连接。C1的负极或C2的正极通过闸流晶体管V39和三个二极管V41、V43、V45或通过闸流晶体管V40和三个二极管V44、V46、V42与变流器电桥SRB的交流端子1U1、1V1、1W1相连接。在这些连接中，所示出的电抗器LSU、LSV、LSW限制电流上升，这些电抗器可以是空气线圈或者寄生(线路)电感。
根据本发明的关断装置此外具有保护电容器C3，该保护电容器与限压器SBG并联。保护电容器C 3的负极通过闸流晶体管V35、V36以及正极通过闸流晶体管V38、V37与电桥SRB的直流电压端子1C1、1D1相连接。要指出的是，与关断电容器C1、C2不同，保护电容器C3始终被施加相同极性的电压，并且如果C1和C2的充电电压之和小于C3的偏压，则闸流晶体管V35、...、V38也可以用二极管来代替。
布置在电桥电路中的二极管V41、...、V46的直流电压侧通过二极管V47或V48与限压器SBG的输入端以及与保护电容器C3相连接。它们一方面能够在关断过程中实现整流电抗器中的电流降低并且在变流器电桥的正常运行中能够(以电机方式以及以发电机方式)承担来自电网的瞬间过压以及承担变流器本身的整流电压峰值。
以下将首先(针对附图中所给出的电机EMK的极性)阐述关断过程，其中根据该附图以被充电的关断电容器C1、C2为前提。它们的充电在下面被阐述。
在关断闸流晶体管V31、V33和V39、V40通过触发单元ALE触发时，电流不仅从上部的半桥V11、V13、V15换向到电容器C1中，而且从下部的半桥V14、V16、V12换向到电容器C2中，由此所有电流都在反向馈电的变流器V11、...、V16中立刻被消除。同时随着关断脉冲(用于关断闸流晶体管的触发脉冲)的发出还禁止用于电桥SRB的触发脉冲。
电容器C1、C2上的电压由于电机电流而转变，直到该电流通过不久前被触发的闸流晶体管V35和V37被换向到位于限压器SBG上的电容器C3中。如果C3上的电压还未达到限压器SBG的限制电平，则C3通过电机电流朝着该限制电平被充电。这里要说明的是，只有在相反的电机EMK的情况下电流才流过闸流晶体管V32、V34、V36和V38。
以下将更详细地探讨限压器SBG及其功能，其中应假定，电机电压(电机端子或设备端子上的电压)由于关断过程短时间(例如1ms)地被转换极性。如果又达到最初的电机电压，则电机电流相对于其在关断时刻的起始值略微上升。电机的电枢电感中的电流首先由于较高的电压而被降低到零，并且该电压必须通过限压器SBG在限制于最大值的意义上被调节。
该限制以公知的方式通过受控地将镇流电阻连接到限压器SBG的输入端子上并且由此连接到保护电容器C3上来实现。镇流电阻根据电压值而在不同的时钟脉冲内被接通，其中电能被转化为热能。实际上存在例如具有大约10％的滞后的两点调节器，该两点调节器将镇流电阻接通和断开。为了能够实现更高的总关断电压，限压器SBG可以在电容器C1、C2的转变(Umschwingen)期间通过闸流晶体管V35、...、V38被接通。这里也可以使用四个二极管，然而因为这些二级管必然与C3一同形成电桥整流器，所以所提及的总关断电压在整流开始时将超过C3的瞬间电压的值，并且导致显著的(无限制的/有害的)电流脉冲。因此使用四个闸流晶体管，这些闸流晶体管大约在电容器电压C2和C2的过零时刻被触发。也即随后不再产生危害，因为如上面已经描述的那样换向到限压器中的电机电流是预先给定的(或被存储或者在一定程度上是恒定的)。在使用另一限压器SBG的情况下，也可取消被称为保护电容器的电容器C3，其中这里例如可考虑依赖于电压的电阻或齐纳二极管。
然而限压器SBG持续地通过已经提及的二极管V47、V48连接到二极管电桥V41、...、V46上。这能够实现也限制来自电网的全部过压。例如在断开前置的变压器时在负载中可能出现显著的过压。下面还将对此进行更详细探讨。
为了避免在限压器SBG的所提及的电阻上的持续损耗功率，该限压器可以包括具有更低一些的电压阈值的另一开关，在该另一开关的情况下与所提及的限压器的值相比，被斩波(“gechoppten”)的一个或多个电阻具有显著更高的电阻值。
此外要注意的是，例如在实际的实施形式中，斩波电阻有效地具有250mOhm。该实现并行地通过四个IGBT开关和四个各具有10hm的电阻来进行。在限制情况下，900A的电流流过每个电阻。
两个关断电容器C1、C2必须被充电到所连接的电网电压的峰值的一部分(典型地0.5至0.9)。两个电容器C1和C2在关断过程之后被相反地充电。也即，通过随后所描述的电路，严格地说，首先进行直到零的放电并且之后才进行充电。两个电容器的充电以何种方式进行对于本发明的原理来说是无关紧要的，然而下面将描述结合到关断设备的整个电路中的充电电路的一种经受实践考验的可能性。该充电电路针对每个电容器C1或C2具有两个充电电阻R1、R2或R3、R4，这些充电电阻通向电桥电路V41...V46的正极(R1、R3)或负极(R2、R4)。针对C1的开关S1、S2和针对C2的S3、S4由未示出的两点调节器来控制，其中C1和C2与充电电阻R1、R2和R3、R4串联。只有当关断闸流晶体管被断开时，充电才是可能的。此外，在该电路中由此避免闸流晶体管V31和V33、或V32和V34的双重的电压负载。
在关断情况下，在关断电容器C1和C2上的电压转变期间在关断闸流晶体管触发之后，这些闸流晶体管必须立刻通过前面提及的半导体开关S1...S4与充电电路分离，以便防止关断闸流晶体管在成功的电流降低之后由于充电电流而保持导通。也即通过这种方式将防止另外的充电过程并且将因此导致充电电阻R1、...、R4的过载。一旦电容器C1和C2又充分被充电，则可进行新的关断过程，其中然而关断过程的重复频率或在确定的时间间隔内关断过程的数目通过电路、特别是充电电阻和限压器的尺寸确定来确定。
并非直接是本发明的主题的整个电路的控制可以通过具有微处理器支持的、用于与变流器通信的模拟电路来实现。用于控制关断闸流晶体管的触发标准借助所测量的电压和电流和/或时间通过软件来确定。如所述的，即使该控制不是本发明的主题，但也给出运行(故障)状态的一些例子，这些状态通过根据本发明的关断装置来控制。
在高压或中压设备遭雷击的情况下，保护性放电间隙或气体填充的过压保护元件被触发。这些保护性放电间隙或气体填充的过压保护元件随后燃烧直到下一个电流过零点。通过这种方式形成持续时间为3至20ms的低阻的电网电压扰动。但是也可能导致电网电压的更长时间的故障，其中一个或多个变压器或其它的负载低阻地将电网保持在零。
在相同电网上的并行的电路短路的情况下，首先出现电网电压扰动。接着所分配的保险丝熔断并且使有故障的电路与电网分离。以这种方式随后实现短的过压脉冲，其中扰动的持续时间和强度依赖于电网阻抗和故障电流。
低阻电网扰动的其它可能性是馈电电网的所有类型的短路。
在所提及的涉及所有低阻电网扰动的例子中，以及在通过变流器同时反向馈电到相同的电网中的情况下，电机电流立即根据EMK和电枢电感加上电网阻抗而上升，直到触发单元要求断开关断装置。平均的断开时间、即直到电机电流降低到零的时间大约为5ms。在电网恢复供电时可能的过压峰值都如上所述的那样被限制。
在将直接位于变流器之前的主接触器(Hauptschuetz)断开时，整流电感和电枢电感必须能够放电。如前所述，这通过始终处于作用中的电网电压限制来实现。在此不发生反用换流器触发，然而在没有这种过压保护的情况下大多导致横向触发(Querzuenden)。能量的降低主要发生在主接触器中，然而这已经仅仅由于接触磨损而应被避免。
在例如在中压水平上的馈电变压器断开时，由于电网的较高的内阻不出现显著的电流上升(在反用换流器触发时)。然而，变流器中的确定的闸流晶体管不再关断并且结果是横向触发装置。该条件同样及时地被识别并且关断装置引起电流的切断。由于所提及的变压器的去磁所引起的可能的过压又通过关断装置(二极管电桥V41、...、V46通过V47、V48至与限压器并联的C3)被限制。

Claims (8)

1.用于反向馈电的变流器电桥(SRB)的关断装置(LOV)，
其中由电网同步的控制电路(AST)以触发脉冲所控制的变流器电桥以其三个输入端(1U1，1V1，1W1)连接到三相电网的相导线(U，V，W)上，并且该电桥的两个输出端(1C1，1D1)被引向直流电机(MOT)，该直流电机在发电运行中通过该电桥反向馈电到所述三相电网中，
并且所述关断装置能够由触发单元(ALE)来控制，该触发单元被设立用于根据对电学量和时间量的监控而发出触发脉冲，
其特征在于，
所述关断装置(LOV)针对变流器电桥的每个半桥(V11，V13，V15；V21，V23，V25或V14，V16，V12；V24，V26，V22)具有能够由充电电路(R1，S1，R2，S2或R3，S3，R4，S4)充电到所限定的关断电压的关断电容器(C1或C2)，并且所述关断电容器(C1，C2)在关断情况下能够借助由所述触发单元(ALE)所控制的开关(V31，V32，V39或V34，V33，V40)通过六极电桥电路中的二极管(V41，V43，V45；V44，V46，V42)连接到所述半桥上，并且所述关断装置(LOV)为了限制电压而具有保护电容器(C3)，限压器(SBG)与所述保护电容器并联，其中所述保护电容器(C3)能够通过受控的开关(V35，V37或V36，V38)连接到所述变流器电桥的输出端(1C1，1D1)上，并且此外所述保护电容器(C3)通过两个二极管(V47，V48)持续地连接到六个位于六极电桥电路中的二极管(V41，V43，V45；V44，V46，V42)的直流电压侧。
2.根据权利要求1所述的关断装置(LOV)，其特征在于，所述关断电容器(C1，C2)能够通过所述六极电桥电路中的二极管(V41，...，V46)以及可接通的电阻(R1，...，R4)来充电。
3.根据权利要求1至2之一所述的关断装置(LOV)，其特征在于，整流电抗器(L1，L2)位于所述关断装置(LOV)与所述变流器电桥的直流电压端子的连接中。
4.根据权利要求1至2之一所述的关断装置(LOV)，其特征在于，所述保护电容器(C3)能够通过由受控的开关(V35，...，V38)构成的电桥电路选择性地连接到所述变流器电桥的直流电压输出端(1C1，1D1)上，使得所述保护电容器(C3)和限压器(SBG)的极性不依赖于所述直流电压输出端或电机端子电压的极性而保持不变。
5.根据权利要求1至2之一所述的关断装置(LOV)，其特征在于，所述限压器(SBG)被构造为电阻斩波器。
6.根据权利要求1至2之一所述的关断装置(LOV)，其特征在于，所述变流器电桥(V11，...，V16，V21，...，V26)的交流端子与六个位于六极电桥电路中的二极管(V41，...，V46)的输入端通过电感(LSU，LSV，LSW)相连接。
7.根据权利要求6所述的关断装置(LOV)，其特征在于，所述电感(LSU，LSV，LSW)由空气线圈或者寄生电感构成。
8.根据权利要求1至2之一所述的关断装置(LOV)，其特征在于，所述变流器电桥包括闸流晶体管(V11，...，V16，V21，...，V26)。
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