CN101253675A - 带有分布式储能器的变流电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有至少一个相位模块(100)的变流电路，所述相位模块(100)具有上部和下部变流阀(T1，...，T6)，其中，每个变流阀(T1，...，T6)均具有至少一个两极子系统。根据本发明，每个两极子系统(14)均具有四个可断半导体开关(21，23，25，27)、四个二极管(22，24，26，28)、两个单极存储电容器(29，30)和一个电子设备(32)，其中，所述四个可断半导体开关(21，23，25，27)彼此串联，且分别与一个二极管(22，24，26，28)反向并联，所述两个单极存储电容器(29，30)彼此串联，且与所述半导体开关(21，23，25，27)所构成的串联连接并联，所述电子设备(32)的基准电位端子(M)与一个公共电位(P0)导电相连。借此可实现一个子系统(14)，所述子系统(14)的接线端子(X2，X1)上可产生一个具有四个位势级的端电压(UX21)，这个子系统中只需布置一个电子设备(32)，且对该电子设备(32)的供能为对称方式，此外，所述子系统(14)也无需进行复杂度更高的电位分离。

Description

带有分布式储能器的变流电路
技术领域
本发明涉及一种权利要求1前序部分所述的变流电路。
背景技术
DE 10103031A1中公开过这种类型的变流电路，图1对这种变流电路的等效电路图进行了详细图示。如这个等效电路图所示，这种已知的变流电路具有三个都用100表示的相位模块。这些相位模块100的直流电压端分别与正、负极直流电压母线P0和N0导电相连。这两根直流电压母线P0和N0之间存在一个未标注参考符号的直流电压。每个相位模块100均具有一个上部变流阀T1、T3、T5和一个下部变流阀T2、T4、T6。这些变流阀T1至T6中的任何一个都具有一定数量的彼此串联的两极子系统11。这个等效电路图对其中的四个子系统11进行了图示。也可用两极子系统12(图3)代替两极子系统11(图2)。每个相位模块100的两个变流阀T1和T2、T3和T4、T5和T6之间的连接点构成这个相位模块100的交流电压端接点L1、L2、L3。由于这个示意图中的变流电路具有三个相位模块100，因而可在这些相位模块的交流电压端接点L1、L2和L3(又称“负载端子”)上连接三相负载，例如三相交流电动机。
图2对两极子系统11的已知实施方式的等效电路图进行了详细图示。图3所示的电路布置图是一种就功能而言完全等效的实施方案，同样也是DE10103031A1中所公开的实施方案。这些已知的两极子系统11和12分别具有两个可断半导体开关1和3、5和7，两个二极管2和4、6和8以及一个单极存储电容器9、10。两个可断半导体开关1和3、5和7彼此串联，这一串联连接又与存储电容器9、10并联。每个可断半导体开关1和3、5和7分别与两个二极管2和4、6和8中的一个并联，且其连接方式使得二极管与对应的可断半导体开关1、3、5或7反向并联。子系统11、12的单极存储电容器9或者由一个电容器构成，或者由多个这种电容器构成的一个总电容为C0的电容器组构成。可断半导体开关1、5的发射极与二极管2、6的阳极之间的连接点构成子系统11、12的接线端子X1。两个可断半导体开关1和3与两个二极管2和4之间的连接点构成子系统11的第二接线端子X2。可断半导体开关5的集电极端子与二极管6的阴极之间的连接点构成子系统12的第二接线端子X2。
在附图所示的两个子系统11和12的实施方式中，可断半导体开关1和3用的都是如图2和图3所示的绝缘栅双极晶体管(IGBT)。也可使用MOS场效应晶体管(也称为“MOSFET”)。此外还可将门极可关断晶闸管(又称“GTO晶闸管”)或集成门极换向晶闸管(IGCT)用作可断半导体开关1和3。
根据DE 10103031A1所述，可将图1所示的变流电路的任何一个相位模块100的子系统11、12控制在操作状态I和II。当子系统11、12处于操作状态I时，可断半导体开关1、5接通，可断半导体开关3、7断开。在此情况下，子系统11、12的接线端子X2和X1间的端电压UX21等于零。当子系统11、12处于操作状态II时，可断半导体开关1、5断开，可断半导体开关3、7接通。在此情况下，子系统11、12的接线端子X2和X1间的端电压UX21等于存储电容器9、10上的电容器电压UC。
如图1中的变流电路的等效电路图所示，这种变流电路的每个相位模块100均具有八个两极子系统11、12，每四个两极子系统构成一个变流阀，分别为T1、T2，或T3、T4，或T5、T6，这些两极子系统通过其接线端子X1和X2彼此串联。串联两极子系统11、12的数量一方面与两个直流电压母线P0和N0之间的直流电压有关，另一方面与所用的可断半导体开关1、3、5和7有关。此外，交流电压端接点L1、L2、L3上的正弦交流电压与正弦曲线的相符度，也对两极子系统的数量具有一定影响。
为了建构和使用如图1所示的变流电路，需要用适当的电路对每个两极子系统11、12的可断半导体开关1和3、5和7进行控制，以及检测两极子系统11、12的各种测量值(例如存储电容器9、10上各自的电容器电压UC)，并将其传输给上级变流器控制装置。为此，每个两极子系统11、12均具有一个电子设备，为清晰起见，显示子系统11和12的图2和图3并未对这个电子设备进行详细图示。这个电子设备(下称“电子模块”)承担以下任务：
—与上级变流器控制装置之间的双向通讯
—检测各种测量值和状态信号或故障信号
—控制可断半导体开关1和3、5和7
—对所有接收到的和发出的信号进行处理。
此外，如果两极子系统11、12的电子模块进行工作所需的能量直接输出自这个两极子系统的存储电容器9、10，这是有利的，但并不是必须采取这种做法。如果在每个两极子系统11、12的电子模块和上级变流器控制装置之间设置两个用于传输数据的光波导，就可实现电子模块的零电位工作模式。每个两极子系统11、12的电子模块的基准电位通常与两极子系统的单极存储电容器9、10的负极相连。
在为变流电路的相位模块使用多个彼此串联的两极子系统11、12的情况下，子系统11、12通常采用同一种实施方式。也就是说，图1所示的变流电路相位模块100中的子系统或者采用图2所示的实施方式，或者采用图3所示的实施方式。在图1所示的三相变流电路中，须在上级变流器控制装置和二十四个两极子系统11、12之间布置四十八个光波导。如果每个变流系统T1、...、T6都多使用一个两极子系统11、12，就需要多布置十二个光波导。
为了减少这方面的投入，就须减少每个变流阀T1、...、T6中的电子模块的数量。举例而言，通过下述方式可以实现这种精简，即：将两个两极子系统11、12整合成一个子系统模块，再将两个电子模块整合成一个电子模块。在为至少两个整合成一个子系统模块的两极子系统11、12使用一个电子模块的情况下，会产生如何为这个电子模块提供能量的问题。如果仅从至少两个整合成一个子系统模块的两极子系统11、12的一个单极存储电容器输出电子模块所需的能量，这种能量供应就是不对称的。其结果是，同样增加了在对整合在一起的子系统11、12的可断半导体开关1和3、5和7进行控制以及在对电容器电压UC进行检测时进行电位分离的开销，此外还需进行非常不利的不对称电压分配。
通过将至少两个两极子系统11、12整合成一个子系统模块，可将所用光波导的数量减半，但同时也须进行开销更高的电位分离和不对称的能量供应。在此情况下，每两个结构简单的子系统被一个结构更为复杂的子系统模块所代替。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种用于变流电路的两极子系统，借助于这种两极子系统不仅可以避免上述缺点，还可降低这样一种变流电路的建构难度。
根据本发明，这个目的通过权利要求1至4所述的特征而达成。
根据本发明，如果将四个带有反向并联二极管的可断半导体开关与两个单极电容器相连，就可用同一个电子模块对这些可断半导体开关进行控制以及对电容器电压进行检测，而无需进行开销更高的电位分离。此外还可进行对称的能量输出。本发明的这种子系统对外具有两个接线端子和两个用于连接两个光波导的端子。因此，本发明的子系统就连接技术而言相当于一个已知子系统。可以通过对这个子系统进行控制而使其两个接线端子间产生一个端电压，这个端电压具有四个位势级，而不是像传统子系统的端电压那样只能达到两个位势级。在此情况下，只需使用已知的变流电路实施方式中的一半子系统数量就可实现一种适用于预定高压的变流电路，其中，所需光波导的数量也相应减半。
附图说明
下面借助附图和附图所示的本发明的两极子系统的多种实施方式对本发明作进一步说明，其中：
图1为已知的带有分布式储能器的变流电路的等效电路图；
图2和图3分别为已知的两极子系统的第一和第二实施方式的等效电路图的详细图示；
图4为本发明的两极子系统的第一实施方式的等效电路图；
图5为本发明的两极子系统的第二实施方式的等效电路图；
图6为本发明的两极子系统的第三实施方式的等效电路图；以及
图7为本发明的两极子系统的第四实施方式的等效电路图。
具体实施方式
图4对本发明的子系统14的第一实施方式的等效电路图进行了详细图示。本发明的这种两极子系统14具有四个可断半导体开关21、23、25和27，四个二极管22、24、26和28，两个单极电容器29和30以及一个电子设备32(下称“电子模块32”)。四个可断半导体开关21、23、25和27彼此串联。每个可断半导体开关21、23、25和27分别与一个二极管22、24、26和28反向并联。每两个可断半导体开关21和23、25和27分别与一个单极电容器29、30并联。这个子系统14的单极电容器29、30或者由一个电容器构成，或者由多个这种电容器构成的一个总电容为C0的电容器组构成。两个可断半导体开关21和23与两个二极管22和24之间的连接点构成子系统14的第二接线端子X2。两个可断半导体开关25和27与两个二极管26和28之间的连接点构成子系统14的第一接线端子X1。可断半导体开关23的发射极、可断半导体开关25的集电极、二极管24的阳极、二极管26的阴极、单极电容器29的负极端子与单极电容器30的正极端子之间的连接点构成一个公共电位P0，这个公共电位与电子模块32的基准电位端子M导电相连。这个电子模块32与一个此处未详细图示的上级变流器控制装置之间存在可以传输信号的连接，这种连接通过两个光波导34和36而实现。公共电位P0用作电子模块32的基准电位。原则上基准电位应该选择不会对可断半导体开关21、23、25和27的驱动模块或这些可断半导体开关21、23、25和27的模块外壳的驱动模块产生过高电压应力的电位。
本发明的这种子系统14可在四种操作状态I、II、III和IV之间转换。当子系统14处于操作状态I时，可断半导体开关21和25接通，可断半导体开关23和27断开。在此情况下，子系统14的接线端子X2和X1间的端电压UX21等于电容器29上的电容器电压UC。当子系统14处于操作状态II时，可断半导体开关21和27接通，而可断半导体开关23和25断开。在此情况下，子系统14的端电压UX21相当于单极电容器29和30上的电容器电压UC的总和。当子系统14处于操作状态III时，可断半导体开关23和25接通，可断半导体开关21和27断开。在此情况下，子系统14的端电压UX21等于零。当子系统14处于操作状态IV时，可断半导体开关23和27接通，而可断半导体开关21和25断开。在此情况下，子系统14的端电压UX21从位势级“零”转换到单极电容器30上的位势级“电容器电压UC”。当子系统14处于操作状态I或IV时，储能器29或30根据具体的端电流方向吸收或释放能量。当子系统14处于操作状态II时，电容器29和30根据具体的端电流方向吸收或释放能量。当子系统14处于操作状态III(“零”)时，电容器29和30中的能量保持恒定不变。因此，就功能方面而言，本发明的这种子系统14相当于已知子系统11与已知子系统12的串联连接。但本发明的子系统14并不具有这种串联连接的缺点。
此外，在两个已知子系统11和12彼此串联的情况下，每个子系统11和12均具有一个自有基准电位和一个自有电子模块。如果只需使用其中一个电子模块，并且只需从一个相应的电容器中输出这个电子模块所需的能量，这种能量输出就会不对称，还会引起不对称的电压分配。除此之外，在控制可断半导体开关和检测电容器电压时还须进行更大开销的电位分离。而本发明的两极子系统14中则不会出现这些缺点。
图5显示的是本发明的两极子系统16的第二实施方式的等效电路图。这个子系统16与图4所示的子系统14之间的区别在于，四个可断半导体开关21和23、25和27只是两两串联。与子系统14一样，每个可断半导体开关21、23、25和27分别与一个二极管22、24、26和28反向并联。每两个彼此串联的可断半导体开关又分别与一个单极电容器29、30并联。可断半导体开关23的发射极、二极管24的阳极与单极电容器29的负极端子之间的连接点与两个彼此串联的可断半导体开关25和27之间的连接点导电相连。这一连接点构成一个公共电位P0，这个公共电位与电子模块32的基准电位端子M导电相连。此外，可断半导体开关27的发射极、二极管28的阳极与单极电容器30的负极端子之间的连接点构成子系统16的接线端子X1。因此，就功能方面而言，子系统16的这种实施方式相当于两个彼此串联的已知子系统11。除了将电容器29的负极端子用作电子模块32的基准电位外，也可将其他的端子用作基准电位。原则上，此处的基准电位也应选择不会对可断半导体开关21、23、25和27或它们的模块外壳的驱动模块产生过高电压应力的电位。
本发明的两极子系统18的第三实施方式与图5所示的子系统16相同，四个可断半导体开关21和23、25和27也是两两串联。与子系统16不同的是，两个彼此串联的可断半导体开关21和23之间的连接点与可断半导体开关25的集电极、二极管26的阴极和电容器30的正极端子之间的连接点导电相连。两个彼此串联的可断半导体开关25和27之间的连接点构成子系统18的第一接线端子X1，可断半导体开关21的集电极、二极管22的阴极和电容器29的正极端子之间的连接点则构成子系统18的第二接线端子X2。与子系统16一样，此处也是将单极电容器29的负极端子设置为子系统18的电子模块32的基准电位。就功能方面而言，子系统18相当于两个已知子系统12的串联连接。
在图7所示的两极子系统20的等效电路图中，四个可断半导体开关21和23、25和27同样是两两串联，其中，每个可断半导体开关21、...、27分别与一个二极管22、24、26和28反向并联。每两个彼此串联的可断半导体开关21和23、25和27分别与一个电容器29、30并联。两个彼此串联的可断半导体开关21和23之间的连接点与两个彼此串联的可断半导体开关25和27之间的连接点导电相连。可断半导体开关21的集电极、二极管22的阴极和电容器29的正极端子之间的连接点则构成子系统20的第二接线端子X2。可断半导体开关27的发射极、二极管28的阳极与电容器30的负极端子之间的连接点构成子系统20的第一接线端子X1。就功能方面而言，子系统20相当于已知子系统12与已知子系统11的串联连接。
通过用本发明所提供的方法对驱动和能源技术领域内的高压变流电路的子系统14、16、18和20进行上述建构，可将已知的由多个串联子系统构成的高压变流电路与上级变流器控制装置之间的光波导的数量减半。可对每个子系统进行控制，使其接线端子X2、X1间存在一个可达到四种不同位势级的端电压UX21。就传统子系统11和12而言，只有将两个子系统11和12、12和12、11和11或者12和11串联，才能实现这种端电压UX21。与两个已知子系统11和12的单纯串联(两个已知子系统11和12布置在一个模块中)相比，本发明的子系统14、16、18或20只需要一个电子模块32，此外，还可以用电容器29和30为这个电子模块进行对称的能量供应。在此情况下，就节省了在控制和在检测电容器电压UC时进行电位分离所带来的额外开销。

Claims (8)

1.一种具有至少一个相位模块(100)的变流电路，所述相位模块(100)具有上部和下部变流阀(T1，...，T6)，其中，每个变流阀(T1，...，T6)均具有至少一个两极子系统，
其特征在于，
每个两极子系统(14)均具有四个可断半导体开关(21，23，25，27)、四个二极管(22，24，26，28)、两个单极存储电容器(29，30)和一个电子设备(32)，每个可断半导体开关(21，23，25，27)分别与一个二极管(22，24，26，28)反向并联，所述四个可断半导体开关(21，23，25，27)彼此串联，所述两个单极存储电容器(29，30)彼此串联，并且，由所述单极存储电容器构成的串联连接与所述可断半导体开关(21，23，25，27)构成的串联连接并联，每两个可断半导体开关(21，23，25，27)之间的连接点构成所述两极子系统(14)的一个接线端子(X2，X1)，所述两个串联存储电容器(29，30)之间的连接点与所述电子设备(32)的基准电位端子(M)导电相连。
2.一种具有至少一个相位模块(100)的变流电路，所述相位模块(100)具有上部和下部变流阀(T1，...，T6)，其中，每个变流阀(T1，...，T6)均具有至少一个两极子系统，
其特征在于，
每个两极子系统(16)均具有四个可断半导体开关(21，23，25，27)、四个二极管(22，24，26，28)、两个单极存储电容器(29，30)和一个电子设备(32)，每个可断半导体开关(21，23，25，27)分别与一个二极管(22，24，26，28)反向并联，每两个可断半导体开关(21，23，25，27)彼此串联，每个由所述可断半导体开关构成的串联连接分别与一个单极存储电容器(29，30)并联，构成第一串联连接的两个可断半导体开关(21，23)之间的连接点构成所述两极子系统(16)的一个接线端子(X2)，构成第二串联连接的两个可断半导体开关(25，27)中的第二可断半导体开关(27)的发射极构成所述两极子系统(16)的另一接线端子(X1)，构成第二串联连接的两个可断半导体开关(25，27)之间的连接点与构成第一串联连接的两个可断半导体开关(21，23)中的第二可断半导体开关(23)的发射极导电相连，这个连接点与所述电子设备(32)的基准电位端子(M)导电相连。
3.一种具有至少一个相位模块(100)的变流开关，所述相位模块(100)具有上部和下部变流阀(T1，...，T6)，其中，每个变流阀(T1，...，T6)均具有至少一个两极子系统，
其特征在于，
每个两极子系统(18)均具有四个可断半导体开关(21，23，25，27)、四个二极管(22，24，26，28)、两个单极存储电容器(29，30)和一个电子设备(32)，每个可断半导体开关(21，23，25，27)分别与一个二极管(22，24，26，28)并联，每两个可断半导体开关(21，23，25，27)彼此串联，每个由所述可断半导体开关构成的串联连接分别与一个单极存储电容器(29，30)并联，构成第二串联连接的两个可断半导体开关(25，27)之间的连接点构成所述两极子系统(18)的一个接线端子(X1)，构成第一串联连接的两个可断半导体开关(21，23)中的第一可断半导体开关(21)的集电极构成所述两极子系统(18)的另一接线端子(X2)，构成第一串联连接的两个可断半导体开关(21，23)之间的连接点与构成第二串联连接的两个可断半导体开关(25，27)中的第一可断半导体开关(25)的集电极导电相连，这个连接点与所述电子设备(32)的基准电位端子(M)导电相连。
4.一种具有至少一个相位模块(100)的变流电路，所述相位模块(100)具有上部和下部变流阀(T1，...，T6)，其中，每个变流阀(T1，...，T6)均具有至少一个两极子系统，
其特征在于，
每个两极子系统(20)均具有四个可断半导体开关(21，23，25，27)、四个二极管(22，24，26，28)、两个单极存储电容器(29，30)和一个电子设备(32)，每个可断半导体开关(21，23，25，27)分别与一个二极管(22，24，26，28)反向并联，每两个可断半导体开关(21，23，25，27)彼此串联，每个由所述可断半导体开关构成的串联连接分别与一个单极存储电容器(29，30)并联，每个串联连接中的两个可断半导体开关(21，23，25，27)之间的连接点彼此相连，第一串联连接中的第一可断半导体开关(21)的集电极和第二串联连接中的第二可断半导体开关(27)的发射极分别构成所述两极子系统(20)的一个接线端子(X2，X1)，所述电子设备(32)的基准电位端子(M)与所述第一串联连接中的第二可断半导体开关(23)的发射极导电相连。
5.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的变流电路，其特征在于，
设置有用作可断半导体开关(21，23，25，27)的绝缘栅双极晶体管。
6.根据权利要求1至4中任一项权利要求所述的变流电路，其特征在于，
设置有用作可断半导体开关(21，23，25，27)的MOS场效应晶体管。
7.根据权利要求1至4中任一项权利要求所述的变流电路，其特征在于，
设置有用作可断半导体开关(21，23，25，27)的门极可关断晶闸管。
8.根据权利要求1至4中任一项权利要求所述的变流电路，其特征在于，
设置有用作可断半导体开关(21，23，25，27)的集成门极换向晶闸管。
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