CN101939902B - 转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有在直流电压侧互相导电连接的、电网侧和负载侧的变流器(2，4)的转换器，其中，负载侧的多相变流器(4)的每个相模块(8)的上整流支路和下整流支路(T1，T3，T5；T2，T4，T6)分别具有至少一个两极的子系统(10)。按照本发明，设置至少一个多相的线路换相变流器(16)作为电网侧的变流器(2)。由此获得转换器、特别是用于中压的电压中间电路转换器，其在电网侧将简单的和成本低的馈电电路与负载侧的模块化多级转换器(M2C)组合。

Description

转换器
技术领域
本发明涉及一种按照权利要求1的前序部分所述的转换器。
背景技术
在传动技术中、特别是对于中压，采用多个不同的电路布局和功率半导体。在中压工业变流器中通常采用的电路布局可以粗略地划分为三个电路类别，即，电压中间电路转换器、电流中间电路转换器和使用晶闸管技术的直接转换器。此外，还可以将电压中间电路变流器划分为两个子类别，即，按照三角形连接的转换器和按照星形连接的转换器。按照三角形连接的转换器的典型代表例如是具有12脉冲二极管馈电的3级中性点连接(3-Level Neutral-Point-Clamped，3L-NPC)和具有12脉冲二极管馈电的4级飞跨电容器(4-Level Flying-Capacitor，4L-FC)。按照星形连接的电压中间电路转换器的典型代表例如是每单元具有2级H桥的串联H桥单元转换器(SC-HB(2L))和每单元具有3级H桥的串联H桥单元转换器(SC-HB(3L))。对于三角形连接的特征是，在相同的输出电压的情况下，半导体电路的电压负载功率比星形电路更高，同时电流负载更小。具有SC-HB拓扑的转换器通过其模块化使得甚至在中压范围在降低的单元数目的情况下也可以采用低截止的(niedersperrender)半导体开关。
上面提到的对于中压的转换器拓扑的等效电路图在Max Beuerman，MarcHiller和Dr.Rainer Sommer的标题为“Stromrichterschaltungen für Mittelspannungund deren Leistungshalbleiter für den Einsatz in Industriestromrichtern”印刷于ETG-Tagung“Bauelemente der Leistungselektronik und ihre Anwendung”，BadNauheim 2006的会议文集的出版物中。
从Rainer Marquardt、Anton Lesnicar和Jürgen Hildinger的印刷于ETG会议2002的会议文集的“Modulares Stromrichterkonzept für Netzkupplungsanwendungbei hohen Spannungen”中，公知一种具有在直流电压侧互相导电相连的、电网侧和负载侧的变流器的转换器，其中，作为变流器分别使用一个模块化的多点变流器，也称为模块化多级转换器(M2C)。具有按照M2C拓扑的、电网侧和负载侧的变流器的这样的电压中间电路转换器与已经描述的电压中间电路转换器不同，不再具有由中间电路电容器构造的电压中间电路。按照M2C拓扑的转换器的每个相模块的每个整流支路具有至少一个两极的子系统。通过每个整流支路的使用的子系统的数量确定输出相电压(Phasen-Ausgangsspannung)的等级性(Stufigkeit)。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种具有按照M2C拓扑的负载侧的变流器的电压中间电路转换器，其更简单并且成本更低。
按照本发明，通过权利要求1的特征解决上述技术问题。
通过设置至少一个多相的线路换相变流器(netzgeführter Stromrichter)作为电网侧的变流器，可以获得具有负载侧的按照M2C拓扑的变流器的电压中间电路转换器，其具有简单和成本低的馈电电路。与公知的电压中间电路转换器不同，按照本发明的在电压中间电路中的转换器不再具有中间电容器。由于不一定需要中间电路的低电感结构并且由于缺少中间电路电容器，与常规的转换器相比，极不可能发生中间电路短路。由此，整个转换器、特别是电网侧的、线路换相变流器的整流管(Stromrichterventil)，不再会被施加由于低欧姆的中间电路短路引起的短路电流。此外，对按照本发明的转换器的电网侧的线路换相变流器的整流管的i2t要求，相对于公知的具有二极管馈电和中间电路电容器的电压中间电路转换器，明显被降低。
在按照本发明的转换器的优选实施方式中设置多相的二极管整流器，作为多相的线路换相变流器。由此获得特别简单和成本低的馈电。
在按照本发明的转换器的另一种优选实施方式中，设置多相的晶闸管整流器或半控桥，作为多相的线路换相变流器。由此负载侧的按照M2C拓扑的变流器的模块电容器通过直流电压的升高借助在电网侧的晶闸管整流器充电。由此可以弃用在二极管馈电中所必须的预充电电路。此外，在由负载侧的按照M2C拓扑的变流器馈电的负载的启动范围(Anfahrbereich)中，可以在小的输出电压的情况下在全控范围中运行该变流器。在按照M2C拓扑的变流器中可以独立于中间电压并且独立于馈电电路的实施方式调节能量储备(Energieinhalt)，即，按照M2C拓扑的该变流器的两极的子系统的模块电容器的平均电压。
在按照本发明的转换器的另一种优选实施方式中，设置多相的晶闸管双向变流器，作为多相的线路换相变流器。由此与具有多相的晶闸管整流器的实施方式不同，可以将能量从负载馈入回馈电的电网。
附图说明
以下参考附图进一步解释本发明，在附图中示意性示出了按照本发明的转换器的多个实施方式。其中，
图1示出了具有在电网侧和负载侧的分别按照M2C拓扑的变流器的公知转换器的电路图，
图2示出了按照本发明的转换器的电路图，
图3示出了6脉冲的二极管桥的电路，
图4示出了6脉冲的晶闸管桥的电路，
图5示出了6脉冲的晶闸管双向变流器的电路图，
图6和7分别示出了按照本发明的转换器的另一个实施方式的电路图。
具体实施方式
图1示出了转换器、特别是电压中间电路转换器的电路图，具有电网侧的和负载侧的分别作为M2C变流器构造的变流器2和4。这样的变流器从已经提到的ETG-Tagung 2000的出版物公知。在示出的实施方式中，转换器的两个变流器2和4是三相地构造的。因此，变流器2和4分别具有三个相模块6以及8，这些相模块在直流电压侧与正的直流电压母线P0并且与负的直流电压母线N0导电相连。在这些直流电压母线P0和N0之间降落一个未示出的直流电压。电网侧和负载侧的变流器2和4的每个相模块6以及8具有一个上整流支路和下整流支路T1、T3、T5和T2、T4、T6。这些整流支路的每一个T1-T6具有多个电串联的两极子系统10。在示出的电路图中每个整流支路T1-T6具有四个两极的子系统10。在DE10103031A1和DE102005041087A1中详细示出了这些两极的子系统10的实施例并且解释了其工作原理。电网侧和负载侧的变流器2以及4的一个相模块10的两个整流器T1和T2以及T3和T4以及T5和T6形成交流电压侧的接头L1以及L2以及L3。在电网侧的变流器2的交流侧的接头L1、L2和L3上连接了电网变压器12的次级绕组，其初级绕组与未详细示出的馈电三相电网相连。在负载侧的变流器4的交流侧的接头L1、L2和L3上连接了负载，特别是三相电机14。
图2示出了按照本发明的转换器、特别是电压中间电路转换器的原理图。该按照本发明的转换器与按照图1的已知转换器的区别在于，设置了在直流电压侧电串联的多个多相的线路换相变流器16，作为电网侧的变流器2。线路换相变流器16在直流电压侧也可以并联连接或串并联连接。作为馈电电路还可以仅设置一个多相的线路换相变流器16。交流电压侧设置电网变压器18，其具有相应于线路换相变流器16的数量的次级绕组。这些次级绕组优选地互相分别具有预先确定的偏移角度。该偏移角度的大小，取决于在直流电压侧电串联连接的线路换相变流器16的数量。
图3示意性示出了线路换相变流器16的第一实施方式。在此是6脉冲的二极管桥式电路。如果两个该6脉冲的二极管桥式电路在直流电压侧电串联连接，则获得12脉冲的电网侧的变流器2。该两个6脉冲的二极管桥式电路借助于由一个按照三角形接法的次级绕组和一个按照星形接法的次级绕组组成的标准变压器连接到馈电电网。如果三个6脉冲二极管桥式电路在直流电压侧串联连接，则获得对于电网侧的变流器2的18脉冲电路。该电网侧的变流器2的脉冲数越多，则具有谐波的馈电电网的电网负载越小。为了出现该小的电网负载，两个6脉冲二极管桥中的一个的交流电压侧的电网电压ux、vx和wx必须互相分别具有偏移角度(例如在12脉冲电路的情况下30°)。这点例如通过如下来实现：两个次级绕组中的一个按照三角形连接并且另一个按照星形连接。
图4详细示出了线路换相变流器16的第二实施方式。该实施方式是按照6脉冲桥式电路的晶闸管整流器。借助于线路换相变流器16的该实施方式可以独立于馈电电网的电网电压来将中间电路直流电压调整到预定的值。此外，存在如下可能性，将两极的子系统10的模块电容器充电，由此不再需要单独的预充电电路。这点对于半控晶闸管桥也适用。
如果要将能量从负载14馈入回馈电电网中，则替代按照图3的6脉冲二极管桥或者替代按照图4的6脉冲晶闸管桥，使用按照图5的晶闸管双向变流器作为线路换相变流器16。
图6示出了按照本发明的转换器的另一个实施方式的电路图。该实施方式与按照图2的实施方式的区别在于，设置了按照M2C拓扑的另一个负载侧的变流器20。该另一个负载侧的变流器20与第一负载侧的变流器4一样同样是被构造为三相M2C变流器。在直流电压侧该另一个电网侧的变流器20与转换器的正的并且与负的直流电压母线P0和N0导电相连。借助于具有两个负载侧的变流器4和20和一个电网侧的由至少两个电串联连接的线路换相变流器16组成的变流器2的这样的转换器可以同时互相分开地调节两个负载14。因为在该电压中间电路转换器中不再具有中央的中间电路电容器，所以就低电感的结构来说对转换器没有特别要求。此外，由此充分利用具有至少两个直流电压侧电串联的线路换相变流器16的电网侧的变流器2的安装的变流器设计容量。
图7示出了按照本发明的转换器的另一个实施方式的电路图。该实施方式与按照图2的实施方式的区别在于，转换器单元22和转换器单元24互相组合。转换器单元22相应于按照图2的转换器，其中电网侧的变流器2仅具有两个在直流电压侧电串联的线路换相的变流器16。相应地，电网变压器26仅具有两个次级绕组。该两个次级绕组中的一个按照星形连接，而另一个次级绕组按照三角形连接。由此获得12脉冲的馈电电路。转换器单元24相应于按照图1的转换器。该两个转换器单元22和24并联运行。在此，这样运行转换器单元24，使得该转换器单元24能够补偿转换器单元22的电网侧的变流器2的高次谐波电流及其无功功率。
利用具有至少两个直流电压侧电串联连接的线路换相变流器16的电网侧的变流器2的与构造为模块化多级转换器(M2C)的负载侧的变流器4的组合，获得电压中间电路转换器，其与对于在子类别“按照三角形连接的转换器”中的中压的电压中间电路转换器的公知实施方式不同，不再具有由至少一个电容器构造的电压中间电路。与对于在子类别“按照星形连接的转换器”中的中压的公知的电压中间电路转换器不同，替代用于单元转换器(Zellenumrichter)的H桥，此时使用两极的子系统10，其中，同样在中压范围中采用低截止的半导体开关，特别是具有截止电压1.7kV的IGBT。由此，获得对于中压的电压中间电路转换器，其将一个具有用于变流器应用的标准变压器26和一个不一定是低电感的中间电路的简单的二极管馈电，无需能量存储器地与负载侧的单元转换器以降低的开销组合，从而仅产生按照三角形接法和星形接法的公知转换器的优点。

Claims (10)

1.一种转换器，具有电网侧和负载侧的变流器(2，4)，所述变流器在直流电压侧互相导电连接，其中，负载侧的多相变流器(4)的每个相模块(8)的上整流支路和下整流支路(T1，T3，T5；T2，T4，T6)分别具有至少一个两极的子系统(10)，
其中，设置多个多相的线路换相变流器(16)作为电网侧的变流器(2)，所述线路换相变流器在直流电压侧电串联并且在交流电压侧分别与电网变压器的次级绕组相连，其中，所述转换器不具有中间电路电容器，
其中，所述多相的线路换相变流器(16)的整流管不设计用于由于低欧姆的中间电路短路引起的短路电流。
2.根据权利要求1所述的转换器，其特征在于，所述多相的线路换相变流器(16)的整流器借助于该整流管的降低的i2t要求而不设计用于由于低欧姆的中间电路短路引起的短路电流。
3.根据权利要求1所述的转换器，其特征在于，所述线路换相变流器(16)被构造为二极管整流器。
4.根据权利要求1所述的转换器，其特征在于，所述线路换相变流器(16)被构造为晶闸管整流器。
5.根据权利要求1所述的转换器，其特征在于，所述线路换相变流器(16)被构造为半控的晶闸管桥。
6.根据权利要求1所述的转换器，其特征在于，所述线路换相变流器(16)被构造为晶闸管双向变流器。
7.根据权利要求5所述的转换器，其特征在于，所述线路换相变流器(16)被设置为在直流电压侧电串联连接的二极管整流器和晶闸管整流器。
8.根据上述权利要求中任一项所述的转换器，其特征在于，设置另一个负载侧的多相变流器(20)，其在直流电压侧与电网侧，并且与第一负载侧的多相变流器(4)电并联连接。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的转换器，具有电串联的至少两个多相的线路换相变流器(16)，其特征在于，电网侧的变流器(2)的这些多相的线路换相变流器(16)在交流电压侧分别与电网变压器(18)的低电压侧的变压器绕组的接头相连。
10.根据权利要求9所述的转换器，其特征在于，所述低电压侧的变压器绕组被这样构造，使得其互相具有预定的偏移角度。
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