CN102035398B - 直接转换器以及具有这种直接转换器的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种直接转换器(1)，包括n个输入相接头(U1，V1，W1)和p个输出相接头(U2，V2，W2)，其中n≥2和p≥2。此外，直接转换器包括(n·p)个两极的、用于在这些极之间切换至少一个正的和至少一个负的电压的开关单元(2)，其中每个输出相接头(U2，V2，W2)与每个输入相接头(U1，V1，W1)分别通过开关单元(2)串联。为了实现从直接转换器的输入相接头向输出相接头的任意的和连续的电流调节并且此外为了在直接转换器的两极的开关单元之间交换电能，在每个串联连接部分中接入了至少一个电感(3)。此外给出了一种具有直接转换器的系统。

Description

直接转换器以及具有这种直接转换器的系统
技术领域
本发明涉及功率电子学的领域。其基于根据独立权利要求的前序部分所述的直接转换器(Direktumrichter)以及具有这种直接转换器的系统。
背景技术
直接转换器、特别是矩阵转换器(Matrixumrichter)在过去更具有学术性的重要性。然而当今直接转换器主要对于工业应用具有重要意义，这是因为借助于直接转换器可以在无需耗费大的直流电压中间电路或直流电流中间电路的情况下将第一振幅和第一频率的输入电压或输入电流直接地转换为第二振幅和第二频率的输出电压或输出电流。这种直接转换器例如在US6,900,998B2中给出。在那里，直接转换器具有n＝3个输入相接头(Eingangsphasenanschluesse)和p＝3个输出相接头，也就是说根据US6,900,998B2的直接转换器在输入侧和输出侧都设计为三相的。根据US6,900,998B2的直接转换器还包括九个两极的、用于在这些极之间切换正的和负的电压的开关单元(Schaltzelle)，其中每个输出相接头与每个输入相接头分别直接地经过开关单元串联。
在根据US6,900,998B2的直接转换器中存在的问题是，在每条支路上的、也就是说在每个两极的开关单元上的电压不能这样地调节，即能够实现从输入相接头向输出相接头的连续的电流流动，因此不能通过相应支路实现主动的电流调节(aktiveStromeinstellung)。此外，利用根据US6,900,998B2的直接转换器不能或者仅能实现非常受限制的、在各个支路之间的电能交换。但是如果直接转换器能够传输大量电能，那么根据US6,900,998B2的开关单元的电容的尺寸相应地确定为大，由此导致了这种直接转换器的巨大的空间需求和高昂的费用。利用这种直接转换器构建的系统因此同样也具有相应大的空间需求并且是相应昂贵的。
发明内容
因此本发明的目的在于，给出一种直接转换器，借助于该直接转换器可以实现从直接转换器的输入相接头向输出相接头的任意的和连续的电流调节以及此外可以实现在直接转换器的两极的开关单元之间交换电能。此外，本发明的目的在于，给出一种具有这种根据本发明的直接转换器的系统。
该目的通过权利要求1或权利要求6所述的特征来实现。在从属权利要求中给出了本发明的有利的改进方案。
根据本发明的直接转换器包括n个输入相接头和p个输出相接头，其中n≥2和p≥2。此外，直接转换器包括n·p个两极的、用于在这些极之间切换至少一个正的和至少一个负的电压的开关单元，其中每个输出相接头与每个输入相接头分别经过开关单元串联。根据本发明，现在，在每个串联连接部分中接入了至少一个电感。在每个串联连接部分中的、也就是说在输入相接头与输出相接头之间的每个支路中的电感能够有利地实现通过电压单元这样地调节电压，使得能够实现从输入相接头向输出相接头的连续的电流流动，因此能够通过相应支路实现主动的电流调节。此外，利用根据本发明的直接转换器能够实现几乎任意的、在各个支路之间的电能交换。
在根据本发明的、具有前述的根据本发明的直接转换器的系统中，直接转换器在输入相接头上经过变压器(Transformer)连接到电气交变电压网(einelektrischesWechselspannungsnetz)上。对此可替换的是，根据本发明的直接转换器在直接转换器的至少一个输入相接头上经过输入故障电流限流线圈(Eingangfehlerstrombegrenzungsdrossel)连接到电气交变电压网上。总体上，根据本发明的系统因此非常简单地构造。
附图说明
由下面结合附图对于本发明的优选实施方式的详细描述，本发明的这些以及另外的目的、优点和特征变得明显。
图中示出：
图1示出直接转换器的第一实施方式第一实施方式；
图2示出直接转换器的第二实施方式第一实施方式；
图3示出直接转换器的第三实施方式；
图4示出系统的第一实施方式；
图5示出系统的第二实施方式；
图6示出系统的第三实施方式；
图7示出系统的第四实施方式；
图8示出系统的第五实施方式；
图9示出系统的第六实施方式；
图10示出系统的第七实施方式；
图11示出系统的第八实施方式；
图12示出系统的第九实施方式；
图13示出系统的第十实施方式；
图14示出系统的第十一实施方式；
图15示出系统的第十二个实施方式；以及
图16示出系统的第十三实施方式。
附图中所应用的标号和其含义在参考标号列表中总结列出。原则上在附图中相同的部件以相同的标号示出。所述的实施方式对于发明主题是示例性的并且不形成限制的效果。
具体实施方式
根据本发明的直接转换器1一般地包括n个输入相接头U1，V1，W1和p个输出相接头U2，V2，W2，其中n≥2和p≥2。此外，直接转换器1包括n·p个两极的、用于在这些极之间切换至少一个正的和至少一个负的电压的开关单元2，其中每个输出相接头U2，V2，W2与每个输入相接头U1，V1，W1分别经过一个开关单元2串联。在图1中该用于直接转换器的串联连接部分示例性地示出为带有n＝3个输入相接头U1，V1，W1和p＝3个输出相接头U2，V2，W2。此外，图2示出了带有n＝2个输入相接头U1，V1和p＝3个输出相接头U2，V2，W2的直接转换器，以及图3示出了带有n＝2个输入相接头U1，V1和p＝2个输出相接头U2，V2的直接转换器。
根据本发明，现在，在每个串联连接部分中、也就是说如前述地，在输出相接头U2，V2，W2与输入相接头U1，V1，W1之间的、经过所属的两极的开关单元2的相应连接部分中接入了至少一个电感3。电感3在每个串联连接部分中，也就是说在输入相接头U1，V1，W1与输出相接头U2，V2，W2之间的每个支路中能够有利地通过开关单元2这样地实现电压调节，使得能够实现从输入相接头U1，V1，W1向输出相接头U2，V2，W2的连续的电流流动，由此通过相应支路可以实现主动的电流调节。此外，利用根据本发明的直接转换器1可以实现几乎任意的、在各个支路之间的电能交换。
优选地，每个开关单元2具有：四个按照电桥电路的方式连接的、可控制的双向功率半导体开关，具有受控制的单向电流引导方向；以及与功率半导体开关的电桥电路并联的电容储能器。但是也可以考虑两极的开关单元2，其一般设计为能够在这些极之间切换至少一个正的和至少一个负的电压的多电平电路。
具有受控制的单向电流引导方向的、可控制的双向功率半导体开关尤其设计为门极可关断晶闸管(GTO-GateTurn-OffThyristor)或设计为集成门极换流晶闸管(IGCT-IntegratedGateCommutatedThyristor)，带有相应的反并联的二极管。但也可以考虑将可控制的功率半导体开关例如设计为功率金属氧化物半导体场效应晶体管(Leistungs-MOSFET)，其具有附加的反并联的二极管，或者设计为带有附加的反并联的二极管的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。借助于前面已经描述过的几乎任意的、在各个支路之间以及进而在各个开关单元2之间的电能交换，可以在应该能够传输大量电能的直接转换器1中将开关单元的电容储能器有利地相应小地确定尺寸，由此产生相对于已知的直接转换器的显著的空间节省和费用的明显降低。利用这种直接转换器构建的系统由此同样可以具有相应低的空间需求并且相应成本低廉。
在根据本发明的直接转换器的一个出于简明目的未示出的实施方式中，在每个串联连接部分中接入了至少一个其它两极的、用于在这些极之间切换至少一个正的和至少一个负的电压的开关单元2，由此，需要切换的电压、也就是说电压负载能力，可以经过在输入相接头U1，V1，W1与输出相接头U2，V2，W2之间的全部的串联连接部分有利地得到提高。
也可以考虑的是，与每个开关单元2并联了至少一个其它两极的、(例如如前述所设计地)用于在这些极之间切换至少一个正的和至少一个负的电压的开关单元2。由此可以有利地通过在输入相接头U1，V1，W1与输出相接头U2，V2，W2之间的全部的串联连接部分实现更高的电流、也就是说提高的电流负载能力。也可能的是，开关单元2与至少一个电感3的每个串联电路和两极的、用于在这些极之间切换至少一个正的和至少一个负的电压的开关单元2与至少一个其它电感3的至少一个其它串联电路并联。
为了在故障情况下保护开关单元2，可以优选地与每个开关单元2并联短路元件。
根据本发明的系统的实施方式在图4至图16中示出并且在下面详细地描述，其中图4至图8，图10，图13和图14示例性地给出了一种用于耦合三相的电气交变电压网5与两相的电气交变电压网的系统，例如是用于铁路网络耦合(Bahnnetzkopplung)，以及其中图9，图11，图12，图15和图16示例性地给出了一种用于耦合三相的电气交变电压网5与电的负载、例如旋转电机的系统。在根据本发明的、具有前述的根据本发明的直接转换器1的系统中，直接转换器1在输入相接头U1，V1，W1上经过变压器4连接到电气交变电压网5上，例如如在图4，图7至图10和图13和图14中示出的一样。对此可替换地，根据本发明的直接转换器1在直接转换器1的至少一个输入相接头U1，V1，W1上经过输入故障电流限流线圈6连接到电气交变电压网上，例如如在图6中，但也如在图5和图14至图16中示出的一样。如果输入相接头U1，V1，W1接地，则可以优选地取消在该输入相接头U1，V1，W1上的输入故障电流限流线圈6。各个输入故障电流限流线圈6限制了在故障情况下可能出现的大的输入侧电流并且进而保护直接转换器1以防止受到损坏或损毁。根据图11和图12例如对于运行旋转电机的应用来说也可以考虑的是，输入相接头U1，V1，W1直接地与电气交变电压网5连接。根据本发明的系统的构造因此总体上可以非常简单地实现。
此外在系统中可选地，在直接转换器1的至少一个输出相接头U2，V2，W2上连接输出故障电流限流线圈7，例如如在图4至图8，图10，图13和图14中示出的一样。如果输出相接头U2，V2，W2接地，则可以优选地取消在该输出相接头U2，V2，W2上的输出故障电流限流线圈7。各个输出故障电流限流线圈7限制了在故障情况下可能出现的大的输出侧电流并且进而保护直接转换器1以防止受到损坏或损毁。
根据图7所示可能的是，由电阻R和电容C的串联电路构成的RC-滤波器8与输出故障电流限流线圈7连接并且接地，以便对作用于隔离件(Isolationen)(变压器、电缆)上的电压梯度du/dt加以限制。
根据图8和图9所示，每个输入相接头U1，V1，W1也可以与相应的由电阻R和电容C的串联电路构成的边缘滤波器9连接，边缘滤波器9则相互连接并且连接点经过接地电阻Rg接地。这种边缘滤波器也用于对作用于隔离件(变压器、电缆)上的电压梯度du/dt加以限制。可选地，边缘滤波器9的连接点与RC-滤波器8的接地连接，以便实现两个滤波器8，9的耦合。
此外，一般地在根据本发明的系统中，在至少一个输入相接头U1，V1，W1上连接了充电装置10，如在图11和图12中示出的一样。如果，如前面实施地，在直接转换器1的至少一个输入相接头U1，V1，W1上连接了输入故障电流限流线圈6，那么也可以考虑的是，随后在该输入故障电流限流线圈6上连接充电装置10。此外，这种充电装置10也可以连接到输出故障电流限流线圈7上，如在图10中示出的一样。在如下情况下，即在直接转换器1的至少一个输出相接头U2，V2，W2上连接输出故障电流限流线圈7，那么也可以考虑的是，随后在该输出故障电流限流线圈7上连接充电装置10。一般地，充电装置10有利地用于对开关单元2的电容储能器进行充电。充电装置10包括：中压断路器；单相的可能可调节的充电变压器，其由合适的辅助电压产生需要的充电电压；以及充电电流限制措施(交流电调节器或充电电阻)，其在充电变压器的任意一侧上。可以考虑的是，多个直接转换器1共享一个充电装置10。每个直接转换器1经过一个自身的断路器与充电装置连接，需要充电的直接转换器1则通过相应断路器的闭合而与充电装置10连接。
在根据本发明的系统中，也可以设置有至少一个其它直接转换器11，其中该其它直接转换器11如前面已经描述过的根据本发明的直接转换器1那样设计并且各个其它直接转换器11的输入相接头U1，V1，W1的数量n等于直接转换器1的输入相接头U1，V1，W1的数量n，以及各个其它直接转换器11的输出相接头U2，V2，W2的数量p等于直接转换器1的输出相接头U2，V2，W2的数量p。优选地，各个其它直接转换器11在各个其它直接转换器11的输入相接头U1，V1，W1和输出相接头U2，V2，W2上与直接转换器1在直接转换器1的输入相接头U1，V1，W1和输出相接头U2，V2，W2上并联，例如如在图13和图15中示出的一样。根据应用的情况而定，也可以合理的是，根据图14的各个其它直接转换器11与直接转换器1并联。也可以考虑的是，其它直接转换器11与直接转换器1经过电的负载、例如经过旋转电机的绕组在输出侧上连接，如在图16中示例性示出的一样。
参考标号列表
1直接转换器
2开关单元
3电感
4变压器
5电气交变电压网
6输入故障电流限流线圈
7输出故障电流限流线圈
8RC-滤波器
9边缘滤波器
10充电装置
11其它直接转换器

Claims (14)

1.一种直接转换器(1)，包括：n个输入相接头(U1,V1,W1)和p个输出相接头(U2,V2,W2)，其中n≥2且p≥2；(n·p)个两极的、用于在所述极之间切换至少一个正的和至少一个负的电压的开关单元(2)，其中每个输出相接头(U2,V2,W2)与每个输入相接头(U1,V1,W1)分别通过开关单元(2)串联，
其特征在于，
在每个串联连接部分中接入了至少一个电感(3)，其中所述电感能够通过所述开关单元这样地实现电压调节，使得能够实现从输入相接头向输出相接头的连续电流流动。
2.如权利要求1所述的直接转换器(1)，其特征在于，每个开关单元(2)具有：四个按照电桥电路的方式连接的、可控制的双向功率半导体开关，所述功率半导体开关具有受控制的单向电流引导方向；以及与所述功率半导体开关的所述电桥电路并联的电容储能器。
3.如权利要求1或2所述的直接转换器(1)，其特征在于，在每个串联连接部分中接入至少一个其它两极的、用于在所述极之间切换至少一个正的和至少一个负的电压的开关单元(2)。
4.如权利要求1至2中任一项所述的直接转换器(1)，其特征在于，与每个开关单元(2)并联了至少一个其它两极的、用于在所述极之间切换至少一个正的和至少一个负的电压的开关单元(2)。
5.如权利要求1至2中任一项所述的直接转换器(1)，其特征在于，所述开关单元(2)与至少一个电感(3)的每个串联电路和两极的、用于在所述极之间切换至少一个正的和至少一个负的电压的开关单元(2)与至少一个其它电感(3)的至少一个其它串联电路并联。
6.如权利要求1至2中任一项所述的直接转换器(1)，其特征在于，与每个开关单元(2)并联了短路元件。
7.一种系统，包括如权利要求1至6中任一项所述的直接转换器、变压器(4)以及电气交变电压网(5)，其特征在于，所述直接转换器(1)在输入相接头(U1,V1,W1)上经过所述变压器(4)连接到所述电气交变电压网(5)上。
8.一种系统，包括如权利要求1至6中任一项所述的直接转换器、输入故障电流限流线圈(6)以及电气交变电压网(5)，其特征在于，所述直接转换器在所述直接转换器(1)的至少一个输入相接头(U1,V1,W1)上经过所述输入故障电流限流线圈(6)连接到所述电气交变电压网(5)上。
9.如权利要求7或8所述的系统，其特征在于，连接输出故障电流限流线圈(7)用于所述直接转换器(1)的至少一个输出相接头(U2,V2,W2)。
10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，由电阻(R)和电容(C)的串联电路构成的RC-滤波器(8)与所述输出故障电流限流线圈(7)连接并且接地。
11.如权利要求7至8中任一项所述的系统，其特征在于，每个输入相接头(U1,V1,W1)与相应的、由电阻(R)和电容(C)的串联电路构成的边缘滤波器(9)连接；以及
所述边缘滤波器(9)相互连接并且连接点经过接地电阻(Rg)接地。
12.如权利要求7至8中任一项所述的系统，其特征在于，充电装置(10)连接到至少一个输入相接头(U1,V1,W1)上。
13.如权利要求9所述的系统，其特征在于，充电装置(10)连接到所述输出故障电流限流线圈(7)上。
14.如权利要求7至8中任一项所述的系统，其特征在于，设置有如权利要求1至5中任一项的至少一个其它直接转换器(11)，其中各个其它直接转换器(11)的输入相接头(U1,V1,W1)的数量n等于所述直接转换器(1)的输入相接头(U1,V1,W1)的数量n，以及各个其它直接转换器(11)的输出相接头(U2,V2,W2)的数量p等于所述直接转换器(1)的输出相接头(U2,V2,W2)的数量p；以及各个其它直接转换器(11)在各个其它直接转换器(11)的输入相接头(U1,V1,W1)和输出相接头(U2,V2,W2)上与所述直接转换器(1)在所述直接转换器(1)的输入相接头(U1,V1,W1)和输出相接头(U2,V2,W2)上并联。
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