CN102130602A - 特别是用于用以制造多晶硅的反应器的模块式供电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及供电装置，具有中央控制单元和至少一个基本供电单元，控制单元有至少一个调节和控制装置用于调节和/或控制基本供电单元；基本供电单元有至少一个输入端用于给基本供电单元供应电能，和至少一个输出端用于与一组负载连接，负载通过基本供电单元能被供应从供电网络获得的电能，及可控制的开关，开关至少间接地与输入端和输出端连接，通过开关能够调节经由输出端可供给负载的能量，开关能通过控制单元控制；其中控制单元是控制模块，基本供电单元是基本供电模块；控制模块有用于与供电网络连接的输入端用以给控制模块供给电能；供电装置具有通信总线；控制模块和基本供电模块都有接口，它们通过接口与通信总线连接。

Description

特别是用于用以制造多晶硅的反应器的模块式供电装置
技术领域
本发明涉及一种供电装置，特别是用于用以制造多晶硅的反应器，具有控制单元和至少一个基本供电单元，其中，控制单元具有至少一个调节和控制装置，用于调节和/或控制基本供电单元；基本供电单元具有：至少一个输入端，用于与供应电能用的供电网络连接，至少一个输出端，用于与一组负载连接，这些负载通过基本供电单元能够被供应从供电网络获得的电能，和可控制的开关，优选为闸流晶体管，这些开关至少间接地与输入端连接和至少间接地与输出端连接，并且，通过这些开关能够调节经由输出端可供给负载的能量，其中，所述开关能够通过控制单元进行控制。
背景技术
例如由公开文献DE 20 2004 014 812 U1已知一种这样的供电装置。该实用新型公开一种带有基本供电单元的供电装置，借以能够给串联于供电装置上的负载连续运行地供应电压。一部分负载能够并行地从中压供电单元被供应中压。在该文献中没有进一步描述控制单元。特别是没有公开，控制单元是如何作用于基本供电单元的可控制开关或者如何作用于中压供电单元。
由DE 20 2009 003 325 U1也已知一种供电装置，它具有一个基本供电单元和一个中压供电单元，其中没有详细描述基本供电单元。在该文献中虽然提到了控制单元，但是并没有对其进一步描述。
这样的供电装置、但其他供电装置也具有的其他缺点是，它们被单独地和针对委托地构造。每个供电装置都是一种特殊的供电问题的单独的解决方案，其中都可追溯到以前的解决方案的经验。
发明内容
在此提出本发明。
本发明的目的是，这样改进开头所述类型的供电装置，从具有控制单元和基本供电单元的简单的供电装置出发，能够实现供电装置的灵活适配，而无需重新构造单独的解决方案。
按照本发明这样实现该目的，即，控制单元是控制模块，基本供电单元是基本供电模块；控制模块具有用于与供电网络连接的输入端，用以给控制模块供给电能；供电装置具有通信总线；控制模块和基本供电模块都具有接口，控制模块和基本供电模块通过该接口与通信总线连接。
根据本发明的模块式构成的这种供电装置能够从一种具有一控制模块和一基本供电模块的装置出发灵活地进行扩展。扩展例如可以在于另外的基本供电模块，这些基本供电模块必要时可以事后附加到供电装置上。但也可以给供电装置附加其它类型的模块。附加的模块通过接口和通信总线与控制模块相连，由此，所述附加的模块由控制模块控制或调节。此外，所述附加的模块还具有自己的输入端，用于与供电网络连接。因此，根据本发明的供电装置能够简单地进行标定(skalierbar)。对于利用西门子法制造多晶硅的实践来说，这意味着，可以通过例如将基本供电模块的数量与需要供电的硅细棒的数量进行适配来实现根据本发明的供电设备。必要时也可以事后给用于向按西门子法的多晶硅反应器供电的供电装置附加用于改进的过程控制的模块。供电装置的或多晶硅的制造厂商由此可以使具有西门子反应器的设备灵活地与改变的条件、例如原材料价格、能量价格或多晶硅价格相适配或者说与需求相适配。
所述供电装置可以具有一带有多个次级侧的抽头的变压器，其中，对于基本模块的每个抽头，都有一组可控制的开关配设给基本供电模块的一个输出端并且能配设给一个输出端，以便调节通过该抽头从供电网络中能够获取的电能。所述可控制的开关例如可以是闸流晶体管。各组所述可控制的开关，有利地可以在不中间连接其它开关的情况下，一方面与抽头连接而另一方面与基本供电模块的输出端连接。特别有利的是，除了所述组的可控制开关以外，在抽头和所述输出端之间的电流路径中没有开关，特别是没有机械式的、(能)可靠分离的大电流开关，例如保护装置。
当然，在各组所述可控制开关和所述输出端之间设有一节点。该节点能够通过一个另外的可控制开关与基准电位相连。由此可以将基本供电模块的输出端接地并通过接地(Erde)短接。当连接在基本供电模块的输出端上的负载以其它方式被供应电能时，这种情况是所希望的。根据本发明的基本供电模块优选具有闭锁装置，所述闭锁装置用于确保，或者使各组可控制开关中的一组可控制开关中的一个可控制开关闭合，或者使用于与基准电位连接的所述另外的可控制开关闭合。由此可以防止，连接在基本供电模块的输出端上的负载同时由基本供电模块和以其他方式被供应电能。
在基本供电模块的输出端上可以给负载供应0V至3000V、有利地至2500V的交流电压，0A至5000A、有利地至4000A、特别是至3000A的交流电流。在变压器的输入端上可以供应例如在6000V至33000V的中压范围内的三相交流电压。在基本供电模块的输入端上，可以施加0至3000V、优选为2500V的单相交流电压。
基本供电模块可以具有用于接地识别的元件。
根据本发明的模块式供电装置可以具有多个相同的或相同类型的基本供电模块。
根据本发明的模块式供电装置可以具有中压供电模块作为另一种类型的模块，该中压供电模块具有至少一个用于与电网或与供应电能用的变压器连接的输入端、和多个用于分别与负载组中的一个负载连接的输出端，所述负载能够被供应从供电网络中获得的电能；该中压供电模块还具有接口，模块式供电装置通过该接口与通信总线相连。
基本供电模块在供电装置的输出端上优选提供0V至3000V、优选至2500V的电压，以便给连接在所述输出端上的负载供电，而利用中压供电模块能够提供更高的电压。在中压供电模块的各输出端上例如能够提供0V至12000V、特别是至8000V的交流电压，以及0A至50A，优选至20A的交流电流。
可以在根据本发明的供电装置的中压供电模块的输入端上给中压供电模块三相地供应来自供电网络或变压器的抽头的400V的交流电压。所述中压供电模块可以具有至少一个用于提高能施加在输入端上的电压的变流器。中压供电模块的每个输出端可以配设一个变流器。
至少在给连接于中压供电模块输出端上的负载供电时，各输出端上的链接的电压可以等于0V。中压供电模块的各输出端可以分别配设两个接头，其中，除了两个外部的接头以外，所有其他的内部的接头配设给两个输出端。中压供电模块的外部的各接头分别与基本供电模块的输出端的一个接头相连。由此，可以同时将各负载串联地连接到基本供电模块的输出端上，而不会由此使电流从中压供电模块流入基本供电模块的输出端。
所述模块式供电装置可以具有多个相同的或相同类型的中压供电模块。
“相同类型”指的是，各中压供电模块尽管可以是不同的，但至少与通信总线的接口是相同的，并且每个中压供电模块都具有自己的电网接头。
中压供电模块的数量优选等于基本供电模块的数量。中压供电模块和基本供电模块此时可以成对地配设给各一组负载。
根据本发明的模块式供电装置可以具有中频供电模块，该中频供电模块具有至少一个用于与电网连接或与供应电能用的变压器连接的输入端和多个用于分别与负载组中的一个负载连接的输出端，所述负载能够被供应从供电网络获取的电能；中频供电模块还具有接口，模块式供电装置通过该接口与通信总线相连。
在中频供电模块的输出端上能够在2kHz至250kHz、优选20kHz至150kHz的频率下提供0V至100V、优选至50V的交流电压，以及0A至1500A的交流电流。
模块式供电装置的中频供电模块可以具有一个或更多个变频器，以便改变、特别是升高供电网络的能施加在输入端上的电压的频率。
变频器之一的每个输出端可以配有中频供电模块的一个输出端。至少在给连接于中频供电模块的输出端上的负载供电时，中频供电模块的一对输出端上的链接的(verkettete)电压可以等于0V。
中频供电模块的各输出端分别配有两个接头，并且每对输出端可以具有两个外部的接头和一个内部的接头，其中两个外部的接头分别配设给所述一对输出端的两个接头中的一个接头，而所述内部的接头配设给所述一对输出端的两个输出端。
在中频供电模块的输入端上给中频供电模块优选三相地供应来自供电网络或来自变压器的、在两个外侧导线之间的200V至690V、优选为400V的交流电压。
所述模块式供电装置可以具有多个相同的或相同类型的中频供电模块。这里相同类型的各中频供电模块至少具有与其他中频供电模块相同的、用于与通信总线连接的接口，并具有自己的电网接头。中频供电模块的数量可以等于基本供电模块的数量。
在根据本发明的模块式供电装置中，控制模块、每个基本供电模块以及必要时每个中频供电模块有利地分别设置在一个配电柜中。每个中压供电模块可以与一基本供电模块一起设置在一个配电柜中。每个配电柜有利地具有一个电网接头。每个模块可以具有一个用于辅助供电的电网接头。每个配电柜可以具有一个显示单元，特别是显示屏。
除了控制模块以外，每个模块可以具有一个分散型(非中心)的控制单元，该控制单元例如与模块内部的测量值传感器、可控制开关元件例如闸流晶体管或类似元件的控制接头相连。分散型的各控制单元可以通过各模块的接口与通信总线相连。所述分散型的控制单元可以设置在控制模块的后面。
根据本发明的供电装置优选适用于并且设置成给偶数个负载供电，并且因此优选具有偶数个输出端。
附图说明
借助附图更详细地说明按照本发明的模块式供电装置的示例。
图1a和图1b示出按照本发明的模块式供电装置的简化的线路图，
图2示出带有三个基本供电模块的模块式供电装置的简化线路图。
具体实施方式
在图1a、1b中示出按照本发明的模块式供电装置的功率路径以及一变压器40、一基本供电模块B、一中压供电模块MV和一中频供电模块MF。没有示出控制模块和通信总线，同样(少地)也没有示出在基本供电模块B、中压供电模块MV和中频供电模块MF内部的控制导线、测量值传感器和测量值导线、或者模块B、MV、MF与通信总线的接口以及接口驱动电路。此外，同样没有示出在基本供电模块B、中压供电模块MV和/或中频供电模块MF中存在的、连接在控制模块后面的控制单元和/或驱动电路或者说点火电路。
根据图1a、1b的模块式供电装置的基本供电模块B包括电网接头(Netzanschluss)，该电网接头与变压器40的次级侧相连接。变压器40的次级侧具有多个第一抽头401至406。每个第一抽头401至406在基本供电模块B中经由两个反向并联(antiparallel)连接的闸流晶体管11或一个三端双向可控硅开关(Triac)与一个节点12相连接。节点12一方面与基本供电模块B的输出端的第一接头131连接。节点12还可经由一个可控制的开关141接地。变压器40的次级侧的第二抽头407与基本供电模块B的输出端的一个接头132连接并且同时可经由一个可控制的开关142接地。
最大可能的电压在变压器40的次级侧的第一抽头401和第二抽头407之间降低。因为其他的第一抽头402至406位于这两个抽头401与407之间，在这些第一抽头402至406之一与第二抽头407之间降低的电压小于最大可能的电压。根据闸流晶体管分支111至116中的哪一个分支被接通，在节点12并且因而在接头131上提供或较高或较低的电压，前提条件是开关141打开。通过调节闸流晶体管的点火角(Zuendwinkel)或者通过调节相位超前角(Phasenanschnittwinkel)，电压可以在第一抽头401和第二抽头407之间的最大可能的电压与第一抽头406和第二抽头407之间的最小的电压之间无级地进行调节。
这样一个基本供电模块B确保在接头131和132之间串联地连接在基本供电模块B上的硅棒或者说硅细棒R1至R4的调节供给或基本负荷供给。
通过中压供电模块MV和中频供电模块MF可以改善西门子反应器的功率。因此，中压供电模块MV和中频供电模块MF可以附加地设置在模块式的电路装置中。
通过基本供电模块B被供给电流的硅棒或者说硅细棒R1至R4在冷的状态下、也就是说也在室温时是绝缘体。硅棒或者说硅细棒R1至R4只有通过加热才变成能导电的。中压供电模块MV可用于，在分离过程开始时加热硅细棒或者说硅棒R1至R4，使得它们变成能导电的并且能从基本供电模块B被供给电流(介电的加热)。中压供电模块MV，为此相对于基本供电模块B，在其输出端上提供较高的电压。在每个输出端上连接硅棒或者说硅细棒R1至R4之一。优选地，在输出端上提供的中压也具有相对于电网频率提高的频率，例如为5kHz。
在图1中示出的中压供电模块MV总共具有三个变流器(Umrichter)20，利用这些变流器，由三相电网电压可产生具有较高频率的电压。该电压然后经由变压器21被变压升高到例如高达12kV的电压。然后在中压供电模块MV的输出端上提供与电网电压相比较高频率的该中压。在每个输出端上连接硅棒或者说硅细棒R1至R4之一。
中压供电模块MV的各输出端23相互链接。因此对于所示的四个输出端仅仅设有五个接头231至235。这五个接头中的接头232、233和234分别用于两个在链中彼此相继的输出端，而接头231和235用于输出端链的始端或终端上的一个输出端。
在中压供电模块MV的输出端上的电压如此调节，即，在输出端23的整个链上降低的电压等于0V。因此，在中压供电模块MV的运行中，在接头231和235之间电压不降低。因为这些接头231和235同时位于由硅棒或者说硅细棒R1至R4构成的串联线路的端部上，并且该串联线路连接在基本供电模块B的输出端上，在中压供电模块MV运行期间在基本供电模块B的输出端上也不施加由中压供电模块MV提供的电压。
与中压供电模块MV相比，中频供电模块MF用于与基本供电模块B同时地把电流馈给到硅棒或者说硅细棒R1至R4中。中频供电模块MF为此在其输出端34上提供与电网电压或基本供电模块B的输出电压相比较高频率的电压。
中频供电模块MF具有两个三相的电网接头。这些电网接头在中频供电模块MF内部各与一个变频器(Frequenzumrichter)相连接。每个变频器具有两个级31、32。第一级31将这些电网电压变换成各一个直流电压。通过变频器的第二级32将这些直流电变换成较高频率的交流电压。这些高频的交流电压被馈给到各一个变压器33的初级侧331中。每个变压器33中的磁通量在次级侧穿过两个线圈332。这两个变压器33中的每个变压器的各次级线圈332是相同的。每个次级线圈332并联于中频供电模块MF的一个输出端34。在每个输出端34上连接硅棒或者说硅细棒R1至R4之一。相应两个输出端34相互链接。在此分别涉及经由相同的变压器33被供给电压的输出端34。也就是说，次级线圈332的两个抽头分别与一个接头341、343或344、346相连接。次级线圈332的其他两个抽头分别与一个节点351或352相连接。然后从这些节点351、352引出至接头342和345的连接。每个变压器32的次级线圈332也可由一个次级侧的线圈替代，该线圈具有一个精确地位于变压器的次级侧的线圈的中心的中间抽头。
相等的电压经由每个变压器32的次级线圈332按照数量地降低。然而，通过每个变压器32的两个次级线圈332的相反的缠绕方向，电压彼此反向。与变压器32相配的输出端34的链接接着导致，在接头341和343或者说344和346之间电压不降低。因为接头343、344也至少经由一个在硅棒或者说硅细棒R2和R3之间的导线连接而相互连接，在中频供电模块MF的输出端34的接头341和346之间电压也不降低。亦即，在与基本供电模块B并行运行期间，从中频模块MF没有电流馈给到基本供电模块B中，尽管接头341和346与基本供电模块的接头131或者说132相连接。
不过，仍可从基本供电模块B将电流馈给到中频供电模块MF中。为了防止这一点，在变压器32的次级侧的线圈与接头341、343、344和346之间设置有电容器36，该电容器过滤由基本供电模块提供的低频电流，也就是说，不让该低频电流通过。因此，中频供电模块MF也与基本供电模块B去耦。
所示的三个模块B、MV、MF设计成这样，即它们能彼此独立地运行，并且其中一个模块不是另外的模块的前提条件。所有模块具有自己的电网接头。
除了在附图中示出的、用于功率供给的电网接头外，辅助供电装置也彼此分开。经由接口和通信总线(未示出)至未示出的控制模块的连接也是彼此独立的。

Claims (23)

1.模块式供电装置，特别是用于用以制造多晶硅的反应器，具有中央的控制单元和至少一个基本供电单元，其中，
控制单元具有至少一个调节和控制装置，用于调节和/或控制基本供电单元；
基本供电单元具有：
至少一个输入端，用于给基本供电单元供应电能；
至少一个输出端，用于与一组负载连接，这些负载通过基本供电单元能够被供应从供电网络获得的电能，以及
可控制的开关，优选为闸流晶体管，这些开关至少间接地与输入端连接和至少间接地与输出端连接，并且，通过这些开关能够调节经由输出端可供给负载的能量，其中，所述开关能够通过控制单元进行控制；
其特征在于，
控制单元是控制模块，基本供电单元是基本供电模块；
控制模块具有用于与供电网络连接的输入端，用以给控制模块供给电能；
供电装置具有通信总线；和
控制模块和基本供电模块都具有接口，控制模块和基本供电模块通过该接口与通信总线连接。
2.如权利要求1所述的模块式供电装置，其特征在于，模块式供电装置具有一变压器，该变压器带有多个次级侧的抽头。
3.如权利要求2所述的模块式供电装置，其特征在于，变压器的各抽头分别配设于基本供电模块的一个输入端，以及，基本供电模块的每个输入端分别配有一组可控制的开关，以便调节通过该输入端可接收的电能。
4.如权利要求3所述的模块式供电装置，其特征在于，各组可控制的开关，在没有中间连接其他的开关、特别是机械式开关例如保护器的情况下，一方面与基本模块的各输入端和另一方面与基本模块的输出端连接。
5.如权利要求4所述的模块式供电装置，其特征在于，在各组可控制的开关与输出端之间设有一个节点，该节点能够通过一个另外的可控制的开关与一个基准电位连接。
6.如权利要求1至5之一所述的模块式供电装置，其特征在于，模块式供电装置具有多个相同的或者相同类型的基本供电模块。
7.如权利要求1至6之一所述的模块式供电装置，其特征在于，模块式供电装置具有中压供电模块，该中压供电模块具有至少一个用于与电网或与供应电能用的变压器连接的输入端，和多个输出端，用于分别与负载组中的一个负载连接，这些负载能够被供应必要时经由变压器从供电网络获得的电能；中压供电模块还具有接口，模块式供电装置通过该接口与通信总线连接。
8.如权利要求6或7所述的模块式供电装置，其特征在于，中压供电模块具有至少一个变流器，用于升高在输入端上能施加的电压。
9.如权利要求7所述的模块式供电装置，其特征在于，中压供电模块的每个输出端配有一个变流器。
10.如权利要求6至8之一所述的模块式供电装置，其特征在于，至少在给连接于中压供电模块的输出端上的负载供电时，各输出端上的链接的电压等于0V。
11.如权利要求1至9之一所述的模块式供电装置，其特征在于，模块式供电装置具有中频供电模块，该中频供电模块具有至少一个输入端，用于与供应电能用的电网连接，和多个输出端，用于分别与负载组中的一个负载连接，这些负载能够被供应从供电网络获得的电能；中频供电模块还具有接口，模块式供电装置通过该接口与通信总线连接。
12.如权利要求10所述的模块式供电装置，其特征在于，中频供电模块具有一个或更多个变频器，以便升高供电网络的在输入端上能施加的电压的频率。
13.如权利要求12所述的模块式供电装置，其特征在于，每个输出端配有所述变频器之一的一个输出端。
14.如权利要求10至12之一所述的模块式供电装置，其特征在于，至少在给连接于中频供电模块的输出端上的负载供电时，在中频供电模块的一对输出端上的链接的电压等于0V。
15.如权利要求10至14之一所述的模块式供电装置，其特征在于，中频供电模块的各输出端分别配有两个接头，每对输出端具有两个外部的接头和一个内部的接头，其中，各外部的接头分别配设于该对输出端的两个输出端中的一个输出端，而内部的接头配设于该对输出端的两个输出端。
16.如权利要求10至15之一所述的模块式供电装置，其特征在于，能够在中频供电模块的输入端上例如从变压器给中频供电模块三相地供应200V至600、优选400V的交流电压。
17.如权利要求10至16之一所述的模块式供电装置，其特征在于，模块式供电装置具有多个相同的或相同类型的中频供电模块。
18.如权利要求10至17之一所述的模块式供电装置，其特征在于，中频供电模块的数量等于基本供电模块的数量。
19.如权利要求1至18之一所述的模块式供电装置，其特征在于，模块式供电装置具有配电柜，控制模块、每个基本供电模块以及必要时每个中频供电模块分别设置在一个配电柜中。
20.如权利要求19所述的模块式供电装置，其特征在于，每个中压供电模块与一个基本供电模块一起设置在一个配电柜中。
21.如权利要求19或20所述的模块式供电装置，其特征在于，每个配电柜具有一个电网接头。
22.如权利要求1至21之一所述的模块式供电装置，其特征在于，每个模块具有一个用于辅助供电的电网接头。
23.如权利要求19至21之一所述的模块式供电装置，其特征在于，每个配电柜具有一个显示单元、尤其是显示屏。
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