CN102132484A - 具有分布式制动电阻的变换器 - Google Patents

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Abstract

为了提供一种用于在驱动和/或高压技术领域将电能转换为热量的装置(15)，该装置具有制动电阻以及至少一个用于控制该转换的可控制动功率半导体，建议所述制动电阻具有多个单制动电阻(18)，这些单制动电阻分别是双极的子模块(14)的部件，其中，这些子模块(14)相互串联以构成子模块串联电路，并且至少部分地具有分别与相关联的单制动电阻(18)并联的储能器(16)以及至少部分地具有可控制动功率半导体(28)，该制动功率半导体在制动位置上使得电流能够通过分别相关联的单制动电阻(18)流动，并且在正常运行位置上断开通过该单制动电阻的电流流动。

Description

具有分布式制动电阻的变换器
技术领域
本发明涉及一种用于在驱动和/或高压技术领域将电能转换为热量的装置，该装置具有制动电阻以及至少一个用于控制该转换的可控制动功率半导体。
背景技术
这样的装置例如已经由DE102005040549A1公开。在该文献中描述的装置涉及所谓的多级变换器，其中，功率半导体阀连接在交流电压接线和直流电压接线之间。通过这种方式实现了在正常运行中构成正直流电压接线和负直流电压接线的桥电路。在该正直流电压接线和负直流电压接线之间延伸着由双极子模块组成的串联电路，这些双极子模块分别具有储能器以及功率半导体电路。功率半导体电路和储能器与子模块的双极输出端连接，使得可以产生在储能器上降落的电压或者在每个子模块的双极输出端上的零电压。与子模块的串联电路串联地设置制动电阻。由子模块和制动电阻构成的串联电路通常也称为制动控制器。正直流电压接线和负直流电压接线通过直流电压中间电路与另一变换器连接，该另一变换器例如作为反相换流器运行并且与交流电压网或三相电动机连接。在有故障的情况下，可能导致该反相换流器不能将在直流电压侧提供的有效功率馈入到所连接的交流电压网或三相电动机内。这样的状况例如在三相电动机制动时出现。由此制动电阻用于将在这种情况下出现的过量的有效功率转换为热量。通过这种方式和方法，作为整流器运行的变换器还可以继续作为这样的变换器运行，而不会导致整个装置的完全崩溃。
在图1至4中示例性地示出根据现有技术的其它装置。
图1示出了三个相制动支路1，这些相制动支路在交流电压侧与变换器连接。在此，每个相制动支路1电气地连接到该变换器的交流电压接线。此外，每个相制动支路1都具有机械开关2以及制动电阻3。在相制动支路的背向交流电压接线的端部上，该相制动支路1在共有的星形汇接点4相互关联。作为开关2，例如采用作为这种开关公知的机械功率开关。如果功率开关2被接入，则由交流电压接线的相应相流出的电流通过制动电阻3流向共有的星形汇接点4，其中电能通过该制动电阻被转换为热量。
图2示出了根据图1的实施例，但其中作为开关选择了可控功率半导体阀5，这些可控功率半导体阀相互反向并联连接。功率半导体阀5例如是不可断开的，由此是从外部换流的可控硅阀。
图3示出了根据现有技术的另一个实施例。在此也示出变换器6，该变换器包括形成所谓的六脉冲桥电路的功率半导体阀7。每个功率半导体阀7在交流电压接线8和直流电压接线9或10之间延伸。直流电压接线9和10在该装置运行时具有不同的极性，因此用正符号或负符号表示。在直流电压接线9和10之间延伸的是制动电阻3，该制动电阻在此示意性的以电感11和纯欧姆电阻12的形式示出。制动电阻3设置在变换器6的直流电压侧，其中，未图形地示出与该制动电阻串联设置的用于接通该制动电阻的开关。
图4示出一个实施例，其中由可断开的功率半导体与反向并联的续流二极管组成的串联电路13在直流电压中间电路的正直流电压接线9和负直流电压接线10之间延伸。与该串联电路13串联地连接制动电阻3。
这类装置具有以下缺点：激活制动控制器与将有效功率有效转换为热量之间的持续时间太长，以至于无法可靠地排除变换器上的故障。
发明内容
因此本发明要解决的技术问题在于，提供本文开头所述类型的装置，该装置在需要情况下使得可以快速和廉价地将有效功率转换为热量。
本发明通过以下方式解决该技术问题，制动电阻具有多个单制动电阻，这些单制动电阻分别是双极子模块的部件，其中这些子模块相互串联以构成子模块串联电路，并且至少部分地具有分别与相关联的单制动电阻并联的储能器以及至少部分地具有制动功率半导体，该制动功率半导体在制动位置上使得电流可以通过分别相关联的单制动电阻流动，并且在正常运行位置上断开通过该单制动电阻的电流流动。
根据本发明，不是像在现有技术中那样设置单个的制动电阻，而是将该制动电阻分布到多个单制动电阻。换句话说制动电阻由多个单电阻构成。在此，这些单电阻是双极子模块的部件，其中这些双极子模块相互串联连接。在此，储能器和该单电阻在它们的尺寸方面被相互配合，使得在标称运行时存储在储能器中的能量能够快速消失。由此借助可控制动功率半导体，使得可以将有效功率快速地转换为热量。在触发制动功率半导体之后，储能器通过作为整流器运行的变换器提供能量，从而在较长的持续时间内也可以将有效功率作为热量输出到环境中。
本发明的装置合适地在驱动技术和/或高压技术领域中，尤其是在电能传输和电能分布领域中采用。“高压”这一概念是指超过1kV的所有电压。
总制动电阻分布在单制动电阻中还使得可以改善单电阻的冷却。从而根据本发明的优选变形方案在单电阻之间设置冷却装置，这些冷却装置导热地与单电阻连接并且负责快速和可靠的热排出。该冷却装置例如包括水冷却或空气冷却。
合适地，单电阻构成为电阻片的堆叠，其中这些电阻片由经过烧结的材料构成。在该堆叠内部，这些电阻片以它们的平坦面相互毗连，其中紧固装置提供必要的接触压力，从而在片电阻之间提供平面接触。
合适地，构成多个子模块串联电路，这些子模块串联电路分别至少部分的形成变换器的功率半导体阀之一。变换器的功率半导体阀分别具有交流电压接线以及直流电压接线，并且例如在六脉冲桥电路中相互连接。但是该变换器的拓扑结构原则上是任意的，从而在这方面不需要详细介绍。根据本发明的该合适扩展，单电阻是变换器的功率半导体阀的至少一部分，并且因此集成在该变换器中。在此，功率半导体阀由子模块的串联电路组成，在这些子模块中至少一些包括单制动电阻。根据本发明的优选实施方式，每个子模块都包括单制动电阻。
根据与此有关的合适的扩展，每个子模块具有两个可断开的功率半导体，这些功率半导体分别与续流二极管反向并联。通过这种方式构成所谓的半桥电路。这些功率半导体与储能器并联，并且与子模块的连接端子连接，使得在这些连接端子上降落在储能器上降落的电压或者零电压。
根据本发明的另一合适实施方式，为每个子模块设置两个可断开的功率半导体，其中这两个可断开的功率半导体形成与制动电阻串联电路并联的功率半导体串联电路，其中该制动电阻串联电路分别具有单制动电阻以及与该单制动电阻串联的制动功率半导体，该制动功率半导体与续流二极管反向并联。该功率半导体串联电路与子模块的连接端子连接，使得通过合适地控制可断开的功率半导体可以通断在子模块的连接端子上的零电压或者通断在储能器上降落的电压。通过这种方式和方法，可以确定在功率半导体阀的直流电压接线和交流电压接线之间降落的电压。通过合适地控制制动功率半导体，可以依据对制动功率半导体的控制将在相关联的储能器中存储的能量转换为热量。合适的的是，作为可断开的制动功率半导体采用所谓的IGBT或GTO。可断开的功率半导体不仅能通过控制脉冲从截止位置转换到接通位置。而且也可以利用可断开的功率半导体从接通位置主动地、也就是受控地转换到截止位置。由此，对制动功率半导体的控制例如可以通过合适的脉宽调制来进行。
合适的是，每个子模块包括桥接装置用于在损坏情况下桥接与该桥接装置相关联的子模块。换句话说，该子模块在故障情况下将被短路，从而在唯一的一个子模块失效时不需要断开整个功率半导体阀。
根据本发明的优选实施方式，一个子模块串联电路或者多个子模块串联电路可以被连接在变换器的正直流电压接线和负直流电压接线之间。换句话说，具有单制动电阻的(一个或多个)子模块串联电路被设计为，使得这些单制动电阻可以设置在变换器的直流电压侧。该变换器例如是高压直流电传输设备或者用于电机的变频器的一部分。
根据与此有关的合适的扩展，每个储能器都与二极管串联电路并联，在该二极管串联电路中至少有两个二极管串联。根据该实施方式，代替可断开或可控功率半导体而选择无源的功率半导体，即廉价的二极管，这些二极管只能实现电流在一个方向上的流动而不能主动控制该电流流动。通过这种方式降低每个子模块的成本，其中同时使得可以保留对储能器的充电。
根据本发明的另一实施方式，每个储能器和每个二极管串联电路都与制动电阻串联电路并联，该制动电阻串联电路具有单制动电阻以及与该单制动电阻串联的制动功率半导体。通过这种方式和方法，如上面已经描述过的，使得可以将有效功率有效地转换为热量。
合适的是，串联的子模块的数量大于1，尤其是大于3。利用越来越多数量的具有单制动电阻的子模块，改善了电能到热量的转换的可伸缩性。因此能量可以被有针对性地消除。特别有利的是，具有单制动电阻的子模块的数量大于100。
本发明的另一部分涉及用于在高压技术领域内、尤其是在电能传输和/或电能分布的领域内变换电流或电压的装置，其中该装置具有连接在交流电压接线和直流电压接线之间的功率半导体阀，其中每个交流电压接线与相制动支路连接，该相制动支路具有由功率半导体和至少一个制动电阻组成的串联电路，其中，这些相制动支路相互连接以形成三角电路或星形电路。根据本发明的该实施方式，该装置包括变换器和制动控制器。该制动控制器设置在变换器的交流侧。通过这种方式和方法，同样实现有效功率到热量的廉价和有效的转换。交流电压接线和相制动支路之间的连接是电气的。
附图说明
本发明的其它合适实施方式和优点，是下面借助附图描述本发明的实施例的主题，其中相同的附图标记指示相同的附图，并且其中
图1至图4示出了根据现有技术的装置，
图5示出了本发明的装置的实施例的示意图，
图6示出了该装置的另一实施例的示意图，
图7至图9示出了子模块的设计的实施例，
图10示出了本发明的装置的另一实施例，
图11示出了根据本发明的装置的另一实施例，以及
图12示出了根据图11的装置的子模块。
具体实施方式
图1至图4示出了根据现有技术的装置的制动控制器，它们已经在说明书的开始部分中论及，从而在此不再详细描述。
图5示出了本发明的装置15的实施例。该装置15具有功率半导体阀7，这些功率半导体阀分别包括双极子模块14的串联电路，其中每个功率半导体阀7在交流电压接线8和直流电压接线9或10之间延伸。装置15是为了与图5中未示出的交流电压网连接而设置的，该交流电压网具有多相。为了与电网连接，连接装置例如是变压器。在图5中为了清楚起见仅示出一相。但是本发明的装置15在交流电压侧一般构成为多相，例如三相。因此在图5中仅示出根据图3的六脉冲桥电路的一部分。但是，装置15总共具有六个功率半导体阀或在此是六个子模块串联电路。不过，在本发明的范围中，具有一相的变换器也是可能的。
每个子模块具有储能器16、至少一个可断开的功率半导体17以及单制动电阻18，稍后还要详细地介绍它们的连接。
图6示出本发明装置的另一个实施例，其中在图6中示出子模块串联电路19，该子模块串联电路与图5一样由双极子模块14的串联电路组成。在此，每个子模块也包括储能器16、至少一个功率半导体17以及单制动电阻18。但是该子模块的结构与根据图5的子模块的结构有所不同。
图7示出根据图5的子模块14的结构。可以看出，储能器是电容器16，该电容器与功率半导体串联电路20并联，该功率半导体串联电路由两个可接通和可断开的功率半导体21和22以及与这些功率半导体反向并联的续流二极管23和24组成。在此，可控功率半导体21和22之间的连接点位于子模块14的连接端子25的电势上。相反，另一连接端子26直接与位于功率半导体22和储能器16之间的连接点连接。通过适当地控制功率半导体21和22，可以将在电容器16上降落的电压施加在连接端子25和26上。在这种情况下，功率半导体22位于其断开位置上，相反功率半导体21位于其接通位置上。如果功率半导体21在其断开位置而功率半导体22相反在其接通位置，则在输出端子25和26上施加零电压。功率半导体串联电路20与制动电阻串联电路27并联。该制动电阻串联电路27具有可接通和断开的制动功率半导体28以及与该制动功率半导体28在相反方向并联的续流二极管29。制动电阻串联电路27具有与可断开制动功率半导体28串联的单制动电阻18，该单制动电阻18同样与续流二极管30并联。
为了在故障情况下桥接子模块14，采用桥接装置31，该桥接装置在所示实施例中由可控晶闸管32以及与该晶闸管并联设置的开关33组成。在故障情况下，触发在正常运行时处于断开位置的晶闸管，使得连接端子25和26可被快速短路。这用于对在直流电压中间电路中短路情况下负担高短路电流的续流二极管放电。与晶闸管32的触发并行地，在子模块中过电压或桥短路的情况下闭合开关33。
图8示出用于根据图6的装置的子模块14的实施例。与图7所示的子模块14的实施例不同，不提供由可控功率半导体21和22以及23和24组成的串联电路20，而提供由第一二极管35和第二二极管36组成的二极管串联电路34，第一二极管和第二二极管在相同方向上相互串联连接。二极管35和36之间的连接点又直接与第一连接端子25连接，其中第二连接端子26位于电容器16的电容器板之一的电势上。如已经结合图6所解释的，连接端子25和26是在变换器的正直流电压接线和负直流电压接线之间延伸的串联电路的一部分。由于连接端子25和26上的单极关系，确保了通过该二极管装置给电容器16加载。相反，如果应当控制有效功率并将该有效功率快速转换为热量，则将可接通和断开的制动功率半导体28从其断开位置控制到其接通位置，在接通位置上使得电流可以通过单制动电阻18流过。在将功率半导体28从其接通位置主动地转移到其截止位置时，通过单制动电阻18和与该单制动电阻18并联的续流二极管30形成电流。
图9示出了根据图6的装置的另一实施例，该实施例与根据图8的子模块14的实施例的不同之处在于，桥接装置31仅通过机械开关33来实现。其它的图8的实施在此也相应有效。
图10示出了本发明的另一实施例，其中未以图形示出在该实施例中属于该装置的变换器的功率半导体阀。在此，该变换器的例如6个功率半导体阀具有3个交流电压接线，这些交流电压接线分别与一个相制动支路38的交流电压接线37连接，其中，每个相制动支路38具有由可断开的功率半导体17组成的串联电路，该串联电路与续流二极管反向并联。每个相制动支路38还具有单制动电阻18，其中相制动支路38以三角电路相互连接。但是在本文中星形电路也是可能的。
图11示出本发明装置的另一实施例，该装置是为连接到三相的、也就是引导交流电压的供电网而设置的。为了连接到该供电网，还是采用3个交流电压接线37。根据该实施例，不需要将本发明的装置设置在与变换器直接相邻的地方。图11所示的装置可独立于变换器地运行。根据图11的装置具有子模块40组成的串联电路，这些子模块的结构在图12中示出。结合图11还要说明的是，子模块的相组件38，也就是子模块的串联电路39以三角电路相互连接。
图12更详细地示出了子模块40的结构。与图1所示的子模块14不同，图12所示的子模块40具有H桥电路或全桥电路。由此，除了可接通和断开的功率半导体21和22以及与这些功率半导体反向并联的续流二极管23和24之外，还设置了其它可接通和断开的功率半导体41和42以及同样与这些功率半导体反向并联的续流二极管43和44。可断开的功率半导体41、42以及续流二极管43、44还是被设置在与储能器并联延伸的串联电路45中，在此，还是将储能器构成为电容器16。第一连接端子25与位于可断开的功率半导体21和22之间的电势点电气连接，而第二连接端子26与位于可断开的功率半导体41和42之间的电势点电气连接。通过这种方式可以不仅让在储能器16上降落的电压在连接端子25和26上降落以及让零电压降落，如在根据图7的半桥电路中允许的那样。根据图12还可以在连接端子25和26上产生储能器的反向电压。如果功率半导体21和42处于它们的接通位置，则在电容器16上降落的电压也在这些连接端子上降落。但是，如果功率半导体21和42处于截止位置并且可断开的功率半导体41和22相反处于它们的接通位置，则在电容器16上降落的电压以不同的符号施加在连接端子25和26上。
子模块40也具有制动电阻串联电路27，该制动电阻串联电路又包括可接通和断开的功率半导体28以及与该功率半导体反向并联的续流二极管29。单制动电阻18还是与续流二极管30并联。由此，通过控制可接通和断开的功率半导体28，仍然可以借助单制动电阻18将电容器16中存储的能量转换为热量。为了桥接子模块40以及由此对连接端子25和26短路，还是采用了开关33。其它桥接装置为了清楚起见在此未示出，但是在本发明的范围中也是可能的。

Claims (13)

1.一种用于在驱动和/或高压技术领域将电能转换为热量的装置(15)，该装置具有制动电阻以及至少一个用于控制该转换的可控制动功率半导体，其特征在于，所述制动电阻具有多个单制动电阻(18)，这些单制动电阻分别是双极的子模块(14)的部件，其中，这些子模块(14)相互串联以构成子模块串联电路，并且至少部分地具有分别与相关联的单制动电阻(18)并联的储能器(16)以及至少部分地具有可控制动功率半导体(28)，该制动功率半导体在制动位置上使得电流能够通过分别相关联的单制动电阻(18)流动，并且在正常运行位置上断开通过该单制动电阻的电流流动。
2.根据权利要求1所述的装置(15)，其特征在于，构成多个子模块串联电路，这些子模块串联电路分别至少部分地形成变换器的功率半导体阀(7)之一。
3.根据权利要求2所述的装置(15)，其特征在于，每个子模块(14)具有两个可控功率半导体(21，22)，这些功率半导体分别与续流二极管(23，24)反向并联。
4.根据权利要求3所述的装置(15)，其特征在于，两个可控功率半导体(21，22)形成与制动电阻串联电路(27)并联的功率半导体串联电路(26)，其中，该制动电阻串联电路(27)分别具有单制动电阻(18)以及与该单制动电阻串联的制动功率半导体(28)，该制动功率半导体与续流二极管(29)反向并联。
5.根据权利要求4所述的装置(15)，其特征在于，所述单制动电阻(18)与续流二极管(30)并联。
6.根据前述权利要求之一所述的装置(15)，其特征在于，每个子模块(14)具有桥接装置(31)，用于在损坏情况下桥接该子模块(14)。
7.根据权利要求1所述的装置(15)，其特征在于，所述子模块串联电路或者所述多个子模块串联电路能够被连接在变换器的正直流电压接线(9)和负直流电压接线(10)之间。
8.根据权利要求7所述的装置(15)，其特征在于，每个储能器(16)都与二极管串联电路(34)并联，在该二极管串联电路中至少有两个二极管(35，36)串联。
9.根据权利要求8所述的装置(15)，其特征在于，每个储能器(16)和每个二极管串联电路(34)都与制动电阻串联电路(27)并联，该制动电阻串联电路具有单制动电阻(18)以及与该单制动电阻串联的制动功率半导体(28)。
10.根据前述权利要求之一所述的装置(15)，其特征在于，每个单电阻导热地与各自的和相关联的冷却装置连接。
11.根据前述权利要求之一所述的装置(15)，其特征在于，所述子模块的数量大于1。
12.一种用于在驱动和/或高压技术领域内变换电流或电压的装置，该装置具有连接在交流电压接线(6)和直流电压接线(9，10)之间的功率半导体阀(7)，其中，每个交流电压接线(8)与一个相制动支路(38)连接，该相制动支路具有由可控功率半导体(16)和至少一个制动电阻(18)组成的串联电路，其中这些相制动支路(38)相互连接以形成三角电路或星形电路。
13.根据前述权利要求之一所述的装置(15)，其特征在于，每个单电阻是由片状的电阻片构成的堆叠，其中，这些电阻片由经过烧结的材料构成，并且这些电阻片以它们的平坦面相互形成电气压力接触。
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