CN103138609A - 带有制动斩波器的多点整流器 - Google Patents

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Abstract

描述了一种用于整流器的电路。该电路设置有多个半导体开关和电容器，它们用于驱动整流器。设置有用于减低能量的制动电阻器，其与存在的半导体开关连接，而没有附加的开关。整流器的运行和通过制动电阻器的电流可以借助存在的半导体开关来控制。

Description

带有制动斩波器的多点整流器
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的用于整流器的电路以及一种根据权利要求9所述的用于驱动的方法。
背景技术
在整流器中会需要将在整流器中存在的多余能量转换成热。对此的原因的本质会是多样的。例如，会发生，连接到整流器上的能量源（例如风力设备）为整流器提供能量，但在其他部位连接到整流器上的能量阱可能不吸收能量（例如在短路情况下的能量供给网络）或整流器由于其结构而不能将能量回馈到电网中。在具有电压中间回路的整流器中，这会导致中间回路电压的不允许的提高，这些能量必须被减低。同样，可能的是，在多点整流器中在确定的运行状态中（根据负载、调节、结构）会出现电压中间回路的串联的电容器的电压的不对称性。在此情况下也会需要将能量转换成热。此外，也可能存在运行方面的原因，在中间回路电容器上的电压在确定的时刻降低并且将存储在其中的能量转换成热。
将多余能量转换成热的任务被制动斩波器承担。制动斩波器已知许久并且通常基本上由可关断的功率半导体开关和功率电阻器构成，它们连接到电压逆变器的直流电压端子上（Peter F.Brosch、Joachim Landrath、Josef Wehberg的Leistungselektronik;第107页；SEW Handbuch，第17页）。
存在如下一些方案：器于是实现降低制动斩波器电路的半导体开关的开销。这样，提出了例如在DD 204012 A1、DD 204013 A1和DD 204579 A1中描述的电路，其连接在电压逆变器的输出端上并且因此可以利用非可关断的半导体开关来工作，只要在整流器的输出端上产生交流电压。在DE 196 48 948 C1中提出了一种电路，其与电压逆变器的半导体开关并联并且利用不可关断的半导体开关就能实现。在US 7141947 B2中提出了补充具有制动电阻器的实际三相逆变器并且作为制动斩波器工作。
DE 102 17 889 A1的图5示出了根据现有技术的三相模块整流器。在DE 10 2008 045247 A1中描述了一种制动斩波器，如例如可以应用于根据DE 102 17 889 A1的电路中。根据DE 10 2008 045 247 A1的制动斩波器模块化利用分布式制动电阻器构建。在此，描述了不同的可能性，如通过制动电阻器与功率电子模块关联可以实现模块化结构并且实现将制动功率分配在多个这种模块中。
然而，根据现有技术的所有介绍的例子共同之处是，对于制动斩波器电路的激励需要半导体开关，其除了半导体开关之外在实际整理器中需要来保证制动斩波器的功能。
发明内容
本发明的任务是提出一种电路，其能够以低开销实现过电压的避免或减小。
本发明通过根据权利要求1所述的电路以及通过根据权利要求9所述的方法来解决该任务。
根据本发明，该电路由两个或更多个并联电路结构构建并且在结构内设置多个半导体开关和电容器，其用于驱动整流器。此外，该电路设置有至少一个电阻器，其设置用于减低能量。所谓的制动电阻器在此与现有的半导体开关连接，而不存在附加的开关。制动电阻器连接在电路结构的节点同与此并联的电路结构的节点之间。根据本发明，整流器的运行和通过制动电阻器的电流可以借助存在的半导体开关来控制。
通过本发明因此在其中要求制动斩波器功能的整流器中完全省去了功率半导体开关，其仅仅被用于制动斩波器的功能。
与现有技术不同，根据本发明电路因此不需要附加的开关等等来控制通过制动电阻器的电流。代替这，通过制动电阻器的电流仅借助对于整流器的运行而存在的半导体开关来驱动。这是对根据本发明的电路的开销和成本的降低。
必要时，可以仅需要将各半导体开关的布线的方式及其激励匹配。
多点整流器拥有所谓的冗余开关状态，其特征在于，其在整流器的输出端子上产生相同的电势等级，单个半导体开关的状态在冗余的开关状态之间而不同。在半导体开关的连接点上的电势同样是不同的。
输出端子上的电势等级理解为通过半导体开关的开关状态所确定的输出电压的等级。例如，三级整流器的一相拥有三个电势等级，正、零和负。
在本发明的一个有利的改进方案中，利用多点整流器的冗余开关状态，使得借助其可以通过存在的半导体开关来控制制动电阻器中的能量的转换，而在此影响整流器的运行的控制，即其输出电压或其输出电流的调节。
如果两个并联结构的连接有制动电阻器的半导体开关仅用于控制整流器的运行，则在本发明的一个有利的扩展方案中与制动电阻器连接的两个端子点具有相同的电势。
如果两个并联结构的连接有制动电阻器的半导体开关同时用于控制整流器也用于控制经过制动电阻器的电流，则在本发明的另一有利的扩展方案中半导体开关可以被激励，使得与制动电阻器连接的两个节点具有不同的电势。这意味着，在并联电路结构如在并联电路中作为整流器工作期间，选择性地在利用冗余开关状态的情况下可以将电压连接到制动电阻器上。
本发明的其他特征、应用可能性和优点从以下对本发明的实施例的描述中得到，这些实施例在附图中示出。在此，所有所描述的或所示出的特征本身或任意组合地形成了本发明的对象，而与其在权利要求中的概述或其引用无关以及与其在说明书中或在附图中的表述或图示无关。
附图说明
图1a和1b示出了根据本发明的用于使用在整流器中的整流器子系统的示意性电路图，
图2示出了根据本发明的三相整流器的第一实施例的示意性电路图，
图3a、3b示出了根据本发明的用于具有并联电路结构的整流器支路的电路的第二实施例的示意性电路图，
图4示出了根据本发明的用于整流器支路的电路的第三实施例，以及
图5示出了根据图3a、3b的电路的另一应用的一个实施例。
具体实施方式
在图2中示出了模块化多点整流器20的三相视图。这类多点整流器也以英语名称“Modular Multilevel Converter”（M2C）而已知。
整流器20的三相的每个都由两个并联电路结构构建。此外，三相的每个都由多个整理器子系统10构成，在该实施例中每相分别由四个整流器子系统10构成。整流器子系统的各个以下参照图1a、1b更为详细地阐述。
整流器子系统10包含并联电路结构。每个整流器子系统的半导体开关和所有整流器子系统共同地用于控制整流器20的运行。每个单个整流器子系统21的半导体开关同时用于并且与其他整流器子系统10无关地用于控制制动斩波器功能，更确切地说借助在相应整流器子系统中存在的制动电阻器来控制。用于实现制动斩波器功能的整流器子系统10的半导体开关的激励同样以下参照图1a、1b更为详细地描述。
在图1a、1b中示出了整流器子系统10，该整流器子系统可以使用在图2的整流器20中。
整流器子系统10由四个模块11.1、11.2、11.3和11.4构成。每个模块都具有两个半导体开关构成的串联电路以及两个与半导体开关反向连接的二极管构成的串联电路。这两个串联电路彼此并联。这两个半导体开关与这两个二极管的连接点彼此连接并且形成相应模块的交流电压端子。与这两个串联电路并联有电容器。电容器的两个端子形成相应模块的正端子和负端子。
在图1a、1b的整流器子系统10中，这两个模块11.1、11.2和这两个模块11.3、11.4分别彼此并联。此外，这两个模块11.1、11.3的交流电压端子以及这两个模块11.2、11.4的交流电压端子彼此连接，其中形成的连接点称作端子点P1、P2。这两个模块11.1、11.2的正端子形成整流器子系统10的端子点P，而这两个模块11.3、11.4的负端子形成整流器子系统10的端子点N。
这四个模块的半导体开关、二极管和电容器连续编号，更确切地说，存在半导体开关12.1、12.2、12.3、12.4、12.5、12.6、12.7、12.8、二极管13.1、13.2、13.3、13.4、13.5、13.6、13.7、13.8和电容器14.1、14.2。
关于这四个模块的电容器应指出的是，这两个模块11.1、11.2的两个电容器以及这两个模块11.3、11.4的两个电容器分别组合成在该图中所示的电容器14.1、14.2。这些电容器在实践中可以针对每个模块独立地实施或针对所有并联的模块组合地实施。
串联的模块的交流电压端子必要时可以通过电感器彼此连接。
在这两个端子点P1、P2之间连接有制动电阻器R。
在图2的整流器20中，如已提及的那样，针对每个相分别有四个整流器子系统10串联。这三个相的四个镇流器子系统10彼此并联。三个并联的串联电路的两个最外部的整流器子系统10的端子点P或N是整流器20的直流电压端子+、-。三个串联电路的两个中间的整流器子系统10的相应连接点是整流器20的交流电压端子AC1、AC2、AC3。
在整流器20正常运行中，在整流器子系统10中两个并联模块11.1、11.2和两个并联模块11.3、11.4分别类似地被激励。
例如，如果电容器14.2的电压要连接在整流器子系统10的端子P和N之间，则半导体开关12.1、12.3、12.5、12.7被切换为导通而另外的半导体开关被截止。
此外，存在如下可能性，将电容器14.1的电压连接在整流器子系统10的端子P与N之间、将电容器14.1、14.2的电压之和连接在端子P与N之间或将端子P与N彼此连接。
在图1a中在半导体开关分别切换为导通的情况下借助实线示出了开头提及的半导体开关的激励。
通过在正常运行中类似地激励半导体开关，在两个端子点P1、P2上存在相同电势，使得在正常运行中在制动电阻器R上没有电压降落。
以用于减小或避免电容器14.1、14.2上的过电压为例，半导体开关也可以不同地激励。这在图1b中示出。
根据图1b，半导体开关12.1、12.4、12.5、12.8切换为导通并且另外的半导体开关截止。在电容器14.1、14.2上的电压等大的前提条件下，由此电容器14.1、14.2的电压并联在整流器子系统10的端子P与N之间。此外，端子点P1通过半导体开关12.1、12.5与两个电容器14.1、14.2的正端子之间连接以及端子点P2通过半导体开关12.4、12.8与两个电容器14.1、14.2的负端子连接。
如已阐述的那样，制动电阻器R连接在两个端子点P1、P2之间。由于端子点P1、P2与两个电容器14.1、14.2的正端子和负端子连接，所以制动电阻器R与两个电容器14.1、14.2分别并联。
这导致在前面阐述的对根据图1b的半导体开关的不同激励时电容器14.1、14.2通过制动电阻器R可以放电。例如，在电容器14.1、14.2上存在的过电压因此可以通过制动电阻器R减低。
关于在端子P和N上的电压，整流器子系统10在该开关状态中与在上面所描述的开关状态（其中在制动电阻器R上没有电压）中情况相同。于是涉及冗余开关状态，其在整流器子系统10的正常运行方面展现出相同特性。然而在图1b的不同运行中，在制动电阻器R上有电压，而在图1a的正常运行中情况并非如此。
因此，根据整流器的运行状态的要求，功率可以在制动电阻R中转换。附加的可开关的器件为此并不是必要的。
一般而言，这通过如下方式来实现，整流器子系统10借助半导体开关来构建，并且至少一个制动电阻器连接在整流器子系统10的电路中，通过整流器电阻的电流流动仅受整流器子系统10的现有半导体开关影响，即为此不需要附加的开关。
应理解的是，对半导体开关的不同激励也可以与图1b恰好相反地进行，即半导体开关12.2、12.3、12.6、12.7切换为导通，而其他半导体开关截止。
参照图1b阐述的对半导体开关的不同激励可以与正常运行相比在百分比时间片的范围中执行。以此方式可以影响功率，该功率借助对半导体开关的其他激励在制动电阻R中转换成热并且由此可以被减低。
图3a、3b示出了具有并联电路结构的整流器30的单相视图。图3a、3b中示出的电路同样可以理解为整流器子系统30，并且代替整流器子系统10使用在根据图2的模块化多点整流器20中。
在根据图3a、3b的整流器30或整流器子系统30中，电容器34.1、34.2的直流电压转换成端子P1和P2上的直流电压或交流电压。至电容器34.1和34.2的功率输送未示出。
在图3a、3b中示出了每两个串联的所谓H桥路36的最简单的情况。当然可以将电路扩展到任意数目的串联的H桥路36。这还将参照图4进行阐述。
图3a、3b的整流器由八个模块31.1、31.2、31.3、31.4、31.5、31.6、31.7、31.8构成。每个模块都具有两个半导体开关构成的串联电路以及两个与半导体开关反向连接的二极管构成的串联电路。这两个串联电路彼此并联。这两个半导体开关与这两个二极管的连接点彼此连接并且形成相应模块的交流电压端子。与这两个串联电路并联有电容器。电容器的两个端子形成相应模块的正直流电压端子和负直流电压端子。
在图3a、3b的整流器30中，模块31.1、31.2、31.3、31.4以及模块31.5、31.6、31.7、31.8分别彼此并联。此外，模块31.1、31.3或31.6、31.8或31.2、31.5或31.4、31.7的交流电压端子彼此连接，其中形成的连接点称作端子点P1、P2、P3、P4。
这八个模块的半导体开关和电容器连续编号，更确切地说，存在半导体开关32.1、32.2、32.3、32.4、32.5、32.6、32.7、32.8、32.9、32.10、32.11、32.12、32.13、32.14、32.15、32.16和电容器34.1、34.2。二极管并未进一步绘出。
关于这八个模块的电容器应指出的是，模块31.3、32.2、32.3、31.4的四个电容器以及模块31.5、31.6、31.7、32.8的四个电容器分别组合成所示的电容器34.1、34.2。这些电容器在实践中可以针对每个模块独立地实施或针对所有并联的模块组合地实施。
串联的模块的交流电压端子必要时可以通过电感器彼此连接。
此外，应指出的是，电容器34.1、34.2的正端子点和负端子点是整流器30的输入侧的直流电压端子，其供电未详细示出。也应指出的是，电容器34.1和34.2的馈入必须分别电势隔离地进行。对于电路30的运行是否需要在输入侧馈入电容器34.1、34.2的端子点取决于以何种方式应用该电路30，例如作为在整流器20内的整流器子系统，或作为根据以下还要阐述的图5的整流器50的一部分。
在这两个端子点P3、P4之间连接有制动电阻器R。
在整流器30的正常运行中，两个模块31.1、31.3和两个模块31.2、31.4以及两个模块31.5、31.7和两个模块31.6、31.8分别被类似地激励。
在半导体开关相应切换为导通的情况下图3a中借助实线示出的正常运行的示例性开关状态中，半导体开关32.1、32.3、32.5、32.7、32.9、32.11、32.13、32.15切换为导通并且所有其他半导体开关截止。在该开关状态中，在端子P1、P2之间的电压等于零。
通过在正常运行中类似地激励半导体开关，在两个端子点P3、P4上存在相同电势，使得在制动电阻器R上没有电压降落。
应指出的是，除了上面所描述的针对整流器30的正常运行的示例性开关状态之外还存在针对正常运行的其他开关状态，其中在制动电阻器R上没有电压降落。
以用于减小或避免电容器34.1、34.2上的过电压为例或出于其他原因，半导体开关也可以不同地激励。这在图3b中示出。
根据图3b，半导体开关32.1、32.3、32.5、32.8、32.9、32.11、32.14、32.15切换为导通并且另外的半导体开关截止。在此假定的是，在电容器34.1、34.2上的电压等大。
由此，端子点P3通过半导体开关32.3、32.9与两个电容器34.1、34.2的正端子连接。相应地，端子点P4通过半导体开关32.8、32.14与两个电容器34.1、34.2的负端子连接。
此外，如在正常运行中，在端子点P1、P2之间存在大小为零的输出电压。
如已阐述的那样，制动电阻器R连接在两个端子点P3、P4之间。由于端子点P3、P4与两个电容器34.1、34.2的正端子和负端子连接，所以制动电阻器R与两个电容器34.1、34.2分别并联。
这导致在前面阐述的对根据图3b的半导体开关的冗余激励时电容器34.1、34.2可以通过制动电阻器R放电。例如，在电容器34.1、34.2上存在的过电压因此可以通过制动电阻器R减低。因此，功率可以在制动电阻器R中被转换。附加的可开关的器件为此并不是必要的。
于是存在整流器30，其借助半导体开关来构建，并且至少一个制动电阻器连接在整流器30的电路中，使得通过制动电阻器的电流流动仅受整流器30的存在的半导体开关影响，即不需要附加的开关。
应指出的是，针对所有可能的开关状态可以使用具有在端子点P1、P2之间的相同输出电压的可供使用的冗余状态，以便根据整流器的运行状态的需要将电压置于制动电阻器R上或不置于制动电阻器R上。
应理解的是，各半导体开关也可以构建为开关模块，其中多个半导体开关分别串联和/或并联。相应内容也适用于二极管。同样应理解的是，各电容器也可以构建为电容器组，其中多个电容器分别串联和/或并联。此外，各模块或多个模块的电容器也可以组合成一个电容器组。
此外，应理解为，根据其中两个H桥路串联的图3a、3b的整流器30可以宽展到任意数目的这样串联的H桥路。
这样，例如在图4中示出了具有五个串联的H桥路42的单相整流器支路40。在两个相邻的H桥路42的每两个连接点之间分别连接制动电阻器R。借助制动电阻器R对制动斩波器功能的激励类似地以参照图3a、3b所描述的方式和方法来进行。
图5示出了图3a、3b的电路作为单相整流器50中的整流器子系统30的应用。
电势隔离地通过输入侧的变压器51和整流器52进行至这两个电容器34.1、34.2的馈入。两个H桥路36的外部输出端子在该实施例中并不如图3a、3b中各组合成端子P1、P2，而是与输出侧的变压器54的电势隔离的绕组连接。通过整流器50的所有半导体开关的相应激励可以在变压器54的输出端子产生直流电压或交流电压。
制动斩波器功能的激励与此无关地以参照图3a、3b所描述的方式来进行。应理解的是，以类似方式和方法也可以构建和驱动多相整流器。
应明确指出的是，前面阐述的对整流器或整流器子系统10、20、30、40、50的半导体开关的不同或冗余激励不仅可以用于防止或减小在电容器上的例如在发电机运行中出现的直流电压升高，而且一般而言不同的激励可以用于也在整流器或整流器子系统10、20、30、40、50的其他常用运行状态中影响电容器上的电压。尤其是，当功率馈入整流器或整流器子系统10、20、30、40、50的交流电压侧的端子点中时，不同的激励可以用于降低在电容器上的电压。
此外应指出的是，根据本发明的整流器20、40、50并不一定必须由整流器子系统构建而整流器子系统10、30并不一定必须由模块构建，如示例性参照附图所描述的那样。更确切地说，并联电路结构也在没有模块化结构的情况下实现，或其他电路结构作为电路结构的所说明的部分组合成整流器子系统或模块，并且制动电阻器在整流器子系统和模块内或外与并联电路结构的节点连接。

Claims (12)

1.一种用于整流器的电路，具有为整流器的运行而存在的多个半导体开关和能量存储器，并且具有用于减低能量的制动电阻器，其特征在于，存在两个或更多个并联电路结构，制动电阻器连接在所述电路结构之一的节点同与此并联的电路结构之一的节点之间，制动电阻器与存在的半导体开关连接，而没有附加的开关，并且整流器的运行和通过制动电阻器的电流能够借助存在的半导体开关控制。
2.根据权利要求1所述的电路，其中所有并联电路结构的半导体开关能够类似地被激励以控制整流器的正常运行，并且其中所述并联电路结构中的至少之一的、其上连接有制动电阻器的半导体开关能够以不同于在正常运行中的方式激励，以控制通过制动电阻器的电流。
3.根据权利要求2所述的电路，其中当两个并联电路结构的其上连接有制动电阻器的半导体开关被类似地激励以控制整流器的正常运行时，与制动电阻器连接的两个端子点具有相同的电势。
4.根据权利要求2所述的电路，其中当所述并联电路结构中的至少之一的、其上连接有制动电阻器的半导体开关以不同于在正常运行中的方式激励来控制通过制动电阻器的电流时，与制动电阻器连接的两个端子点具有不同的电势。
5.根据权利要求1至4之一所述的电路，其中半导体开关和能量存储器一起连接成模块并且整流器由至少两个类似的并联连接的模块构建，并且其中制动电阻器连接在第一模块的端子点与第二模块的端子点之间。
6.根据权利要求1至5之一所述的电路，其中在整流器的外部交流电压端子上的电势等级不受在所述并联电路结构之间所连接的用于减低能量的制动电阻器上通过半导体开关的相应激励而施加电压与否影响。
7.根据权利要求1至6之一所述的电路（10），具有四个模块(11.1、11.2、11.3、11.4)，其分别具有两个串联的半导体开关或开关模块和与此并联的电容器或电容器组，其中模块(11.1、11.2或11.3、11.4）中的每两个并联，以及其中非并联的模块（11.1、11.3或11.2、11.4）的半导体开关或开关模块的连接点分别形成端子点（P1、P2）；并且具有制动电阻器（R），其连接在非并联的模块的半导体开关或开关模块的连接点（P1、P2）之间。
8.根据权利要求1至6之一所述的电路（30），具有八个模块(31.1、31.2、31.3、31.4、31.5、31.6、31.7、31.8)，其分别具有两个串联的半导体开关或开关模块和与此并联的电容器或电容器组，其中模块中的每四个(31.1、31.2、31.3、31.4或31.5、31.6、31.7、31.8）并联，其中并联的模块中的两个模块（31.1、31.3或31.6、31.8）的半导体开关或开关模块的连接点分别形成端子点（P1，P2），并且其中非并联的模块中的两个模块（31.2、31.5或31.4、31.7）的半导体开关或开关模块的连接点分别形成端子点（P3、P4）；并且具有制动电阻器（R），其连接在非并联的模块的半导体开关或开关模块的连接点（P3、P4）之间。
9.一种用于驱动根据权利要求1至8所述的电路的方法，其中在制动电阻器中能量的减低借助在并联电路结构内可供使用的冗余开关状态来进行。
10.根据权利要求9所述的方法，其中在正常运行中，并联模块的半导体开关或开关模块被类似地激励。
11.根据权利要求9所述的方法，其中为了控制通过制动电阻器（R）的电流，两个非并联的模块（11.1、11.3）的半导体开关或开关模块如在正常运行中那样被激励，并且其他两个非并联的模块（11.2、11.4）的半导体开关或开关模块以不同于在正常运行中的方式被激励。
12.根据权利要求9所述的方法，其中为了控制通过制动电阻器（R）的电流，最多六个模块（31.1、31.2、31.3、31.5、31.6、31.8）的半导体开关或开关模块如在正常运行中那样被激励，并且另外的至少两个模块（31.4、31.7）的半导体开关或开关模块不同地被激励。
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