CN1056482C - 一种晶闸管变流器的集中关断回路 - Google Patents

Abstract

本发明给出一种用于晶闸管变流器的集中关断回路。该集中关断回路尤其适用于交流电流变换器例如铁道供电网的连接。关断晶闸管直接地与变压器次边绕组相连接。此外设有一个专门的续流支路，在尤其是变压器电感中或另外可能具有的电感中存储的能量可通过该续流支路导出。其优点在于，所有变流器晶闸管能可靠地、无专门准备地被关断，因为该集中关断回路能自动地作好再关断的准备。此外通过专设的续流支路可避免过电压。

Description

一种晶闸管变流器的集中关断回路

本发明涉及功率电子学领域。其出发点为根据权利要求1前序部分的一种晶闸管变流器的集中关断回路。

这样一种关断回路已在“变流器技术中的现代功率半导体”一文(etz杂志第21期(1993年)第1310-1319页，图114)中有过描述。

为了关断变流器的晶闸管，必须使用关断回路，对于不但可工作在逆变器工况而且也可工作在整流器工况的并连接在直流侧的电压中间回路上的晶闸管变流器也需要关断电路，其中该中间回路的电压例如是由电池，自换流的电压变换器或另外合适的电源供电。这样一种晶闸管变流器可以是一种交流电压变换器装置的一部分，其中第一个变流器与第一电网、最好是多相电压供电网(如50Hz)相连接，及第二变流器与第二电压供电网(如16.67Hz)相连接，这里的第一及第二变流器通过中间回路彼此相连接。对于很高的功率，例如用于静止铁道电网供电或直流高压输电所需的功率，对于第一变流器总是有利地使用晶闸管。该第一变流器的关断回路在这种电路中起到一个重要的保护作用：如果在晶闸管变流器的逆变工况时出现换流失败，则电流既不会受到第一晶闸管变流器也不会受到第二变流器、例如铁道侧GTO变流器的限制。对于这种故障状态必须要有保护系统，它能将第一变流器的晶闸管迅速而可靠地关断并保护其免于过负荷。

在专业书“功率电子学”(由鲁道夫·拉珀(Rudolf Lappe)，司普林格出版社(Springer-Verlag)1988年编辑出版)第284～297页上给出了各种关断回路的变型。其中最昂贵的、对此最灵活的变型是单个关断回路。在那里对于每个桥支路均设有各自的关断装置。然而这种方案对于铁道电网供电来说是太昂贵及浪费了。在另一变型的关断即所谓相位跟随关断中，其关断是基于每个导流的晶闸管中的电流通过在时间上滞后的同一半桥的下一相中晶闸管的触发而被换流。用这种电路是不能作到与电网的完全隔离。另外还描述了相关断。在这个方案中关断回路由一个以关断电容及换流电抗组成的串联振荡回路构成。但这种电路对于要解决的问题来说是不适合的，因为一个桥串中的主晶闸管需交替地关断。最好还描述了集中或总的关断回路。这种方案虽然能借助一个集中的关断电容器来关断所有的桥支路，但是对于需要解决的任务还是太昂贵，因为该关断电容必须吸收在变压器电感及可能具有的平波电抗器电感中存储的能量，否则会形成过电压，这样就必然具有过大的尺寸，这使得整个的电路装置不再经济。

因此本发明的任务在于，给出一种用于晶闸管变流器的集中关断回路，它能以经济的方案与方式足够快速及可靠地关断所有导流的晶闸管，而不会有在变压器电感及可能具有的平波电抗器电感中存储的能量在晶闸管及关断电容上产生不允许的过电压。

这个任务将在导言部分所述类型的集中关断回路中通过权利要求1的特征来解决。

因而本发明的核心在于，关断晶闸管不是连接在中间回路的直流电压端子上，而是直接地连接在变压器上。此外这样地设计集中关断回路，即在关断过程中自动地形成通过电路电感流通的电流的续流。

特别有利的是一种电路变型，其中能够可靠地避免关断电容的过充电。它是这样来实现的，即将关断电容器上的电压实际上固定在中间回路的电压值上。根据本发明结构的另一优点在于，关断电容自动地以对于关断正确的极性被电压中间回路预充电。由此使该集中关断回路在一次关断过程后又自动地作好关断的准备。

该电路不仅可用于12脉冲的电路而且也能以小规模适用于6脉冲电路。其它的实施例可从相应的从属权利要求书中得到。

以下将借助实施例并结合附图来详细地解释本发明。附图为：

图1：具有与一个直流电压中间电路相连接的一个晶闸管变流器的电路结构框图；

图2：根据本发明的一种集中关断回路的等效电路图，它适用于12脉冲变流器；

图3：根据本发明的一种集中关断回路的等效电路图，它适用于6脉冲变流器。

在附图中所使用的标号及意义归纳在标号对照表中。原则上在附图中相同的部分使用相同的标号。

图1表示具有与一直流电压中间回路6相连接的一个晶闸管变流器2的电路结构框图。该直流电压中间回路6例如可由电池或自换流的电压变换器或由另一适合的电压源构成。

根据本发明的集中关断回路将在具有一个自换流的电压变换器的电路结构上实现，并在以下借助铁道电网连接的例子进行说明。但本发明并不局限在这种电路类型上。

标号4表示第一交流电压电网，例如50Hz的州电网。在该交流电网4上连接有一个第一变流器2。该第一变流器通过直流电压中间回路6与一个第二变流器相连接，为简明起见后者未示出。在第二变流器上连接了一个第二交流电网，例如162/3Hz的铁道电网。这种铁道电网连接的任务在于使能量或是从第一电网4传递到第二电网或是相反地进行。出于经济的原因，第一变流器2总是使用设有传统晶闸管的电路。如果在第一变流器2的逆变器工况中出现了换流失败，则电流既不会受到晶闸管变流器2也不会受到通常为GTO变流器的第二变流器的限制。作为唯一的关断装置仍是铁道电网侧设置的功率断路器。在功率断路器的关断时间期间(第二电网的一至二个周期＝60至120ms)第二电网经过第二变流器即设有GTO的变流器中的二极管向晶体管变流器2供电。这个非常大的负荷虽然使变流器的晶闸管仍能工作但不是没有损害的。因此必须设置一个集中关断回路，它使第一变流器2中的晶闸管能快速及可靠地关断并没有专门的措施可自动地作再关断准备。但是因为在电流回路的电感中、主要在变流器变压器电感及可能有的平波电抗器电感中存储的能量可导致关断电容器及晶闸管上的过电压，这在公知的解决方案中必定会造成尺寸过大，以致该电路成本太高。因而必须有一种专门的集中关断回路，它能以经济的方案及方式满足该要求。

图2表示这种集中关断回路1的等效电路图，它适用于12脉冲晶闸管变流器。其中设有一个电压供电网4，它通过具有两个次边绕组3及5的变压器7与晶闸管变流器相连接。第一次边绕组3接成三角形，第二次边绕组5接成星形连接。在每个次边绕组上接有晶闸管变流器2.1或2.2。晶闸管变流器设有反并联的晶闸管T+及T-。对于这里所考虑的晶闸管变流器的逆变器工况仅是实线所示的晶闸管导通电流。其余在整流器工况中工作的晶闸管用虚线表示。在以下的描述中没有另外特别强调指出的话总是考虑实线所示的晶闸管。部分变流器2.1及2.2一方面彼此连接，另一方面与以电压源表示的一个直流电压中间回路6的正极或负极相连接。

以下将图2中部分变流器2.1的下换流组的晶闸管T-及部分变流器2.2的上换流组的晶闸T+称为“内”晶闸管；部分变流器2.1及2.2与直流电压中间回路端子相连接的换流组的晶闸管T+及T-称为“外”晶闸管。

关断回路1包括作为用于电网每相及用于晶闸管变流器2.1及2.2中每个桥支路的一个关断晶闸管T_L+或T_L-。它们用作开关，用于使存储在关断电容C_L中的能量反向充电并由此使变流器2.1及2.2中的晶闸管T+或T-关断。

该电路结构具有以下特征：与三角形连接的绕组3相连的部分变流器2.1的关断晶闸管T_L+用其阳极连接在变流器的相端子上。其阴极构成一个第一公共节点。在第二部分变流器2.2上关断晶闸管T_L-的阴极和阳极互换，即该关断晶闸管的阳极构成一个第二公共节点。在这两个公共节点之间设置了所述的关断电容C_L。此外在第一及第二公共节点及关断电容C_L的端子之间各插入一个关断电感L_L1及L_L2。与第一公共节点连接的关断电感L_L1与关断电容C_L的公共连接点这时一方面经过第一续流二极管D_F1及第一续流电阻R_F1的串联支路与直流电压中间回路6的正极相连接，及另一方面经过第一反充电电阻R_L1与直流电压中间回路6的负极相连接。与第二公共节点连接的关断电路L_L2及关断电容C_L的公共连接点则是一方面经过第二续流二极管D_F2及第二续流电阻R_F2的串联支路与直流电压中间回路6的负极相连接及另一方面经过第二反充电电阻R_L2与直流电压中间回路6的正极相连接。在变流器2.1及2.2的中间回路端子之间可设置平波电感L_D1及L_D2。

该电路的功能如下：

在变流器的正常逆变器工况中，关断电容器C_L通过反充电电阻R_L1及R_L2充电到负的中间回路电压(-U_D)。关断晶闸管TL+/-及续流二极管D_F1，D_F2被阻断。如果在逆变器工况中通过例如逆变器颠覆检测器检测到一个换流失败，则控制部分发出一个通常为200ms的短触发脉冲指令给所有的六个关断晶闸管T_L+及T_L-。同时不但使晶闸管变流器2.1及2.2也使直流电压中间回路后面连接的GTO变流器被关断。由此就保证了不可能再引起任何新的换流。

通过所有关断晶闸管的触发，电流很快地从变流器2.1及2.2的“内”晶闸管T-及T+换流到关断回路的电流路径T_L+-L_L1-C_L-L_L2-T_L-中。关断回路除电感L_L1及L_L2以外没有电感，因此换流过程相当快地进行。这时电感L_L1及L_L2限制了关断晶闸管中的电流上升并使电流上升率调整到允许的量值dI_TL/dt＝U_Dmax/(L_L1+L_L2)上。除了很小的放电外，关断电容CL的电压总为值(-U_D)。这个过程称为第一关断过程。

直到在变流器2.1及2.2的晶闸管中的电流达到零时的时间t_L1可由下式确定： $t_{L1}\≈\sqrt{(L_{L1}+L_{L2})C_L}\·a\sin [\frac{I_L}{U_{\mathrm{CL}}}\·\sqrt{\frac{L_C}{C_L}}]$

接在这个过程后面的是所谓的第二关断过程，其中还在导流的“外”晶闸管及关断晶闸管同样必须关断。由于在电感中、尤其是变压器电感L_Tr及平波电抗器电感L_D1，L_D2中存储的能量及工作的中间回路使通过关断电容的电流上升。电流进一步上升的后果是关断电容上的电压U_CL反向。一旦该电压达到中间回路的电压值，则续流支路D_F1，R_F1及D_F2，R_F2自动地导流，并避免了关断电容的过充电。该电容器过充电的值将通过续流电阻R_F1，R_F2的大小来控制。剩余的电流现在一方面通过部分变流器2.1的外晶闸管T+，关断晶闸管TL+，LL1及第一续流支路(D_F1，R_F1)，另一方面经过部分变流器2.2的外晶闸管T-，关断晶闸管T_L-，L_L2及第二续流支路(D_F2，R_F2)流动。很小一部分电流流过C_L。

在续流支路导流后通过关断电容的电流呈指数地衰减。该电流将由电网叠加了一个50Hz的振荡波。由于该振荡将强制进行到电流过零点。由于该电流过零，使所有的还导通的晶闸管(变流器晶闸管及关断晶闸管)关断。由此也使第二关断过程结束。

在第二关断过程后又将自动地形成再关断的准备，这时电容器C_L通过反向充电电阻R_L1及R_L2重新自动地反向充电到负的中间回路电压(-U_D)。

在图3中表示可用于b脉冲电路的一种集中关断回路的等效电路。其工作原理实际上与12脉冲的情况相同。该电路实质上相应于12脉冲电路的上半部分，其中的三个关断晶闸管T_L-及下续流支路D_F2，R_F2由单个关断晶闸管T_L-取代。当然电网4也可接成三角形连接。

本发明虽然是借助铁道供电网连接来描述的，但它并不局限在这类电路上，而实际上可普遍地用在与直流电压中间回路连接的各种类型的晶闸管变流器上。

Claims (8)

1.用于一种装有晶闸管(T+，T-)的变流器(2；2.1，2.2)的集中关断回路(1)，该变流器一方面通过具有确定变压器电感(L_Tr)的变压器(7)与一个交流电压电网(4)相连接，及另一方面与一个直流电压中间回路(6)相连接，其中该集中关断回路包括至少一个关断晶闸管(T_L+，T_L-)，其特征在于：关断晶闸管与变压器(7)相连接并设置了一个用于接收储存在尤其是变压器电感及可能具有的另外电感中的能量的续流支路(R_F，D_F；R_F1，R_F2，D_F1，D_F2)。

2.根据权利要求1的集中关断回路，其特征在于：续流支路包括一个续流电阻(R_F；R_F1，R_F2)及一个续流二极管(D_F；D_F1，D_F2)的串联电路。

3.根据权利要求1或2的集中关断回路，其特征在于：电网(4)为多相的及对于每相设置了一个关断晶闸管(T_L+)。

4.根据权利要求2或3的集中关断回路，其特征在于：

(b)电网(4)及变压器(7)是多相的及关断晶闸管的阳极与变压器的每一相形成连接；

(c)关断晶闸管(T_L+)的阴极形成一个公共节点，该公共节点一方面经过续流电阻(R_F)及续流二极管(D_F)的串联电路与直流电压中间回路(6)的正极相连接，及另一方面与一个关断电容(C_L)相连接，其中关断电容经过一个开关(S)与直流电压中间回路的负极相连接；及

(d)关断电容与关断晶闸管的阴极节点的公共连接点经过一个第一反向充电电阻(R_L1)与直流电压中间回路(6)的负极相连接，及关断电容与开关的公共连接点经过一个第二反向充电电阻(R_L2)与直流电压中间回路(6)的正极相连接。

5.根据权利要求2或3的集中关断回路，其特征在于：

(a)第一变流器(2)构成12脉冲串联电路并包括一个第一部分变流器(2.1)及一个第二部分变流器(2.2)；

(b)变压器(7)包括接成三角形的第一次边绕组(3)及接成星形的第二绕组(5)，其中第一部分变流器(2.1)与第一绕组及第二部分变流器(2.2)与第二绕组相连接；

(c)对于第一及第二绕组的每相设有一个关断晶闸管(T_L+及T_L-)，其中与第一部分变流器(2.1)及与接成三角形连接的绕组相连接的那些关断晶闸管(T_L+)的阴极形成第一公共节点，和与第二部分变流器(2.2)及与接成星形连接的第二绕组相连接的那些关断晶闸管(T_L-)的阳极形成第二公共节点；

(d)第一及第二公共节点通过一个关断电容(C_L)彼此相连接；

(e)关断电容(C_L)及第一公共节点一方面经过一个第一续流二极管(D_F1)及一个第一续流电阻(R_F1)的串联电路与直流电压中间回路的正极相连接，及另一方面经过一个第一反向充电电阻(R_L1)与直流电压中间回路的负极相连接；

(f)关断电容(C_L)及第二公共节点一方面经过一个第二续流二极管(D_F2)及一个第二续流电阻(R_F2)的串联电路与直流电压中间回路的负极相连接，及另一方面经过一个第二反向充电电阻(R_L2)与直流中间回路的正极相连接。

6.根据权利要求5的集中关断回路，其特征在于：在第一、第二公共节点及关断电容之间各设置了一个关断电感(L_L1，L_L2)。

7.根据权利要求4或6的集中关断回路，其特征在于：变流器(2)或第一和第二部分变流器(2.1，2.2)各经过一个平波电抗器(L_D1，L_D2)与直流电压中间回路(6)相连接。

8.交流电流变换器，它具有一个由晶闸管构成的第一变流器(2)及一个由可关断功率半导体开关构成的第二变流器，其中第一变流器经过一个变压器(7)与第一交流电压电网(4)相连接，及第二变流器与第二交流电压电网相连接，和其中在第一变流器(2)及第二变流器之间设有一个直流电压中间回路，其特征在于；对于第一变流器(2)设置了一个根据以上权利要求所述的集中关断回路。

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