CN106134053A - 具有以线性运行方式运行的子模块的模块化的换流器电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种换流器电路(1)，具有‑直流电压接口(13)、‑至少一个交流电压侧的接口(12)和‑至少一个相模块(10)，其中，相模块(10)具有上换流器阀和下换流器阀(11a，11b)的串联电路，其中，上换流器阀和下换流器阀(11a，11b)之间的电连接表现为交流电压侧的接口(12)，其中，相模块(10)的接口(14a，14b)与直流电压接口(13)电连接，其中，上换流器阀和下换流器阀(11a，11b)分别具有至少两个电串联布置的子模块(20，30)，其中，子模块(20，30)具有至少一个电容器(42)、至少一个功率半导体(41)和用于驱控功率半导体(41)的驱控组件(50)，其中，至少一个换流器阀(11a，11b)具有适用于线性运行的子模块(30)，并且其中，换流器电路(1)具有驱控组件(50)，其能够实现适用于线性运行的子模块(30)的线性运行。此外，本发明涉及一种用于运行根据本发明的换流器电路(1)的方法，其中，在至少一个换流器阀(11a，11b)中以线性运行方式运行至少一个子模块(30)。

Description

具有以线性运行方式运行的子模块的模块化的换流器电路
技术领域
本发明公开了一种换流器电路，具有：
-直流电压接口；
-至少一个交流电压侧的接口；和
-至少一个相模块，
其中，相模块具有上换流器阀和下换流器阀的串联电路，
其中，上换流器阀和下换流器阀之间的电连接表现为交流电压侧的接口，
其中，相模块的接口与直流电压接口电连接，
其中，上换流器阀和下换流器阀分别具有至少两个电串联布置的子模块，
其中，子模块具有至少一个电容器和至少一个功率半导体。
背景技术
应用换流器以便在电压高度、电流高度、频率和相位方面转换电功率。用于将交流电压转换为直流电压或者将交流电流转换为直流电流的换流器也被称为整流器。与此相对，用于将直流电压转换为交流电压或者将直流电转换为交流电的换流器被称为逆变器。用于将具有一种频率的电压/电流的功率转换成另一种频率的换流器也被称为变流(频)器。
采用换流器，以便适当地为电机器和发动机提供电能。由此能通过换流器控制和调节这些电机器和发动机。另一个应用在于控制能量流、平衡谐波和提供能量供应网中的无功功率。此外，换流器借助于高压直流传输参与能量的低损传输。
在换流器的交流电压侧的输出电压的描述中，区分施加在换流器的各个交流电压侧的输出端之间的线间电压、在输出端和参考电势之间的也被称为线电压的电压和零序系统。通过将线电压相加并且除以导线的数量来构成零序系统。零序系统的电压在此不对线间电压产生影响。
在功率电子的基础上能够借助于换流器在两种方式的基础上生成周期的交流电压：
-脉冲频率的切换(脉宽调制)
-线性的设定/调整。
在脉冲频率的切换中控制频率明显高于输出端电压的频率的任意拓扑结构中的半导体。电压形状经由变化的脉冲宽度影响。上游的能量存储器使得电流和电压平整。除了所期望的电压之外，还剩有对输出端参量的高频干扰，其能通过相应高的滤波器消耗来减少，然而大多不能完全地排除。为了得到具有高质量的输出端电压，必须以最大的可能的脉冲频率切换。输出端侧的能量存储器和滤波器必须足够大地确定尺寸。两者都显著减少了系统的总效率并且带来高成本。
利用线性的调节器能够通过适当的打开和减少半导体阀在没有高频干扰的情况下设定任意的输出电压形式。在此，在半导体中在DC电压和交流电压之间的电压差完全地转换为热量。根据调整程度和曲线形状，在半导体中转化了比向外发送的电能更多的热能。更小的调整程度进一步减小了效率。因此，线性的调节器在能量技术中由于其非常高的损失仅非常罕见地采用。由于对冷却的高要求，仅能合理地实现具有相对较小的功率的应用。
此外，从DE 101 03 031 Al中公开了一种模块化的多级换流器。在该结构中，已经能够生成具有较小的谐波的输出电压，因为利用模块化的多级换流器生成的输出电压表现为梯形。用于清理谐波的滤波器能够在该换流器中特别小地且低消耗地实现。
发明内容
本发明的目的在于，给出一种低成本的并且可靠的模块化的多级换流器，其输出电压能够设定正弦曲线而不包括干扰的谐波。
该目的通过换流器电路由此实现，即至少一个换流器阀具有适用于线性运行的子模块，并且换流器电路具有驱控组件，其能够实现适用于线性运行的子模块的线性运行。
本发明的认知在于，在交流电压侧的输出电压中的谐波能由此减少，即至少一个子模块适用于线性运行。通过该运行方式能够连续地改变该一个子模块的电压，从而在输出电压中并不导致产生跳跃。因此，在输出端能生成任意连续的电压曲线。在此，生成作为换流器的输出电压的正弦曲线是特别有利的。因为输出电压中的跳跃造成了输出电压中的谐波，所以能够利用输出电压的连续改变避免谐波。所提出的是，至少一个相模块的至少一个子模块以线性运行方式运行。因此，在n个串联布置的子模块的情况下由于脉冲频率的切换得出具有较小损失的n-1个子模块。仅一个模块以较大的损失运行。然而，因为在其上仅施加中间回路电压的一部分，所以该模块也仅造成损失的一部分，其由于迄今为止已知的线性的调节器引起。因此，调节器由于明显较小的冷却要求能更简单地制造以及运行。因为较小的损失，也能够实现具有较大功率的换流器，它们在交流电压侧的输出端上提供纯正弦形状的输出电压。
与已知的线性调节器相比，该换流器电路已经由于其串联布置的子模块的数量而已经具有了高效率。
通过半导体在切换和线性运行中的组合使用，得出了将电压或电流高效率地从相同数量变形为任意幅度、频率和形状的理想的周期的交流参量。通过大量的串联的子模块，每半导体的断流容量在采用每个相模块n个子模块时比在常规的2点逆变器的情况下小了n倍，由此使线性运行中的损失功率减小为<1/n倍。在相应的设计中子模块的较低的电压能够实现在没有前置变换器的情况下从该子模块中直接供给子模块的控制电子设备。
因此，换流器电路也特别的适用于测量和检查目的，因为其能够精确地生成需要的电压曲线。
在一个有利的设计方式中，换流器电路具有多个相模块，其以并联电路形式相互布置。利用这样的布置也能够使多相的、特别是三相的部件与交流电压侧的负载接口连接。因此，也能够借助于根据本发明的换流器电路为这些多相的部件提供正弦形的输出电压。
在另一个有利的设计方式中，每个相模块都具有至少一个适用于线性运行的子模块。该设计方式的优点在于，所有的交流电压侧的接口的输出电压能够这样利用位于线性运行中的子模块影响，即能在交流电压侧的接口上实现输出电压的任意连续的时间曲线、特别是正弦曲线。这意味着，正弦曲线的谐波分量等于或近似于零。
在另一个有利的设计方式中，每个上换流器阀和每个下换流器阀都具有至少一个适用于线性运行的子模块。该布置的优点在于，建立中间回路的正和负电势之间的对称。除了提供输出电压的连续的时间曲线之外，这还能够实现回路电流的较简单的调整，该回路电流能够用于各个子模块的电容器电压的对称。此外，能通过该布置更轻易地影响交流电压侧的输出电压的零序系统。由此能够避免或至少显著减少负面的影响、例如在发动机情况下的轴承电流。
在另一个有利的设计方式中，适用于线性运行的子模块和其余的子模块具有带有相同的电压截止能力的功率半导体。该适用于线性运行的子模块能特别简单地制造。由于相同的电压截止能力，能够在所有的子模块中应用相同的器件。该属性提高了换流器中的直流分量的数量，从而使换流器能简单和低成本地制造。
在另一个有利的设计方式中，换流器电路具有调整装置，其与驱控组件电连接，其中，能为调整装置预设用于在交流电压侧的接口和参考电势之间的电压的额定值，并且其中，换流器电路能这样运行，即在交流电压侧的接口和参考电势之间的电压与额定值相符。在此，并不仅仅在时间上的中间达到该额定值，如其在脉冲宽度调制(PWM)的电压中是可能的那样。在每个时间点都达到该额定值。然而，基于在受控系统中的信号运行时间和回复时间，估计与额定值相符的输出电压的额定值预设和实现之间的微小的时间延迟。因此，能够为换流器电路的调整预设任意的时间曲线，其由换流器电路产生作为相对于参考电势在交流电压侧的接口上的电压。
在另一个有利的设计方式中，换流器电路具有调整装置，其与驱控组件电连接，其中，能为调整装置预设用于在两个交流电压侧的接口之间的电压的额定值，并且其中，换流器电路能这样运行，即在两个交流电压侧的接口之间的电压与额定值相符。该实施例原则上对应前述的实施例，然而其中，该调整不针对交流电压侧的接口和参考电势之间的电压，而是针对两个交流电压侧的接口之间的电压。
在另一个有利的设计方式中，两个交流电压侧的接口之间的电压或交流电压侧的接口和参考电势之间的电压能作为正弦曲线地生成。特别有利的是，正弦曲线对于很多应用都是需要的，并且在过去必须通过或多或少的耗费成本的和高花费的滤波器电路实现。现在能够放弃该滤波器电路。在例如连接在能量供应网上的情况下，由于换流器电路的输出电压的良好的正弦形曲线，并不出现高频干扰的电流。正如连接在换流器电路上的负载中的那样。它们也部分地相对于谐波敏感，利用根据本发明的换流器电路并不出现这些谐波。
对此，换流器电路也特别地适用的是，其用于测量和检查目的，因为其能够精确地生成需要的电压曲线。
在另一个有利的设计方式中，适用于线性运行的子模块的功率半导体具有场效应晶体管、特别是MOSFET。其特别地如下优化用于实现线性运行。特别地，适用于线性运行的子模块能利用其半导体元件简单、成本低和可靠地实现。
附图说明
接下来根据附图示出的实施例详细描述和阐述本发明。在此示出：
图1是根据本发明的换流器电路的一个相，
图2是三相的根据本发明的换流器电路，
图3是具有驱控单元和调整装置的根据本发明的换流器电路的子模块，
图4是具有MOSFET作为功率半导体的子模块。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的换流器电路1的实施例。其具有直流电压接口13。利用其使得相模块10与其接口14a，14b连接。相模块10包括上换流器阀11a和下换流器阀11b的串联电路。这两个换流器阀11a和11b的连接点形成交流电压侧的接口12。两个换流器阀11a和11b又具有各一个子模块20，30的串联电路。每个这种子模块都与驱控组件连接，其有利地布置在子模块20，30附近或者甚至在子模块20，30内部。在示出的实施例中，上换流器阀具有适用于线性运行的子模块30。其经由其驱控组件50这样驱控，即能在交流电压侧的输出端上相对于参考电势生成具有连续时间曲线的电压。在实现输出电压的正弦曲线的情况下能够实现没有谐波分量的输出电压。
对于调整换流器电路1内部的电流来说证明为有利的是，存在与子模块20，30串联的电感。特别地，其对于多相的交流电压侧的输出电压来说是有利的，以便生成用于使电容器电压对称的回路电流。
图2示出了根据本发明的换流器电路1的另一个实施例。为了避免在系统的相应的组成部分方面的重复而参照图1的描述和在那里引入的附图标记。与前述实施例相比，该换流器电路1实施具有三相的交流电压侧的接口12。特别地，这些接口适用于连接在能量供给网上。在此，能量供给网是三相交流电网。同样地，能够利用三个交流电压侧的接口给电消耗器、例如发动机馈电，它们为了控制其转速和其转矩而需要能在电压高度和频率方面能改变的电压源。基于输出端上的电压曲线，能够在没有过滤器电路的情况下运行该消耗器。
每个换流器阀在子模块20，30的串联电路中具有一个适用于线性运行的子模块30。因此，该结构一方面在各个相模块10方面进而也在交流电压侧的接口12方面是对称的。因此，在交流电压侧的接口上生成的电压全部以相同的方式生成能相应地预设的电压曲线。因为该实施例中的每个相模块10的每个上换流器阀和下换流器阀11a，11b都具有一个适用于线性运行的子模块30，所以每个相模块10的交流电压测的接口的电压相互独立地预设。
由于交流电压侧的接口上的正好的正弦形状，该换流器电路也特别地适用于测量和检查目的，其对电压源的电压形状具有特别高的要求。
图3示出了子模块20，30的实施例。其包括两个串联的半导体41和与该串联电路并联布置的电容器42。在子模块的接口端子43上能够在不以线性运行方式运行的子模块上施加电容器的电压或为零的电压。功率半导体41的驱控通过驱控组件50实现。当该驱控组件50不仅能够实现在如前所述的切换运行中的子模块、也实现在子模块30的线性运行时，能够在适用于线性运行的子模块30的情况下在子模块30的接口端子43上施加0电压和电容器的电压的每个任意的电压。驱控组件50从上级的调整装置51获得关于哪个电压值要被设定的预设。该调整装置51利用相关的子模块20，30在要其接口端子43上提供什么电压的信息来驱控各个驱控组件50。在位于切换运行中的子模块20的情况下，在此仅存在数字信息0V或Uc，而以线性运行方式运行的子模块30包含来自于上级的调整装置51的一个精确的电压值。调整装置51从额定值52的预设中又测定驱控组件50上的这些驱控信号。特别地证明了有利的是，为调整装置提供关于换流器电路1的交流电压侧的接口12上的相电流和电压的信息。
图4示出了具有MOSFET的适用于线性运行的子模块30的结构。在此，对于子模块30的功率半导体41使用MOSFET。
尽管通过优选的实施例在细节上详细地阐述并描述了本发明，但本发明并不局限于所公开的实例，并且其他的变体能够由专业人员推导出，这并不脱离本发明的保护范围。

Claims (15)

1.一种换流器电路(1)，具有：
-直流电压接口(13)；
-至少一个交流电压侧的接口(12)；和
-至少一个相模块(10)，
其中，所述相模块(10)具有上换流器阀和下换流器阀(11a，11b)的串联电路，
其中，所述上换流器阀和所述下换流器阀(11a，11b)之间的电连接表现为所述交流电压侧的接口(12)，
其中，所述相模块(10)的接口(14a，14b)与所述直流电压接口(13)电连接，
其中，所述上换流器阀和所述下换流器阀(11a，11b)分别具有至少两个电串联布置的子模块(20，30)，
其中，所述子模块(20，30)具有至少一个电容器(42)、至少一个功率半导体(41)和用于驱控所述功率半导体(41)的驱控组件(50)，
其中，至少一个换流器阀(11a，11b)具有适用于线性运行的子模块(30)，并且
其中，所述换流器电路(1)具有驱控组件(50)，所述驱控组件能够实现适用于线性运行的子模块(30)的所述线性运行。
2.根据权利要求1所述的换流器电路(1)，其特征在于，
所述换流器电路(1)具有多个相模块(10)，所述相模块(10)以并联电路形式相互布置。
3.根据权利要求1或2所述的换流器电路(1)，其特征在于，
每个所述相模块(10)具有至少一个适用于线性运行的子模块(30)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的换流器电路(1)，其特征在于，
每个上换流器阀和每个下换流器阀(11a，11b)具有至少一个适用于线性运行的子模块(30)。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的换流器电路(1)，其特征在于，
所述适用于线性运行的子模块(30)和其余的子模块(20)具有带有相同的电压截止能力的功率半导体(41)。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的换流器电路(1)，其特征在于，
所述换流器电路(1)具有调整装置(51)，所述调整装置与所述驱控组件(50)电连接，其中，能为所述调整装置(51)预设用于在所述交流电压侧的接口(12)和参考电势之间的电压的额定值(52)，其中，所述换流器电路(1)能运行以使得在所述交流电压侧的接口(12)和参考电势之间的所述电压与额定值(52)相符。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的换流器电路(1)，其特征在于，
所述换流器电路(1)具有调整装置(51)，所述调整装置与所述驱控组件(50)电连接，其中，能为所述调整装置(51)预设用于在两个交流电压侧的接口(12)之间的电压的额定值(52)，其中，所述换流器电路(1)能运行以使得在两个交流电压侧的接口(12)之间的所述电压与所述额定值(52)相符。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的换流器电路(1)，其特征在于，
在两个交流电压侧的接口(12)之间的电压或在所述交流电压侧的接口(12)和参考电势之间的电压能作为正弦曲线地生成。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的换流器电路(1)，其特征在于，
所述适用于线性运行的子模块(30)的所述功率半导体(41)具有场效应晶体管、特别是MOSFET。
10.一种用于运行根据权利要求1至9中任一项所述的换流器电路(1)的方法，其特征在于，
在至少一个换流器阀(11a，11b)中以线性运行方式运行至少一个子模块(30)。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，
在每个相模块(10)中以线性运行方式运行至少一个子模块(30)。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，
在每个上换流器阀和每个下换流器阀(11a，11b)中以线性运行方式运行至少一个子模块(30)。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的方法，其特征在于，
使适用于线性运行的子模块(30)以线性运行方式运行，其中，设定工作点，以使得在交流电压侧的接口上相对于参考电势生成电压，所述电压与为调整装置预设的额定值相符。
14.根据权利要求10至13中任一项所述的方法，其特征在于，
使适用于线性运行的子模块(30)以线性运行方式运行，其中，设定工作点，以使得在两个交流电压侧的接口之间生成电压，所述电压与为调整装置预设的额定值相符。
15.根据权利要求10至14中任一项所述的方法，其特征在于，
在两个交流电压侧的接口之间生成的电压或在交流电压侧的接口(12)和参考电势之间生成的电压表现为正弦曲线，所述正弦曲线没有谐波。
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