CN107017763A - 用来保护功率转换器布置的方法和具有保护装置的功率转换器布置 - Google Patents

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Abstract

公开一种用来保护具有功率转换器的功率转换器布置的方法，功率转换器具有连接到DC中间电路的DC侧、AC侧和能够在高频率可控切换以将DC中间电路的DC电压转化成AC电压的可控开关。提供了一种能够被激活和停用的保护装置，其用来通过将具有制动电阻器(Rb ext)的外部晶闸管整流器桥连接到功率转换器的AC侧来保护功率转换器免于过载。如果检测到(51)预确定的错误情况，则触发外部晶闸管来接通以激活保护装置(52)。如果检测到预确定的错误情况已消失(53)，则通过结束晶闸管的触发，并且主动控制功率转换器开关产生适合的极性和幅度的电压脉冲序列，以充当应用到保护装置以便强制电流从保护装置换向到功率转换器的晶闸管关断序列来关断(54)外部晶闸管以停用保护装置。也公开了一种具有针对过载以保护的装置的功率转换器布置。

Description

用来保护功率转换器布置的方法和具有保护装置的功率转换 器布置
技术领域
本发明涉及用来保护功率转换器布置的方法和具有保护装置的功率转换器布置，具体而言，涉及用来停用用于功率转换器布置的基于晶闸管的保护装置的方法和装置。
背景技术
功率转换器布置在尤其用于发电机和马达驱动的许多应用中使用。功率转换器布置通常包括其直流(DC)侧连接到DC中间电路的功率转换器，DC中间电路的交流(AC)侧与诸如例如旋转电机或变压器的AC电压电网和/或电气负载连接，并且功率转换器具有能够在高频率可控切换以将DC中间电路的DC电压转换成多相AC电压以向AC侧馈送的可控切换元件。控制器以适合应用的方式控制功率转换器的操作。
诸如例如双馈感应电机(DFIM)的高功率可变速率异步机频繁地从转子侧受到控制以降低电子功率转换器的额定功率。功率转换器通常用来间接通过转子电流的控制来控制异步机的定子的有功功率和无功功率。与在定子侧具有AC/DC/AC转换器的所谓全功率转换系统相比，此类系统具有大的优势，因为仅机器的转差功率必须通过功率转换器来操控。因此，取决于转子速度范围，对于仅机器的一部分额定功率，通常不到25%的额定功率,转子侧功率转换器能够被定尺寸。在例如由转子电压中强扰动造成的瞬变情况中，比如例如，如果存在线路电压中的电压突降、短路及诸如此类，与在给定转子转差率引起的正常转子电压相比，转子中引起的电压能够达到极高值。相应地，转子侧功率转换器能够暴露于极高浪涌转子电流瞬变，该瞬变能够大幅超过功率转换器开关的稳态值和标称负载容量。如果DC母线电压或转子电流超过某些安全限制，则必须阻止功率转换器开关的切换，并且必须激活过电压保护，所谓的短路器。保护短路器有效地使转子端子短路，使得功率转换器中的电流能够快速地降为零。保护短路器频繁使用三相晶闸管桥、具有反并联晶闸管或二极管的开关或在DC侧上的三相二极管桥和单晶闸管构建。万一过电压保护被开启，则它通常保持激活，直至转子与电网分离。
为满足今天的电网连接要求，有必要尽可能快地恢复正常功率转换器操作。用于实现此操作的一个选择是要暂时中断正常功率转换器切换如果高瞬变电流超过预确定的限制的话,并且允许转子电流继续流过续流二极管，并且为在DC母线上的中间电路电容器充电。然后通过将来自中间电路的过多能量耗散到在其中将能量变换成热的制动电阻器的制动斩波器，能够控制功率转换器的DC中间电路电压。这能够阻止中间电路电压上升到不允许值，并且损毁电路的中间电路电容器或其它组件。因此，附加电阻器被有效地插入到转子电路中，这产生了各种优势，比如例如转子瞬变电流的降低、转子的改进功率因数（增大的扭矩产生）及转子瞬变电流的非周期性分量的更快衰退（更小的转子时间常数）。一旦转子浪涌电流被降低，则关断制动斩波器，并且能够恢复功率转换器的正常切换。这允许在瞬变事件后以极小延迟恢复转子电流控制。
此解决方案的主要缺点是功率转换器的续流二极管和制动斩波器必须大幅高估以处理瞬变转子浪涌电流。续流二极管和制动斩波器必须频繁并联以提供必需的浪涌电流额定。不要求增大功率转换器的浪涌电流额定的备选解决方案涉及在与功率转换器的并联中添加配有制动斩波器和电阻器的附加二极管桥。一旦功率转换器的电流或DC总线电压超过其限制，外部制动斩波器便能够被激活以吸收部分的转子电流，缓解功率转换器。在功能上，在功率转换器内或外提供的制动斩波器之间不存在本质差别。
将相对很少使用并联外部桥，并且只在产生功率转换器本身不能处理的过多转子电流的定子侧瞬变期间使用并联外部桥考虑在内，在高功率应用中，将外部二极管桥和制动斩波器替换成晶闸管桥或二极管桥和晶闸管开关在技术上和经济上是无可非议的。在此情况下，通过点火外部桥的晶闸管或多个晶闸管来控制外部制动电阻器的接通。不幸地，一旦晶闸管被激活，在转子电流自然或强制降到零前，它们便不能被关断。由于转子瞬变电流能够包含DC和低频分量两者，因此，转子电流可能在延长时间期内没有任何零交叉，并且晶闸管关断时间不能被精确控制或保证。这能够潜在成为问题，因为由于不能在转子瞬变电流已降到足够低，使得能够恢复正常操作和机器电流控制后立即停用外部制动桥，恢复正常功率转换器操作可能被延迟。因此，重要的是提供在能够恢复正常功率转换器操作时，将可靠地强制晶闸管关断的方法。
利用功率转换器桥的完全可控制开关帮助在外部整流器中关断晶闸管是已知的。例如，WO 2004/091085 A1描述了用于具有若干可控开关的功率转换器装置的保护装置和保护方法，保护装置具有连接到功率转换器的AC侧并且包括通过二极管实现的三相整流器桥和保护开关与包括串联耦合的多个二极管的辅助换向部件的串联电路的外部保护电路。串联电路连接在整流器桥的正极和负极之间，并且保护开关是晶闸管。在检测到电路中超过某些条件的错误时，保护装置打开功率转换器开关，并且触发晶闸管保护开关以便闭合它。这有效地使转子电路短路，使得短路电流从转子流过保护开关并且流到保护电路。一旦保护装置检测到错误条件已结束，它便闭合三相功率转换器电路的所有三个更低开关，这将使AC电压的所有三个相位短路，并且将它们与DC中间电路的负母线轨连接。在通常用于控制基于脉宽调制(PWM)来控制旋转电机的空间矢量调制中，后一步骤对应于由功率转换器应用零电压矢量或无源电压矢量，因为在AC电压的相位之间不可测量的两线间的电压。这不同于在其它制动开关位置中输出的有功电压矢量或非零电压矢量，其随后导致在相位之间与零不同的两线间的电压。因此，由功率转换器使用零电压矢量基本上使外部整流器桥短路，其中，功率转换器实际上接管整个转子电流，在这之后，通过为并联连接到辅助换向装置的附加电容器放电来确保晶闸管保护开关的关断。
WO 2012/019834 A2公开了用来操作转换器系统用于切换至少三个电压电平的转换器系统和方法，其中，提供了包括经由晶闸管桥供应的外部制动电阻器的旁路电路。在其中通过转换器单元的电流超过预确定的阈值的故障的情况下，通过应用接通信号来接通晶闸管，使得通过外部电阻器使转换器单元的AC侧旁路。外部晶闸管桥以两步骤来关断：首先，由转换器应用零电压矢量，有效地使外部晶闸管桥短路，以重新引导电流到转换器，并且实质上降低晶闸管电流。然后，通过闭合两个辅助功率开关，将晶闸管桥连接（经由辅助电阻器）到DC中间电路，并且通过跨晶闸管应用反向电压，关断晶闸管桥。
在现有技术中，在关断晶闸管时，以无源方式使用功率转换器以减轻外部整流器的电流，产生短路，同时通过附加的部件，比如例如通过附加的DC侧电容器或辅助开关确保实际晶闸管开关关断。这增大了用于保护装置的电路系统及还用于保护方法的费用。存在用来降低此费用的需要。
本发明的目的是消除现有技术的缺点，并且提供用来保护功率转换器布置的改进的方法和改进的装置。具体而言，本发明的目的是提供用来保护功率转换器布置的方法和具有保护装置的功率转换器布置，其允许以小的延迟并且以降低的费用来停用保护装置。
发明内容
这分别采用用来保护功率转换器布置的方法并且采用具有独立权利要求1和11的特征的功率转换器布置而得以实现。特别是本发明的优选实施例是从属权利要求的主题。
根据本发明的第一方面，提供了一种用来保护功率转换器布置的方法。功率转换器装置具有功率转换器装置,其具有与DC中间电路连接的DC侧、交流(AC)侧和能够在较高频率可控切换以将DC中间电路的DC电压转换成多相AC电压以向AC侧馈送的可控切换元件。方法提供保护装置，其能够被激活和停用，以通过将具有整流器元件（其至少之一由晶闸管形成）的整流器电路连接到功率转换器装置的AC侧，并且将旁路分支连接到整流器电路的DC侧来保护功率转换器装置免于过载，旁路分支具有在必需时用来将从功率转换器装置的AC侧耗散的能量变换成热能的制动电阻器。方法也规定，万一检测到预确定的错误情况，则触发整流器电路的晶闸管以使其接通，激活保护装置，借助于整流器电路，把来自功率转换器装置的AC侧的AC电压能量整流，并将它馈送到包含制动电阻器的旁路分支。方法也规定，如果检测到预确定的错误情况消失，则通过结束晶闸管的触发，并且主动控制功率转换器装置的切换元件产生适合的极性和幅度的电压脉冲序列，以充当应用到保护装置以便强制电流从保护装置换向到功率转换器装置的晶闸管关断序列来关断整流器电路的晶闸管以停用保护装置。
因此，根据本发明，通过输出非零电压矢量，由功率转换器从AC电压(AC)侧主动关断具有包含在其中的晶闸管和制动电阻器的外部整流器桥。在结束晶闸管栅电流的应用后立即通过具有晶闸管开关的整流器桥应用有源（非零）电压脉冲的特殊序列能够在所有操作条件下快速并且安全地强制晶闸管关断，并且强制电流换向到功率转换器。为此，本发明方法将功率转换器拓扑和有关晶闸管的传导状态的知识考虑在内，合成并且使用在优化晶闸管关断序列中的有源电压矢量，以强制整流器桥中的晶闸管关断，同时对其组件放置最小压力。
特别是本发明方法的优选实施例能够具有下面的一项或多项：
方法能够规定，如果检测到预确定的错误情况，则控制功率转换器装置的闭合的切换元件打开，并且然后保持所有切换元件打开，直至检测到预确定的错误情况消失或不存在。这在错误情况期间保护了切换元件，特别是诸如IGBT、MOSFET、晶闸管的半导体装置或类似装置。
晶闸管关断序列具体而言能够基于有关整流器电路的个别晶闸管的传导或非传导状态的知识产生。为此，优选是监测（即，从功率转换器布置和转子的其它感测电流直接测量或推导）保护装置中电流的极性和幅度，以确定具有用来关断晶闸管的要求的极性和幅度的电压脉冲的适合序列。所监测的电流也能够用来检测预确定的错误情况的发生或出现和不存在或消失，比如例如，在例如在泵存储系统和风力发电厂中在用于双馈感应电机的控制的优选应用中定子电压的强扰动的情况下的极强瞬变浪涌电流。优选地，能够直接测量从AC侧上相应在相位线流到整流器桥的整流器分支的电流。
在本发明的有利实施例中，为提供浪涌保护，另外提供监测功率转换器装置的中间DC电路电压并且保护它的内部制动斩波器装置。制动斩波器装置具有将DC中间电路中过多的能量变换成热能的至少一个内部制动电阻器和例如通过脉宽调制(PWM)控制的至少一个开关。在错误的情况下，如果太多电流被引入到DC母线中，并且不能馈送到电网中，例如使得中间电路电压上升到不允许的电平，则开关能够通过PWM进行控制，以选择性地允许流过至少一个内部制动电阻器的电流以便在制动电阻器中消耗过多的能量。一旦制动斩波器装置的开关的占空比达到至少几乎100%，即，开关基本上连续闭合，并且这不足以限制DC母线电压中的上升，仅激活保护装置。一旦保护装置被激活，制动斩波器电路的内部制动电阻器和保护装置的外部制动电阻器便并联工作供过多能量的有效地消耗。
为允许这个，功率转换器装置优选也包括将AC侧的AC电压整流并且将它馈送到DC中间电路的部件。这些部件例如能够是续流二极管，每个续流二极管反并联连接到功率转换器装置的切换元件。此类续流二极管已经在电压源转换器中与IGBT开关集成。
在上面提及的任何方法的实施例中，电感器能够进一步布置在功率转换器装置与保护装置之间以限制换向电流的变化速率。这减轻了在反向恢复期间超出晶闸管的安全操作区域的可能强瞬变和过载。优选地，在相位线中提供的适当定尺寸的dv/dt滤波电感器能够用作换向电感器以限制在晶闸管被关断时晶闸管电流的变化速率（di/dt率）。
任何上面提及的方法的有利的进一步发展设计成以特别仔细的方式关断晶闸管，从而对组件产生最小的压力。这能够使用各种量度来完成。例如，通过控制功率转换器装置的切换元件在保护装置的端子处应用具有降低的幅度的电压脉冲，能够限制在保护装置的晶闸管被关断时的电流换向速度di/dt。在特别优选实施例中，应用具有最小可能幅度Vconv的电压脉冲到保护装置；此幅度通过下面等式控制：
。
在这里，Vdc是DC中间电路的电压，并且m是多电平功率转换器的电压电平的数量。在三电平功率转换器(m=3)中，能够应用的最小电压电平等于中间电路电压的一半(Vdc/2)，而在多于三电平的情况下，存在用来使用更小换向电压的更大自由度。
在上面提及的实施例中，也有可能在主动关断晶闸管前通过应用具有降低的幅度的电压脉冲，将通过旁路分支和具有电阻Rdext的外部制动电阻器的电流限制到值I钳位。这允许采用预定义的最大电流和最大di/dt速率，以可靠和仔细的方式关断晶闸管。在特别优选实施例中，应用具有最小可能幅度Vconv的电压脉冲将通过外部整流器电路和旁路分支的电流限制成值：
。
在任何上面提及的方法的另一实施例中，应用晶闸管关断序列能够涉及在整流器桥连接到的第一相位线与第二相位线之间应用具有某个电压幅度和极性的至少第一电压脉冲，之后在这些相位线之间应用具有反向极性的另一电压脉冲，以及随后在相互并联连接的第一和第二相位线与整流器桥连接到的第三相位线之间应用具有某个电压幅度和极性的又一电压脉冲。如果发现通过外部整流器装置的电流仍是高的，这能够后面是在这些相位线之间应用最后但具有反向极性的电压脉冲的又一步骤。应用本发明晶闸管关断序列的两到四个电压脉冲安全地关断外部整流器电路的所有晶闸管。晶闸管关断序列的每个应用的电压脉冲的持续时间优选事先被选择，并且等于至少电流换向时间和使用的晶闸管的阻断电压恢复时间之和。
在上面提及的本发明方法的任何实施例中，一旦结束错误情况，并且电流已从保护装置换向到功率转换器装置，便可恢复正常操作状态，其中，在高频率优选通过脉宽调制来控制功率转换器装置的可控切换部件，以转化DC中间电路的直流电压。
根据本发明的另一方面，提供了一种功率转换器布置，其包括功率转换器装置、能够被激活和停用以保护功率转换器装置免于过载的保护装置及控制装置。功率转换器装置具有与直流(DC)中间电路连接的DC侧、交流(AC)侧和能够在高频率可控切换以将DC中间电路的直流电压转换成多相AC电压以向AC侧馈送的可控切换元件。保护装置具有连接到功率转换器装置的AC侧并且包括整流器元件（至少一些整流器元件是晶闸管）的整流器电路和连接到整流器电路的DC侧的旁路分支，旁路分支具有在必需时用来将从功率转换器装置的AC侧耗散的能量变换成热能的制动电阻器。控制装置配置成控制整流器电路的晶闸管选择性地接通和关断晶闸管，以分别激活或停用保护装置。在被激活状态中，来自功率转换器装置的AC侧的AC能量借助于整流器电路进行整流，并且被馈送到具有制动电阻器的旁路分支。控制装置配置成停用保护装置以通过主动控制功率转换器装置的切换元件以产生适合的极性和幅度的电压脉冲序列以便充当应用到保护装置来强制电流从保护装置换向到功率转换器的晶闸管关断序列，选择性地关断整流器电路的晶闸管。控制器能够通过将使用的功率转换器拓扑和晶闸管的检测到的传导状态考虑在内而应用非零电压矢量，在从晶闸管去除栅控制脉冲后立即通过整流器电路应用特殊有功电压矢量以便强制晶闸管关断，并且强制电流以轻度主动方式换向到功率转换器，该方式在所有操作条件下对于功率转换器布置的组件是仔细的。
本发明功率转换器布置的实施例能够包括根据本发明的第一方面的方法的那些实施例，使得上面提及的优点也有益于功率转换器布置。功率转换器布置的特别优选实施例能够包括下面的一项或多项：
在一个实施例中，用于激活和停用晶闸管的控制装置是用于功率转换器装置的正常控制器的一部分，其在正常操作模式中在高频率优选通过脉宽调制控制切换元件以转化DC中间电路的DC电压。
上面提及的任何类型的控制装置能够配置成识别预确定的错误情况，比如例如,由于例如在用于双馈感应电机的转子电路的优选应用中的强转子电流瞬变并且超过可允许的中间电路DC电压等而造成的大的浪涌电流，以及因此控制功率转换器装置的闭合的切换元件以将它们打开，其中，控制装置然后保持所有切换元件打开，直至它检测到错误情况已消失。
为检测错误情况的发生和消失，并且为合成和应用适合的晶闸管关断序列，控制装置优选配置成监测在功率转换器布置中电流(包含保护装置中的电流)的极性和幅度。能够直接感测从功率转换器装置的AC侧的相位线流到整流器装置的整流器分支的电流，或者能够从在功率转换器布置中感测到的其它电流推导电流。
任何上面提及的功率转换器布置的功率转换器装置也能够具有用于将AC侧的AC电压整流，并且将它馈送到DC中间电路的部件。这些整流的部件能够对将异步机的转子电流馈送到DC中间电路中，并且然后进一步通过线路侧功率转换器到电网，或者在制动斩波器中消耗它是特别有效的。
在任何上面提及的功率转换器布置的有利的另外变型中，功率转换器装置还包括监测和保护中间电路电压的内部制动斩波器电路，制动斩波器电路包含将中间电路中的过多能量变换成热能的至少一个内部制动电阻器和选择性地允许或阻止电流流过至少一个内部制动电阻器的至少一个可控开关。在技术领域中，存在能够在这里使用的制动斩波器电路的许多其它已知配置。
在优选实施例中，功率转换器布置具有m电平n相位功率转换器，其中，m≥2，并且n≥3。能够使用例如NPC或NPP功率转换器的不同功率转换器拓扑的不同修改。
在任何上面提及的功率转换器布置中，电感器能够布置在功率转换器装置与保护装置之间，以限制某些变量的变化速率，比如例如电压上升率和换向电流的变化速率。
外部整流器电路的至少一些整流器元件能够是简单的二极管。优选地，整流器电路由多相晶闸管桥形成，其中，所有整流器元件是晶闸管，优选是B6晶闸管桥。
在特别优选应用中，功率转换器布置配置成控制可变速度的双馈感应电机，保护装置保护感应电机的转子电路。
从附图、描述或从属权利要求的有关本发明的实施例、方面和优点的另外细节。
本发明提供一组技术方案,如下:
1. 一种用来保护具有功率转换器装置(7)的功率转换器布置(3)的方法，所述功率转换器装置(7)具有与直流(DC)中间电路(11)连接的DC侧(8)、交流(AC)侧(9)和能够在高频率可控切换以将所述DC中间电路(11)的DC电压转换成多相AC电压的可控切换元件(S1-S9)，所述方法包括：
提供能够被激活和停用的保护装置(34)以通过将具有整流器元件的整流器电路(36)连接到所述功率转换器装置(7)的所述AC侧(9)，并且将旁路分支(45)连接到所述整流器电路(36)的DC侧(8)来保护所述功率转换器装置(7)免于过载，所述整流器元件的至少一些是晶闸管(Thy1-Thy6),所述旁路分支具有在必需时用于将从所述功率转换器装置(7)的所述AC侧(9)耗散的能量变换成热能的制动电阻器(Rb ext)；以及
如果检测到(51)预确定的错误情况，则触发(52)所述整流器电路的所述晶闸管以使它们接通来激活所述保护装置；并且
如果检测到所述预确定的错误情况消失(53)，则通过结束(63)所述晶闸管的所述触发，并且主动控制(66)所述功率转换器切换元件产生适合的极性和幅度的电压脉冲序列以充当应用到所述保护装置以便强制电流从所述保护装置换向到所述功率转换器的晶闸管关断序列来关断(54)所述整流器电路的所述晶闸管以停用所述保护装置。
2. 如技术方案1所述的方法，其特征在于如果检测到(53)所述预确定的错误情况，则控制闭合的切换元件打开，并且保持所有切换元件打开，直至检测到所述预确定的错误情况已消失。
3. 如技术方案1或2所述的方法，其特征在于为产生所述晶闸管关断序列，监测所述保护装置中的所述电流的所述极性和幅度，以确定电压脉冲的适合的序列和极性。
4. 如前述技术方案中的任一项所述的方法，其特征在于还提供了内部制动斩波器装置（32，33），其监测和保护中间电路电压，所述制动斩波器装置具有将所述中间电路中过多的能量变换成热能的至少一个内部制动电阻器（Rb1，Rb2）和通过脉宽调制可控制以允许或阻止电流流过所述至少一个内部制动电阻器的至少一个开关（S10，S11），如果所述至少一个开关（S10，S11）的占空比达到至少几乎100%，则所述保护装置被激活。
5. 如前述技术方案中的任一项所述的方法，其特征在于电感器还布置在所述功率转换器装置与所述保护装置之间以限制所述换向电流的变化速率。
6. 如前述技术方案中的任一项所述的方法，其特征在于为在所述保护装置的所述晶闸管关断时限制所述电流换向速度(di/dt)，所述功率转换器装置的所述切换元件根据下面等式，应用具有降低的幅度，优选是具有最小可能幅度Vconv的电压脉冲到所述保护装置：
，
其中，Vdc是所述DC中间电路的正电压，并且m对应于所述多电平功率转换器的电平的数量。
7. 如技术方案6所述的方法，其特征在于在主动触发(66)所述功率转换器装置的所述切换元件以关断所述晶闸管前，通过应用具有降低的幅度的电压脉冲，优选是通过应用具有最小可能幅度Vconv的电压脉冲，将通过包括所述外部制动电阻器Rb ext的所述旁路分支的所述电流限制到值I钳位，使得：
。
8. 如前述技术方案中的任一项所述的方法，其特征在于所述晶闸管关断序列的应用(66)包括下面步骤：在所述整流器桥连接到的第一相位线与第二相位线之间应用具有某个电压幅度和极性的第一电压脉冲；在这些相位线之间可选地应用具有相反极性的另一电压脉冲，以及(iii)随后在相互并联连接的所述第一和第二相位线与所述整流器桥连接到的第三相位线之间应用具有某个电压幅度和极性的又一个电压脉冲，可选地后面是在这些相位线之间的相反极性的电压脉冲。
9. 如前述技术方案中的任一项所述的方法，其特征在于将所述晶闸管关断序列的每个应用的电压脉冲的持续时间预选择成等于至少电流换向时间和使用的所述晶闸管的恢复时间之和。
10. 如前述技术方案中的任一项所述的方法，其特征在于一旦所述错误情况过去，并且所述电流已从所述保护装置换向到所述功率转换器装置，便恢复正常操作模式，其中在高频率优选通过脉宽调制来控制所述功率转换器装置的所述可控切换元件，以转化所述DC中间电路的所述DC电压。
11. 一种功率转换器布置，包括：
功率转换器装置(7)，其具有与直流(DC)中间电路(11)连接的DC侧(8)、交流(AC)电压侧(9)和能够在高频率可控切换以将所述DC中间电路(11)的DC电压转换成多相AC电压以向所述AC侧(9)馈送的可控切换元件(S1-S9)；
能够被激活和停用的保护装置(34)，其用来保护所述功率转换器装置(7)免于过载，所述保护装置(34)具有连接到所述功率转换器装置(7)的所述AC侧(9)并且具有整流器元件的整流器电路(36)和连接到所述整流器电路(36)的DC侧(8)的旁路分支(45)，所述整流器元件的至少一些是晶闸管(Thy1-Thy6),所述旁路分支具有在必需时用于将从所述功率转换器装置(7)的所述AC侧(9)耗散的能量变换成热能的制动电阻器(Rb ext)；以及
控制装置(46)，用于控制所述整流器电路(36)的所述晶闸管(Thy1-Thy6)，以选择地接通和关断所述晶闸管以便分别激活或停用所述保护装置(34)；
所述控制装置(46)配置成通过主动控制所述功率转换器装置(7)的所述切换元件(S1-S9)以产生适合的极性和幅度的电压脉冲序列来充当应用到所述保护装置(34)来强制所述电流从所述保护装置(34)换向到所述功率转换器(7)的晶闸管关断序列，选择地关断所述整流器电路(36)的所述晶闸管(Thy1-Thy6)以停用所述保护装置。
12. 如技术方案11所述的功率转换器布置，其特征在于所述控制装置(46)是用于所述功率转换器装置(7)的所述控制器的一部分，其在正常操作模式中在高频率优选通过脉宽调制控制所述切换元件(S1-S9)以转化所述DC中间电路的所述DC电压。
13. 如技术方案11或12所述的功率转换器布置，其特征在于所述控制装置(46)配置成识别预确定的错误情况，并且因此配置成控制闭合的切换元件(S1-S9)以将它们打开，并且保持所有切换元件打开，直至它检测到所述错误情况已消失。
14. 如技术方案11-13中的任一项所述的功率转换器布置，其特征在于所述控制装置(46)配置成监测所述保护装置(34)中的所述电流的所述极性和幅度。
15. 如技术方案11-14中的任一项所述的功率转换器布置，其特征在于所述功率转换器装置(7)还包括用于将所述AC侧(9)的所述AC电压整流，并且将它馈送到所述DC中间电路(11)的部件(D1-D6)。
16. 如技术方案11-15中的任一项所述的功率转换器布置，其特征在于所述功率转换器装置(7)具有m电平n相位功率转换器，其中，m>=2，并且n>=3。
17. 如技术方案11-16中的任一项所述的功率转换器布置，其特征在于所述功率转换器装置(7)具有监测和保护中间电路电压的内部制动斩波器装置（32，33），所述制动斩波器装置（32，33）包括将所述DC中间电路(11)中的过多能量变换成热能的至少一个内部制动电阻器（Rb1，Rb2）和选择地允许或阻止电流流过所述至少一个内部制动电阻器的至少一个可控开关（S10，S11）。
18. 如技术方案11-17中的任一项所述的功率转换器布置，其特征在于电感器布置在所述功率转换器装置(7)与所述保护装置(34)之间以限制所述换向电流的变化速率。
19. 如技术方案11-18中的任一项所述的功率转换器布置，其特征在于所述整流器电路(36)由多相晶闸管桥形成。
20. 如前述技术方案中的任一项所述的功率转换器布置，其特征在于它配置成控制双馈感应电机(2)的转子电路中的转子电流。
附图说明
下面参照附图，结合优选实施例，更详细地描述本发明。理解的是，附图只为说明目的同时本发明的示范实施例，而不以任何方式限制本发明。在附图中：
图1是以大幅简化表示的其中能够实现本发明的具有功率转换器布置和双馈感应电机的示范系统的框图；
图2是以简化表示的根据本发明的实施例的用于保护功率转换器布置的方法的流程图；
图3是以简化表示的更详细图示根据示范实现的用于保护图2中示出的功率转换器装置的方法的个别步骤的流程图；
图4-6是以简化表示的在图2和3中示出的方法的个别阶段中的图1中示出的功率转换器布置的框图；以及
图7是以简化表示的示范系统的框图，该系统具有双馈感应电机和为此的具有并联连接的若干多电平功率转换器的功率转换器布置和具有用于本发明功率转换器布置的保护装置。
具体实施方式
图1示出其中能够实现本发明的示范驱动系统1的简化框图。图示的系统1是具有双馈感应电机（双馈感应电机或发电机DFIG）2的所谓的DFIM系统，其转子电流能够通过功率转换器布置3控制。虽然下面结合DFIM系统描述本发明，但本发明同样适用于功率转换器布置在其中用来从其直流电压(DC)输入产生在其输出的交流电压或交流(AC)输出的其它系统，在发生故障的情况下，如果负载能够产生能够损坏功率转换器布置的浪涌电流或其它电流或电压瞬变，则能够向所连接的负载馈送该交流电压或AC输出。在此方面，本发明的应用领域不限于只结合双馈感应电机的使用。
在异步机或发电机中，能够把来自转子电路的转差功率通过功率转换器反馈到电网中，或者将功率馈送到转子。这能够用于具有可变的有限旋转速度范围的大驱动装置，例如风力发电机泵或风扇。异步机2通常具有例如能够与电网或诸如此类直接连接的定子4和与功率转换器布置3连接的转子6。
功率转换器布置3具有下文也称为功率转换器的功率转换器装置7，其在图1中图示的示范实施例中具有3电平功率转换器拓扑。具体而言，在这里的功率转换器装置7是3电平3相位功率转换器，其具有DC侧8和AC侧9，DC侧与DC中间电路11连接。DC中间电路11由连接在DC母线14的正DC轨12与负DC轨13之间的中间电路电容器C1、C2的串联连接形成。正DC轨12具有正直流电压Vdc+，而负DC轨13传导负电压Vdc-。在中间电路电容器C1、C2之间也称为电容器中点的连接点16传导零电压，并且也能够接地,这取决于应用。
功率转换器装置7具有三个半桥分支17、18、19，每个分支连接在正和负DC轨12、13之间。每个半桥分支17-19具有由两个可控切换元件组成的串联连接，两个切换元件能够在高频率被门控以转化DC侧8的直流电压。可控切换元件S1-S6特别由功率半导体比如例如绝缘栅双极晶体管(IGBT)、功率MOSFET、栅极关断晶闸管(GTO)或集成栅极换向晶闸管(IGCT)形成。
第一对开关元件S1、S2布置在半桥分支17中，并且具有由开关元件S1、S2的连接点形成的桥接抽头21。类似地，分别提供了第二对开关S3、S4和第三对开关S5、S6，每对相互串联并且在DC轨12、13之间，其中桥接抽头22、23在开关的连接点处。打开和闭合相应开关S1-S6能够应用正电势Vdc+、负电势Vdc-或电容器中点电垫Vdc0到每个相应桥接抽头21、22、23。
每个开关元件S1-S6具有在反并联方向上连接的一个并联整流器二极管D1-D6。如果通过功率转换器把来自转子电路的功率馈送到电网中，或者如果禁用功率转换器装置7的切换，则也称为续流二极管的二极管D1-D6充当二极管桥。
如从图1中也能够看到的，附加的开关S7、S8或S9在每个相应桥接抽头21、22、23与电容器中点连接点16之间插入。开关S7-S9使得选择性地连接每个相应桥接抽头21-23到中点电势VDC0或者将它们与中点电势VDC0断开成为可能。
桥接抽头21-23形成功率转换器装置7的AC连接，或者与其连接。AC连接21、22、23使双馈感应电机2的转子连接24、26、27通过相位线28、29、31与其连接。每个相位线28、29、31分别具有布置在其中的电感器L1、L2和L3。滤波电感器L1、L2、L3用来限制在相位线28-31中的电压上升率。如已经提及的，通过触发开关S1-S9，由桥接抽头21、22、23形成的功率转换器7的AC侧输出能够选择性地与DC母线轨12、13和与电容器中点16连接，即，在图示的示范三电平功率转换器中，与三个电势Vdc+、Vdc0和Vdc-连接。以这种方式，取决于功率转换器的电平的数量，功率转换器有可能以若干步改变功率转换器7的AC输出相位线28、29、31的电势；在示出的示例中，以三个电平（0、Vdc+和Vdc-）。在正常操作中，使用开关和使用脉宽调制(PWM)控制异步机2的转子6的转子电流以控制转子电压。在正常操作中，通过转子6吸收或输送的功率能够通过附加的功率转换器的输送或吸收的能量进行平衡，附加的功率转换器例如能够通过在电网与转子侧功率转换器7的公共DC母线或DC中间电路11之间连接的自换向的主动控制电网逆变器形成。为清晰，电网侧功率转换器在图1中未示出。
如也从图1中得出的，制动斩波器装置32、33连接到在DC母线轨12、13之间的DC母线，并且用来监测和保护中间电路电压。第一制动斩波器电路32连接在正DC轨12与电容器中点连接16之间，并且具有与其串联布置的制动电阻器Rb1和开关S10。二极管D7与制动电阻器Rb1并联连接，其中其正向朝向正DC轨12。制动电阻器Rb1在必需时用来把来自中间电路11的过多能量变换成热能,能够通过脉宽调制致动的开关S10例如备选地允许或阻止电流流经内部制动电阻器Rb1。
第二制动斩波器装置33连接在电容器中点16与负DC轨13之间，并且类似地配置有制动电阻器Rb2、与其串联布置的可控开关S11及与制动电阻器Rb2并联布置的二极管D8，二极管具有指向电容器中点连接16的其正向。
除制动斩波器装置32、33外，还提供了另一保护装置34以保护功率转换器装置7免于过载。在这里，保护装置34具有外部晶闸管整流器桥36，其连接到与功率转换器7并联的转子连接。具体而言，外部晶闸管整流器桥连接到相位线28、29、31，使得dv/dt滤波电感器L1、L2、L3定位在功率转换器7与整流器桥36之间。也有可能在dv/dt滤波器L1、L2、L3与转子连接24、26、27之间插入附加的电感器，或者将附加的电感器串联插入到外部整流器桥（到连接42、43和44中）。
在这里，通过具有连接到以B6晶闸管电路形式的整流器桥的六个晶闸管Thy1、Thy2、Thy3、Thy4、Thy5和Thy6的三相晶闸管桥以正常方式形成整流器桥36。具体而言，图1中的上部的三个晶闸管Thy1、Thy3、Thy5使其阴极连接在一起以形成第一DC线路端子37，而图1中的下部晶闸管Thy2、Thy4、Thy6使其阳极连接在一起以形成整流器桥36的DC侧39的第二DC线路端子38。在整流器桥36的AC侧41上，每个串联连接的晶闸管对Thy1、Thy2；Thy3、Thy4；和Thy5、Thy6的中点被分接，并且分别通过分支线路42、43、44与相应相位线28、29和31连接。
在外部整流器桥36的DC侧39上，外部制动电阻器Rb ext连接在端子37、38之间的旁路分支45中。
如从图1中也能够看到的，提供了控制器46,其用来控制功率转换器布置。在正常操作模式中，控制器46在高频率优选通过脉宽调制(PWM)控制功率转换器装置7，以转化DC中间电路的DC电压，以向异步机2的转子6馈送。为实现这个，控制器46与开关S1-S9的控制端子电连接，并且也与开关S10、S11的那些端子电连接，以通过应用适合的控制信号到其控制端子来选择性闭合或打开它们。为了清晰，个别的连接在图1中未示出。控制器46的控制输出仅以参考数字47指示。控制器46也通过控制输出47与保护装置34的外部整流器桥36的晶闸管Thy1-Thy6连接，以使其接通（点火它们），并且在适用的情况下，通过应用适合的电流脉冲或信号到栅极端子以保持它们处于接通状态中。
控制器46也具有多个控制输入48，控制器46通过控制输入接收由诸如电厂和电流传感器的测量装置在整个系统1中感测到的信号。为了清晰，从图1中省略测量装置和关联传送连接。有可能感测到在中间电路电容器C1、C2之上的中间电路电压、相位线28、29、31中的相位电流、流过分支电路42、43、44到整流器桥36的电流或在整流器桥36的个别分支中的电流及其它参数。
除用于在正常操作中门控功率转换器装置7的切换元件S1-S9的控制逻辑，控制器46也具有附加的控制逻辑49。控制逻辑49用来监测操作条件，并且检测能够引起功率转换器布置3的组件过载的预确定的错误情况，并且在此情况下，激活保护装置34以保护功率转换器布置3。为实现这个，控制逻辑49实现用来保护功率转换器布置3的方法，其中，此方法结合图2详细解释。
图2示出根据本发明的用来保护诸如例如图1中示出的功率转换器布置3的功率转换器布置的方法的流程图。方法在预确定的错误情况下例如由控制器46或另一个单独控制装置执行。例如，在比如例如图1中示出的系统1的DFIM系统中定子电压的突然扰动的情况下，在转子中引起大电压。由于功率转换器只具有有限电压范围，其也受DC母线电压Vdc限制，因此，功率转换器7不能保持转子电流控制，并且大的浪涌电流从转子侧引入，使得转子6在这些瞬变事件期间表现为电流源。首先，这些浪涌电流完全由功率转换器吸收。然而，功率转换器开关S1-S9的额定功率一被超过，其切换模式便必须中断以保护开关免于损毁。控制装置基于通过控制输入48馈送的测量的参数，识别可允许的工作范围已超过，之后，控制器46触发功率转换器装置7的所有开关S1-S9以促使它们打开。
转子浪涌电流然后通过续流二极管桥D1-D6继续流到功率转换器中，其对电流进行整流并且为DC母线充电。电网侧功率转换器（图1中未示出）通常不能将如此大量的浪涌电流传导到电网，特别是如果电网电压被扰动并且大幅降低的话。通常，电网电压的突降是转子侧瞬变浪涌电流的主要来源。为防止DC母线电压过度上升，控制器46激活第一和第二内部制动斩波器32、33，使得馈送到功率转换器7的DC母线中的功率能够在内部制动电阻器Rb1、Rb2中消耗。因此添加到转子电路的制动电阻器有助于衰减转子电流的非周期分量、其降低率被加速，并且恢复正常操作所必需的时间被减少。
如果转子电流瞬变是极强的，则甚至功率转换器7的续流二极管D1-D6和内部制动斩波器装置32、33能够被过载。如在图2中示出的流程图中步骤51所指示，此种错误情况由控制器46识别。例如，控制器能够识别制动斩波器装置32、33几乎最大化了其在内部制动电阻器Rb1、Rb2中的功耗，使得例如以几乎为100%或等于100%的脉冲占空比触发开关S10、S11，即，它们是基本上连续闭合的。如果这不足以阻止DC母线电压的进一步上升，则识别存在错误情况（步骤51），并且保护装置34应被激活（步骤52）。
为此，然后激活具有外部制动电阻器Rb ext的外部晶闸管整流器桥36。为实现这个，通过应用电流脉冲或永久的电流信号到其栅极端子，点火或接通所有6个晶闸管Thy1-Thy6。在此状态中，存在并联工作的两个整流器桥，一个由续流二极管D1-D6形成，并且另一个由与制动电阻器Rb1、Rb2或Rb ext并联一起工作以将由转子6供应的过多能量变换成热能的晶闸管Thy1-Thy6形成。由于相当大部分的瞬变转子电流流到外部整流器桥36中，因此，这保护了功率转换器装置7的续流二极管D1-D6和内部DC制动斩波器装置32、33。制动斩波器装置32、33的开关S10、S11的脉冲占空比能够实质上降低。内部制动斩波器装置32、33现在能将跨功率转换器7的DC母线的电压控制到预确定的电平。
一旦转子电压和电流瞬变已被衰退，由转换器桥D1-D6吸收的电流逐渐下降到0，并且所有转子电流然后只流过外部整流器桥36。转子电流一被充分降低，它便能够转移回功率转换器7以尽可能快地恢复功率转换器7的正常切换操作。如在图2中步骤53所指示，错误状态的不存在由控制器36识别。
在恢复正常功率转换器操作前，必须先停用外部整流器桥36。只通过从外部桥晶闸管去除栅极点火脉冲并不能在预定义的时间范围中可靠地关断外部整流器桥36的晶闸管Thy1-Thy6。晶闸管电流必须自然跌落到零，或者被强制降到零以关断晶闸管。由于转子电流包含残余非周期性和低频率（转差频率）电流分量，因此，实际上不可能等待转子电流的自然零交叉来关断外部晶闸管桥36的晶闸管Thy1-Thy6。强制外部晶闸管Thy1-Thy6关断的一种可能方式将是打开转子电路。然而，这将要求附加的开关或转子连接，并且接通和关断它们将花费不可忽略的时间。因此，期望提供用于晶闸管桥36的强制关断的部件。
根据图2中示出的本发明方法50，在恢复功率转换器7的正常操作前，使用功率转换器开关S1-S9，通过主动控制它们产生电压脉冲的序列，晶闸管关断序列，通过桥AC侧强制关断例如图1中的Thy1-Thy6的外部整流器桥的晶闸管。设计晶闸管关断序列，使得通过功率转换器开关S1-S9应用适合的极性和幅度（适合的量值）的电压脉冲到整流器桥36以便强制转子电流从外部整流器桥34换向到功率转换器7。因此，控制器一检测到转子瞬变已充分衰退，并且正常功率转换器操作能够安全恢复，对晶闸管的触发以保持它们传导便将结束，并且短路晶闸管关断序列由功率转换器7应用。在那之后，实际上在没有转子电流的扰动的情况下,能够恢复正常功率转换器操作。
图3中的流程图中更详细地示出如图2中示出的根据本发明的方法的步骤54。如已经提及的，在本方法的优选实施例中，通过在预定义的时间内应用以特定幅度和极性的功率转换器的电压脉冲，以若干步顺序地关断外部整流器桥36的晶闸管（例如，Thy1-Thy6）。基于晶闸管（例如，Thy1-Thy6）的传导状态的估计，合成晶闸管关断序列（开关S1-S9的状态）。通过监测分支线路42、43、44中测量的外部整流器电流，能够估计晶闸管的传导和非传导状态，包含其电流的量值和流动方向。也能够从转子和功率转换器电流的测量中间接推导外部整流器桥36中的电流。
在根据本发明的方法的实施例中，如图3所图示，通过主动控制功率转换器功率开关以通过其AC端子提供电压脉冲(也就是有源电压矢量)，关断外部整流器晶闸管。使用下面步骤，这个能够以在功率转换器布置的组件上的最小负载来进行：
首先，在第一可选步骤61中，在关断晶闸管时进行测量以限制电流换向速度。重要的是最小化晶闸管电流的变化速率，以防止在反向恢复期间的强电流瞬变。此类电流瞬变能够超过晶闸管的安全操作区域。通过在换向环路中插入所定义且足够高的电感，能够防止这个。例如，在功率转换器7与外部整流器桥36之间插入电感，其影响或控制换向电流的变化速率。电感也能够服务于另一目的。在此情况下，例如图1中示出的滤波电感器L1、L2、L3（为了简单，能够假设L1=L2=L3）的dv/dt滤波电感器如果被适当定尺寸，则能够也充当换向电感。也有可能使用其它换向扼流圈或电感器，甚至例如在并联功率转换器中使用公共电流的那些扼流圈或电感器。
在也能够在步骤69之前执行的下一步骤62中，选择功率转换器电压脉冲的降低的幅度。为成功晶闸管换向，重要的是降低电压幅度，因为电压幅度确定电流的最大换向速度(di/dt)或在关断期间晶闸管电流的变化速率。为确保外部晶闸管能够被关断，功率转换器电压应恰好稍高于用于给定转子电流的dv/dt电感器和功率转换器开关中的电压降。
在特别优选实施例中，使用了多电平功率转换器能够被提供的最小电压电平的最小可能幅度。如果功率转换器是具有m个电平的多电平功率转换器，则此最小电压幅度为：
。
这使得在反向恢复期间降低晶闸管电流的变化速率di/dt和关联瞬变成为可能。例如，在3电平逆变器(m=3)的情况下，有可能使用Vconv=Vdc/2的最小电压电平。如果功率转换器具有多于三个电平，则能够选择并应用较低换向电压。
一旦例如由控制器46检测到转子电流瞬变已充分降低，则在下一步骤63中，能够停止外部晶闸管通过其栅极电极的触发，并且能够启动用来关断晶闸管整流器桥的方法。
在该操作之前，同时，或在该操作之后，评估有关外部整流器中电流的测量的或推导的信息，并且将其用来确定在外部整流器桥中晶闸管的传导状态，以及基于此信息，设置功率转换器应生成以强制晶闸管在该操作后可靠地关断的电压脉冲的必需序列和极性。这在图3中示出为步骤64。
在步骤65中，在换向以降低晶闸管中存储的电荷前，将外部整流器的电流降低或钳位到固定值。具体而言，在晶闸管关断前应用最小电压电平使得将外部整流器桥中的电流限制到下面的最大值成为可能：
设计晶闸管保护电路，使得能够在预定义的最大电流和预定义的最大电流换向速度di/dt可靠地关断晶闸管。
最后，在步骤66中，通过功率转换器的主动控制，将设置的晶闸管关断序列应用到外部整流器以关断其晶闸管。每个电压脉冲的持续时间事先预设，并且不长于要求的电流换向时间加上晶闸管的阻断电压恢复时间(Tq min)之和。有关最小阻断电压恢复时间(Tq min)的信息能够在使用的晶闸管的数据表中找到。
下面结合图4-6，解释特定示例，其图示如果由三电平功率转换器（例如，图1中示出的功率转换器装置7）执行晶闸管关断序列，则能够如何构建该序列。图4-6将在等效电路图中的具有外部晶闸管整流器桥36和异步机2的转子6的保护装置34示出为电流源。
首先，根据其幅度和方向对例如在图1中示出的实施例中在分支线路42、43、44中直接测量，或者从功率转换器和转子电流的测量中推导转子或外部整流器的电流进行分类，如下：远离整流器6取向的外部整流器的最大电流被分类为max电流。导向外部整流器的最大电流被分类为min电流。剩余电流被分类为mid电流。它能够具有任何方向。
图4中图示暂时电流方向及其分类的示例的表示。如已经提及的，要由功率转换器应用的关断序列优选涉及应用最小电压电平（在3电平功率转换器的情况下为±Vdc/2），用来关断晶闸管所要求的步聚数是从二到最多四步。一般来说，在例如如果电流是较小的，只能困难地识别晶闸管的电流符号和传导状态时，仅要求四个步骤。
如已经解释的，在第一步中，能够通过功率转换器馈送到外部整流器的电流降低到值I钳位=Vconv/Rb ext。为实现这个，跨已分类为max和min的相位应用电压-Vconv（在图1示出的3电平功率转换器的示例中为-Vdc/2）。mid端子保留在浮动状态中。这在图4中被图示。由于步骤1，流过外部整流器的最大电流被限制到值I钳位。
理解的是，通过使用各种有功电压矢量，也就是说，通过不同开关组合的主动控制，能够应用诸如例如-Vconv的任何电压。例如，这能够通过在步骤1中闭合开关S1、S9和图1中显示的示例来实现。备选地，也有可能选择开关S7、S2或开关S5-S6实现相同电压矢量。相应的开关取决于在每种情况下使用的功率转换器拓扑。
如果外部整流器的电流在步骤1前已经低于最大电流电平I钳位，则能够省略步骤1，并且通过立即应用在max与min相位之间的电压+Vconv，能够强制关断晶闸管中的一个。这在图5中被图示。
否则，如果电流限制或钳位已在步骤1中执行，则在步骤2中，通过应用电压+Vconv（在图1中的3电平功率转换器的示例中为+Vdc/2），强制在max与min相位之间的晶闸管中的一个的关断（参见图5）。在由电流换向环路的应用的电压脉冲的幅度和电感定义的时间间隔Tf内，将通过晶闸管中的至少一个的电流强制为零：Tf=2L*(I钳位/Vconv)。对于已知系统，能够事先预计算电压脉冲的持续时间。实际应用的电压脉冲应长于电流下降时间，以便提供已关断的晶闸管的充分负极化Tp=Tf+Tq min。
在步骤3中，通过功率转换器互连指定为min和max的转子相位。在这些相位中传导晶闸管中的一个已经被关断，使得此互连对于关断过程不是绝对必需的。此互连的目的是要排除精确识别保持在传导状态的相位的需要。如果相应相位中的残余电流假定极低电平，则此种识别能够是困难或几乎不可能的。
在那之后，在步骤3中，在与其并联连接的max和min相位与剩余mid相位之间应用关断电压。应用的电压的极性取决于在mid相位中电流的符号。图6中图示步骤3的应用。在应用步骤3后，应关断所有晶闸管。然而，如果由于极低残余电流而误识别电流符号，则效果可能正好相反，即，外部整流器的电流上升到钳位电平I钳位。在此情况下，在后一步骤4中必须应用反向电压。
仅在步骤3中检测到尽管应用了步骤3，外部整流器电流仍是高的，步骤4才是必需的。然后，在max和min相位的并联连接与mid相位之间应用来自步骤3的以相反的极性的电压。最迟在该步骤后，最终关断所有晶闸管。
在每种情况下，步骤或电压脉冲的应用的持续时间应长于通常为大约500微秒的使用的晶闸管的恢复时间，以确保在继续下一步骤前关断晶闸管的逆极化。
根据本发明的用来保护功率转换器布置的方法和功率转换器布置34允许对于系统1的功率转换器布置3和其它组件的有效保护。具体而言，方法和功率转换器布置允许在外部整流器桥中的晶闸管的改进关断，其与制动电阻器一起用作外部旁路装置用于针对强瞬变浪涌电流的保护。使用改进的合成并且通过应用在优化的晶闸管关断序列中的功率转换器的有功电压矢量，关断外部整流器桥的晶闸管。本发明将功率转换器拓扑和确定的有关晶闸管的传导状态的信息考虑在内，以强制晶闸管迅速但以仔细的方式关断，从而最小化在系统组件上的负载。
许多修改在本发明的范围内是可能的。虽然本发明例如结合电压源功率转换器进行描述，在这里特别是3电平3相位NPP功率转换器，但也有可能使用具有至少两个电压电平和三个或更多个相位的其它功率转换器拓扑，比如例如NPC功率转换器、基于半H或全H桥设计的模块化多电平转换器及其它多电平转换器拓扑。虽然整流器桥36在这里进一步图示为B6晶闸管桥，但也有可能例如将图1中的下部（或上部）晶闸管Thy2、Thy4、Thy6例如替换为二极管或其它整流器元件。本发明也适用于此种整流器桥。此外，代替双馈感应电机2,其它消耗装置(consumer)也能够连接到如在串联电压补偿器或混合功率滤波器中的AC侧9，并且本发明在其中电网电压扰动能够产生馈送到功率转换器并且能够引起功率转换器组件的损坏的浪涌电流的所有这些系统中同样适用。此外，理解的是，如图2和3中所示，结合一系列的方法步骤描述根据本发明的方法，但也能够选择步骤的另一顺序，并且可能也有可能省略个别的步骤。
图7中图示本发明的另一可能修改。如从此图中能够看到的，功率转换器装置7能够由并联连接的多个功率转换器7a、7b、7c、…7N组成。在具有并联的功率转换器的此类系统中，功率转换器的切换能够交错，使得有可能产生超过个别功率转换器的电平的数量的对应的多电平输出电压。并联功率转换器7a-7N与具有整流器桥和连接到整流器桥的DC电压输出的制动电阻器Rb ext的公共保护装置34连接，整流器桥具有整流器元件，至少一些整流器元件由晶闸管形成。整流器桥能够是例如图1中示出的晶闸管桥36。本发明的方法能够有利地在具有并联功率转换器的此种系统上使用，使用任何有功电压矢量，有可能关断整流器桥的晶闸管，有功电压矢量能够处于并联转换器7a-7N产生。
本文公开一种用来保护具有功率转换器的功率转换器布置的方法，功率转换器具有连接到DC中间电路的DC侧、AC侧和能够在高频率可控切换以将DC中间电路的DC电压转化成AC电压的可控开关。提供了一种能够被激活和停用的保护装置，以通过将具有制动电阻器Rb ext的外部晶闸管整流器桥连接到功率转换器的AC侧来保护功率转换器免于过载。如果检测到51预确定的错误情况，则触发外部晶闸管接通以激活保护装置52。如果检测到预确定的错误情况已消失53，则通过结束晶闸管的触发，并且主动控制功率转换器开关产生适合的极性和幅度的电压脉冲序列，以充当应用到保护装置以便强制电流从保护装置换向到功率转换器的晶闸管关断序列关断54外部晶闸管以停用保护装置。也公开了一种具有用来保护以免于过载的装置的功率转换器布置。

Claims (10)

1. 一种用来保护具有功率转换器装置(7)的功率转换器布置(3)的方法，所述功率转换器装置(7)具有与直流(DC)中间电路(11)连接的DC侧(8)、交流(AC)侧(9)和能够在高频率可控切换以将所述DC中间电路(11)的DC电压转换成多相AC电压的可控切换元件(S1-S9)，所述方法包括：
提供能够被激活和停用的保护装置(34)以通过将具有整流器元件的整流器电路(36)连接到所述功率转换器装置(7)的所述AC侧(9)，并且将旁路分支(45)连接到所述整流器电路(36)的DC侧(8)来保护所述功率转换器装置(7)免于过载，所述整流器元件的至少一些是晶闸管(Thy1-Thy6),所述旁路分支具有在必需时用于将从所述功率转换器装置(7)的所述AC侧(9)耗散的能量变换成热能的制动电阻器(Rb ext)；以及
如果检测到(51)预确定的错误情况，则触发(52)所述整流器电路的所述晶闸管以使它们接通来激活所述保护装置；并且
如果检测到所述预确定的错误情况消失(53)，则通过结束(63)所述晶闸管的所述触发，并且主动控制(66)所述功率转换器切换元件产生适合的极性和幅度的电压脉冲序列以充当应用到所述保护装置以便强制电流从所述保护装置换向到所述功率转换器的晶闸管关断序列来关断(54)所述整流器电路的所述晶闸管以停用所述保护装置。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于如果检测到(53)所述预确定的错误情况，则控制闭合的切换元件打开，并且保持所有切换元件打开，直至检测到所述预确定的错误情况已消失。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于为产生所述晶闸管关断序列，监测所述保护装置中的所述电流的所述极性和幅度，以确定电压脉冲的适合的序列和极性。
4.如前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于还提供了内部制动斩波器装置（32，33），其监测和保护中间电路电压，所述制动斩波器装置具有将所述中间电路中过多的能量变换成热能的至少一个内部制动电阻器（Rb1，Rb2）和通过脉宽调制可控制以允许或阻止电流流过所述至少一个内部制动电阻器的至少一个开关（S10，S11），如果所述至少一个开关（S10，S11）的占空比达到至少几乎100%，则所述保护装置被激活。
5.如前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于电感器还布置在所述功率转换器装置与所述保护装置之间以限制所述换向电流的变化速率。
6.如前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于为在所述保护装置的所述晶闸管关断时限制所述电流换向速度(di/dt)，所述功率转换器装置的所述切换元件根据下面等式，应用具有降低的幅度，优选是具有最小可能幅度Vconv的电压脉冲到所述保护装置：
，
其中，Vdc是所述DC中间电路的正电压，并且m对应于所述多电平功率转换器的电平的数量。
7. 如权利要求6所述的方法，其特征在于在主动触发(66)所述功率转换器装置的所述切换元件以关断所述晶闸管前，通过应用具有降低的幅度的电压脉冲，优选是通过应用具有最小可能幅度Vconv的电压脉冲，将通过包括所述外部制动电阻器Rb ext的所述旁路分支的所述电流限制到值I钳位，使得：
。
8.如前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于所述晶闸管关断序列的应用(66)包括下面步骤：在所述整流器桥连接到的第一相位线与第二相位线之间应用具有某个电压幅度和极性的第一电压脉冲；在这些相位线之间可选地应用具有相反极性的另一电压脉冲，以及(iii)随后在相互并联连接的所述第一和第二相位线与所述整流器桥连接到的第三相位线之间应用具有某个电压幅度和极性的又一个电压脉冲，可选地后面是在这些相位线之间的相反极性的电压脉冲。
9.如前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于将所述晶闸管关断序列的每个应用的电压脉冲的持续时间预选择成等于至少电流换向时间和使用的所述晶闸管的恢复时间之和。
10.如前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于一旦所述错误情况过去，并且所述电流已从所述保护装置换向到所述功率转换器装置，便恢复正常操作模式，其中在高频率优选通过脉宽调制来控制所述功率转换器装置的所述可控切换元件，以转化所述DC中间电路的所述DC电压。
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GR01 Patent grant
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