CN110050399A - 具有隔离保险丝的电力电子 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及具有至少一个电力电子模块的电驱动装置，所述至少一个电力电子模块包括至少一个电压电路，所述至少一个电压电路具有诸如转换器、变压器、频率反相器、电力电容器、断路器等等的电力电子部件，和用于在过电流和/或电压的情况下切断所述电压电路的至少一个保险丝。本发明还涉及一种具有此驱动装置的风力涡轮机和类似大型工业电系统。根据本发明，所述装置包括具有推进剂装料部的用于所述电压电路的所述不可逆切断的至少一个烟火保险丝，其中所述烟火保险丝布置于所述电力电子模块的所述电压电路中，或紧邻诸如转换器、频率反相器、变压器、电力电容器或断路器的至少一个电力电子部件布置。
Description
技术领域
本发明涉及具有至少一个电力电子模块的电驱动装置，所述至少一个电力电子模块包括至少一个电压电路，所述至少一个电压电路具有例如转换器、变压器、频率反相器、电力电容器、断路器等等的电力电子部件，和用于在过电流和/或电压的情况下切断所述电压电路的至少一个保险丝。本发明还涉及一种具有此驱动装置的风力涡轮机和类似大型工业电系统。
背景技术
具有发电机和/或电动机的工业驱动装置产生或处理相当大的功率，所述功率通常可在兆瓦的范围中，且可达到单数位或两位数或可能甚至三位数的兆瓦数字。举例来说，此工业高功率驱动装置安装于可提供在兆瓦级范围的功率的风力涡轮机中，当今的风力涡轮机通常建立在2-8兆瓦的范围中。
在此类驱动装置的电力电子中的对应的高功率密度必须与此类高功率相伴随一起处置，其中这通常必须发生在非常紧密的空间中或大小有限的开关柜中。举例来说，风力涡轮机存在将用于5兆瓦涡轮机的反相器系统安装于具有0.8m×2m×0.6m宽度×高度×深度的尺寸的标准开关柜中以能够满足在发动机舱中的非常有限安装面积的要求。类似的功率密度不仅必须安装于风力涡轮机中，而且必须安装于其它工业驱动系统中，诸如，大型工业驱动机、航海驱动机，以及材料传送单元，诸如，采矿挖掘机、采矿卡车、露天采矿机和其它采矿单元或还有集装箱龙门起重机和大型施工机械(诸如，起重机)。
如果在此类高功率密度的电力电子中出现故障，那么归因于爆炸性的能量释放，可发生相当大的机械毁坏。在电力电子模块中的一个有故障的情况下，例如，在诸如IGBT(绝缘栅极双极晶体管)的晶体管、断路器或转换器有故障后，归因于可包括与几乎无穷大能量流的电源连接但也可来自发电机的馈电连接，发生中间电路电容器中的局部存储的能量的快速释放和/或出现高电流。这些高能量导致爆炸性的能量释放，直到电弧，所述电弧具有大量机械毁坏的后果并具有对应的危险可能性。
一方面，通常不仅有故障的部件自身在这过程中受到毁坏，而且电力电子的邻近部件也会受到毁坏，使得损坏对应地较大。另一方面，存在在有电弧的情况下开关柜门被撕开且热等离子逸散的风险，而在场的任何操作员会受伤。为了防止这样，开关柜因此有时由非常密实构造加固以确保抗故障电弧性。通常，还存在长的涡轮机停机时间，和因此相关联的产量和生产损失。
此类能量释放不仅可归因于电力电子部件自身的故障和老化而引起，而且也可由疏忽(诸如，未紧密地拧紧的电连接或遗忘的工具、灰尘、水分或诸如动物的所有种类的外来物)造成。
为了避免此类损坏和危险，通常，将保险丝安装于电压电路中以当出现过电流或电压波动时切断电流。此类保险丝可包括诸如断路器的机械断开连接构件，然而，所述机械断开连接构件需要30到70毫秒或甚至更长时间通过断开来切断电路，这不能防止对具有非常快速增加的过电流的邻近部件的损坏。此外，市场上可获得的通常断路器具有非常有限的可脱离短路电流开关能力，例如，在处于从85到100千安培的范围中的电流电平下，使得断路器的故障可在非常高的功率密度下发生。
所述保险丝还可包括可安装于电力电子模块之间的安全保险丝以避免在电力模块处和在其邻近部件处的爆炸性机械损坏。然而，在IGBT模块与中间电路电容器之间或在DC总线与中间电路电容器之间构建此类安全保险丝已证明为非常困难的，这是由于在中间电路的接通并且在操作中无安全保险丝触发后，电流峰值应该是可能的。直接连接到IGBT的安全保险丝另外从构造方面增大了电路的泄漏电感，并且在此减小了IGBT半导体模块的利用。
在故障的情况下，保险丝通常根据保险丝具体特性触发最靠近故障位点的这里，而时间是在若干毫秒的范围中。通常，邻近保险丝在这里同样由过电流和电压峰值部分地熔化，使得作为预防措施，其在修理时必须被完全替换。此外，归因于也出现在正常操作中的过载电流峰值，而无故障存在于受保险丝保护的部件中，加速的老化和可能甚至在正常操作中的触发与安全保险丝伴随而发生。
另一方面，也已经提议借助于光学传感器系统辨识出现的电弧，并且于是，借助于烟火短路装置起始在母线处的感想短路。此系统可避免在很短的时间内在母线系统内的电弧产生。然而，劣势为，非常高的短路电流流过母线，直到电力断路器将母线短路与电力断开连接。此外，电力断路器通常必须切断数千安培，借此电力断路器经受非常高的磨损，且可能同样地必须被替换或至少加以检查或重新调节。此外，在母线系统上的此三相短路引起电网中的电压降，且因此产生邻近能量供应电路的另外保护装置的触发。
因此本发明的基础目标为提供一种一开始指定种类的改善的电驱动装置，所述改善的电驱动装置可避免现有技术的劣势且进一步以有利方式发展了现有技术。电力电子的有故障的部件应特别以简单且价廉的方式被从主电流电路去除，并且应避免对邻近或其它部件的损坏，以可能通过驱动装置的冗余配置来维持在减小的功率下的部分操作，并避免昂贵且复杂的修理工作。然而应不必针对在开关柜外壳处的电弧危险采取特殊措施来达成高安全性。
由根据权利要求1所述的电驱动装置，根据本发明达成所述目标。本发明的优选实施例是附属权利要求的标的。
发明内容
因此提议直接在电力电子模块的电压电路中或紧邻电力电子部件中的至少一个提供一个或多个烟火保险丝。由靠近转换器的烟火保险丝的布置，能量流可极其快速地切断，例如，在少于一毫秒中，且因此可避免邻近部件的机械毁坏，其切断开连接局部发生于故障位置处，且可避免在电驱动装置的系统和连接到其的任何电网中的高短路电路和电压降。根据本发明，所述装置包括具有推进剂装料部的用于电压电路的不可逆切断的至少一个烟火保险丝，其中所述烟火保险丝布置于电力电子模块的电压电路中，或紧邻诸如转换器、频率反相器、变压器、电力电容器或断路器的至少一个电力电子部件布置。归因于在故障位置处的极其快速的局部断开连接，可保护邻近电力电子部件不被损坏或老化，使得可避免驱动系统的所有保险丝的完全替换。
此类烟火保险丝的空间要求是在这里不大于或甚至小于常规安全保险丝的空间要求。在这方面，烟火保险丝的功率损失显著比安全保险丝的功率损失小(例如，小2到4的因数)，使得存在较小的冷却要求并且可使用关闭的开关柜。此外，可避免电路的泄漏电感的增加(诸如在安全保险丝的使用后发生)，借此例如可更好地利用IGBT半导体部件。
可例如包括雷管且驱动用于将电流路径断开连接的断开连接元件(例如，呈断开连接活塞的形式)的烟火保险丝的推进剂装料部可在这里通常被点燃或以不同方式启动。烟火保险丝的推进剂装料部可特别通过断开连接信号点燃，所述断开连接信号可指示在电力电子模块处的故障且伴随有在所述电力电子模块处的过大的电压和/或电流波动。如果过大的电压和/或电流波动发生于电力电子模块处和/或连接到它的连接器(诸如，电力连接)处，那么烟火保险丝触发。
在这方面，在于电力电子模块处和/或在连接到它自身的连接器处出现过电流后，和/或在电力电子模块的电压电路的区段之间有与它相伴随的电压降后，可产生信号和/或在此诱发的电压信号可用以触发推进剂装料部，例如，其中推进剂装料部连接到电力电子部件，或连接至与其连接的连接或连接至与其连接的连接器。在本发明的再一发展中，至少一个烟火保险丝的推进剂装料部可在无外部馈电的情况下触发，特别是由指示内部故障的在电力电子模块处的电流和/或电压。
然而，替代地，同样可能任选地提供外部馈电，取决于在电力电子模块处的故障的出现，例如，取决于过大的电压和/或电流波动的出现，所述外部馈电触发推进剂装料部且互连到推进剂装料部或传导到推进剂装料部。
至少一个伏特计可特别与电力电子模块相关联，所述至少一个伏特计可例如连接到电力电子模块的电压电路的两个区段，并且提供电压信号，取决于所述电压信号，触发烟火保险丝的推进剂装料部。伏特计可在这里被配置成使得此电压信号仅在有过大的电压波动和/或电流波动后(特别是在有过大的电压降后)发射。替代地或另外，可评估和/或处理由伏特计提供的电压信号，明确地说，使得当其指示在电力电子模块处的过大的电压波动时，电压信号触发推进剂装料部。
替代此伏特计或作为对此伏特计的补充，也可使安培计与电力电子模块和/或与连接到它的连接器相关联，所述安培计可例如连接到电力电子模块或连接至与其连接的连接器，和/或可测量流进或流出电力电子模块的电流。所述安培计可提供电流信号，取决于所述电流信号，推进剂装料部被点燃和/或可仅被配置成当预定义的过电流出现于电力电子模块处或连接到它的连接器处时提供电流信号。
在本发明的再一发展中，烟火保险丝的推进剂装料部可例如由来自电感线圈和/或来自电力电子模块的电容器的电压或电流触发。可例如布置于电力电子模块的中间电路中的电力电容器可例如被设计为与作为中间层的电感线圈隔离，以便在中间电路中有预定义的电流和/或电流增加后，由来自所述电感线圈的电压触发所述烟火保险丝。如果过电流变化发生于电容器处，那么电压堆积于形成为中间层的电感线圈中，所述电压可触发烟火保险丝。
替代地或另外，可例如提供在电力电子的中间电路中的此电力电容器也可被提供个别电压测量结果，例如，按在个别电容器箱处的分压器的形式，以在电容器箱有短路后立即触发烟火保险丝。
独立于通过外部馈电或在无外部馈电的情况下对推进剂装料部的具体触发，烟火保险丝或多个烟火保险丝可提供在驱动装置的不同区段处，和/或可与电力电子的不同电力电子部件相关联。
举例来说，烟火保险丝可提供在中间电容器电路与DC电压总线之间，或可连接到在所述中间电容器电路与DC电压总线之间的连接。
替代地或另外，烟火保险丝也可提供在所述中间电容器电路与晶体管(特别是IGBT)的DC电压连接器之间，和/或可连接到在所述中间电容器电路与晶体管的DC电压连接器之间的连接。
替代地或另外，烟火保险丝可布置于AC电压电路中和/或在电力电子模块处的DC电压电路中。
替代地或另外，烟火保险丝也可提供在AC电压输入电路处和/或AC电压输出电路处。
替代地或另外，烟火保险丝也可提供在发电机与反相器模块之间。
替代地或另外，烟火保险丝也可提供在反相器模块与电力连接器之间。
附图说明
以下将关于优选实施例和相关联的图式进一步解释本发明。图式中展示：
图1：风力涡轮机的电驱动装置的示意性表示，其中可由转子叶片驱动的发电机可通过具有频率反相器的电力电子模块连接到电网，其中烟火保险丝提供在电力电子模块的界面处；
图2：电力电子模块的示意性表示，所述电力电子模块具有作为电力电子部件的尤其具有电感回路的中间电路电容器，并且具有呈IGBT半导体模块的形式的晶体管，其中烟火保险丝提供在电力电子部件的界面处并且取决于在中间电路电容器处和在其连接器处的电压波动而被点燃；
图3：具有滤波器模块的开关柜的示意性表示，其中烟火保险丝提供在滤波器模块处/中和电力馈电连接器处，且由自馈式过电流保护性继电器点燃；且
图4：具有推进剂装料部14的烟火保险丝的示意性表示，所述烟火保险丝用于保险丝的电流路径的不可逆切断。
具体实施方式
如图1展示，电驱动装置1可为风力涡轮机2的部分，且可例如集成于风力涡轮机2的仅指示的发动机舱3中，或可收纳于那里。此发动机舱3通常围绕塔上的竖直旋转轴可旋转地安放，且支撑转子4，所述转子4可包括水平转子轴并驱动发电机5，发电机5可例如为永磁发电机。
如图1展示，驱动装置1的所述发电机5可由电力电子模块6连接到电网7以将由发电机5产生的电流馈送到所述电网7内。
所述电力电子模块6可包括不同电力电子部件，例如，呈整流器9和反相器10的形式的转换器8，整流器9与反相器10可各通过具有一个或多个电容器12的中间电路11相互连接。
如图1展示，可紧邻电力电子模块6的电力电子部件提供烟火保险丝13a、13b、13c和13d，其中所述烟火保险丝特别能够直接布置于转换器8处，即，明确地说，无其它元件被插入且因此靠近转换器。
在本发明的有利进一步发展中，烟火保险丝13a和13b可连接于发电机5与连接到它的转换器8(明确地说，在电压电路中的展示的整流器9)之间。替代地或另外，烟火保险丝13c和13d可布置于电力电子模块6与到电网7的电力连接器之间，或电力电子模块6的到电网8的连接器处。如图1展示，所述烟火保险丝13c和13d可布置于转换器8(明确地说，呈所展示的反相器10的形式)与到电网7的电力连接器之间。
如图4展示，所述烟火保险丝13可包括推进剂装料部14，所述推进剂装料部14可使可移动断开连接元件15将穿过保险丝的电流路径断开连接，且因此不可逆地将它切断。所述推进剂装料部14可例如被以电方式点燃，其中将足够的电压和/或足够的电流施加到推进剂装料部14，或所述推进剂装料部14可在最大可设定准许的过电流下自动点燃。
如图2展示，图1的电力电子模块6或者不同驱动装置1的不同电力电子模块6也可包括另外的电力电子部件，和/或可具有另外烟火保险丝13。如图2展示，烟火保险丝13a到13i可例如直接布置于中间电路电容器的输入端或输出端处，其中在中间电路11的一侧上，烟火保险丝13e和13f能够布置于中间电路部件或电容器连接器处，而在中间电路11的另一侧上，提供烟火保险丝13d、13h和13i，特别能够布置于中间电路电容器与连接到它的晶体管(例如，呈IGBT半导体元件的形式，参见图2)之间。
另外的烟火保险丝13j、13k和13l可此外与所述晶体管或所述IGBT半导体模块相关联，且实际上在所述IGBT 16的远离中间电路11的另一侧上。
所述烟火保险丝13e到13l可有利地适于取决于达到具体值且出现于电力电子模块中或处(明确地说，在电力电子部件中或处)的预定义的电流变化和/或预定的电压变化来触发或点燃，以在此将电力流断开连接。
举例来说，如图2展示，施加到中间电容器电路11的连接器的电压可借助于伏特计17来测量，且可按电压信号的形式对评估装置18报告，所述评估装置18可然后在出现预定义的电压波动后，特别是预定义的电压降后，触发烟火保险丝。
所述评估装置18也可连接到中间电路11的电容器12。所述电容器12可例如被设计为与作为中间层的电感线圈隔离，以通过来自处于中间电路11中的固定功率增大di/dt下的电感线圈的电压触发烟火保险丝。这里，进行个别电压测量也是可能的，例如，借助于在个别电容器箱处的分压器以将对应的信号提供到评估装置18和在电容器短路后触发烟火保险丝。
如图3展示，烟火保险丝13m到13r也可提供在滤波器模块19中或处，或可连接于连接到它的电压电路中，所述滤波器模块19能够容纳于仅指示的开关柜20中。所述开关柜20可例如同样地容纳于风力涡轮机2的发动机舱3中，但取决于驱动装置1的设计，也可提供在不同地点处。
如图3展示，所述一个或多个滤波器模块19可通过自馈式过电流保护性继电器21连接在电力连接器处，处于用于馈电到电网7的断路器和/或电力负荷断开器前。在本发明的再一发展中，一个或多个烟火保险丝13p、13q和13r可在这里直接提供在一个或多个滤波器模块19处。替代地或另外，一个或多个烟火保险丝13m、13n和13o可提供在电力连接器处或保护性继电器21的远离滤波器模块19的侧上。
举例来说，直接附接到滤波器模块19的烟火保险丝13p、13q和13r可例如由在滤波器模块19与保护性继电器21之间的电路中出现且超过预定义的值的电流点燃。
替代地或另外，在电力连接器侧处的烟火保险丝13m、13n和13o可由过电流保护性继电器21控制，且可从它接收当在过电流保护性继电器21处出现对应的过电流时出现的断开连接信号。
Claims (21)
1.一种具有至少一个电力电子模块(6)的电驱动装置，所述至少一个电力电子模块(6)包括至少一个电压电路(22)，所述至少一个电压电路(22)具有诸如转换器(8)、变压器、频率反相器、电力电容器(12)、开关电源等等的电力电子部件，所述电驱动装置还具有用于在过电流和/或预定义的电压的情况下切断所述电压电路的至少一个保险丝，其特征在于，所述保险丝包括具有推进剂装料部(14)的用于不可逆地切断所述电压电路(22)的至少一个烟火保险丝(13)，其中所述烟火保险丝(13)布置于所述电力电子模块(6)的所述电压电路中或紧邻所述电力电子模块(6)的所述电力电子部件布置。
2.根据前一项权利要求所述的电驱动装置，其中所述烟火保险丝(13)适于接收指示所述电力电子模块(6)处的故障且与所述电力电子模块(6)处的过大的电压和/或电流变化相伴随的断开连接信号，且适于取决于所接收的断开连接信号而触发以切断所述电压电路。
3.根据前述权利要求中任一项所述的电驱动装置，其中所述推进剂装料部(14)被配置为在无外部馈电的情况下可触发，且适于由所述电力电子模块中和/或所述电力电子模块处的电流增大和/或电压变化触发。
4.根据前一项权利要求所述的电驱动装置，其中所述推进剂装料部适于通过来自作为所述电力电子模块(6)的中间电路电容器中的隔离器层而提供的线圈的电流和/或电压点燃，和/或通过指示在所述中间电路电容器处的电压和/或电流的电压测量信号和/或电流测量信号点燃。
5.根据前述权利要求中任一项所述的电驱动装置，其中所述烟火保险丝(13)适于由下列事件中的至少一个触发：
-中间电路电压的预定义的下降和/或中间电路电流的预定义的增大；
-在转换器(8)处的预定义的过电流；
-来自中间电路线圈的预定义的电压；
-在中间电路电容器(12)处的预定义的电流；以及
-由电弧监测装置给出的预定义的光信号。
6.根据前述权利要求中任一项所述的电驱动装置，其中所述烟火保险丝(13)适于由在所述电力电子模块(6)的电力连接器和/或发电机/电动机连接器处的过大的电流和/或电压变化来触发。
7.根据前述权利要求中任一项所述的电驱动装置，其中所述烟火保险丝(13)适于通过下列事件中的至少一个点燃：
-在电力断路器处的预定义的过电流；
-在电力断路器处的过电流保护继电器(21)处的过电流。
8.根据前述权利要求中任一项所述的电驱动装置，其中所述烟火保险丝(13)适于由用于检测电弧的电弧检测装置的信号触发。
9.根据前述权利要求中任一项所述的电驱动装置，其中所述至少一个烟火保险丝(13)适于在前述事件中的至少三个或更多个出现后被触发。
10.根据前述权利要求中任一项所述的电驱动装置，其中所述至少一个烟火保险丝(13)布置于所述电力电子模块(6)处的交流电路或直流电路中。
11.根据前述权利要求中任一项所述的电驱动装置，其中至少一个烟火保险丝(13)布置于中间电容器电路与直流总线系统之间。
12.根据前述权利要求中任一项所述的电驱动装置，其中至少一个烟火保险丝(13)布置于中间电容器电路与IGBT模块(16)的直流连接器之间。
13.根据前述权利要求中任一项所述的电驱动装置，其中至少一个烟火保险丝(13)提供在交流输入电路处和/或交流输出电路处。
14.根据前述权利要求中任一项所述的电驱动装置，其中至少一个烟火保险丝(13)提供在发电机(5)与转换器(8)之间。
15.根据前述权利要求中任一项所述的电驱动装置，其中至少一个烟火保险丝提供在所述电力电子模块(6)的转换器(8)与其用于连接到电网(7)的电力连接器之间。
16.根据前述权利要求中任一项所述的电驱动装置，其中所述电力电子模块(6)被配置成处理兆瓦级范围的功率。
17.一种风力涡轮机，其具有用于驱动发电机(5)的转子(4)和根据前述权利要求中任一项配置的电驱动装置(1)。
18.根据前一项权利要求所述的风力涡轮机，其中至少一个烟火保险丝(13)提供在所述发电机(5)与所述驱动装置(1)的所述电力电子模块(6)之间，和/或至少一个烟火保险丝(13)提供在所述电力电子模块(6)与电力连接器之间。
19.一种材料传送机器，特别是露天采矿机或电动挖掘机，其包括根据权利要求1到16中任一项配置的电驱动装置(1)。
20.一种施工机器，特别是起重机或履带型车辆或挖掘机，其包括根据权利要求1到16中任一项配置的电驱动装置(1)。
21.一种海事设备，特别是石油钻探平台或轮船或集装箱起重机或集装箱起重机装载系统，其包括根据权利要求1到16中任一项配置的电驱动装置。
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