CN112514192A - 交流/直流电转换装置 - Google Patents

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Abstract

对于交流/直流电转换装置，提出构造为混合断路器(2)或半导体断路器的交流断路器(1)的输入端形成所述装置的交流输入端(8)，其中，所述交流断路器(1)的输出端连接到整流器(21)的输入端(9)，其中，滤波电容器(4)和与其串联连接的第一半导体开关(5)将所述整流器(21)的第一输出端(10)与所述整流器(21)的第二输出端(11)连接，其中，所述整流器(21)的第一输出端(10)与第一隔离继电器(7)的输入端连接，其中所述第一隔离继电器(7)的输出端形成所述装置的第一直流输出端(12)，并设置成用于连接第一直流用电器(13)，其中所述交流断路器(1)、所述第一半导体开关(5)和所述第一隔离继电器(7)在控制技术方面至少间接地互相连接。

Description

交流/直流电转换装置
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1所述的交流/直流电转换装置。
背景技术
图1示出了根据现有技术的交流/直流电转换装置。它由以下单独的组件组成：
·整流器3，其包括实际整流器21和连接到所述整流器21的输出端的电容器4，特别是所谓的电容器组，
·输入线圈20，在英语中称为“升压电感boost inductance”，
·典型响应时间为5至9ms的机电式交流断路器30，其用于在直流线路较长时在交流电侧进行短路保护，
·典型响应时间为20至30ms的交流接触器31，其用于确保电流隔离并切换额定电流或工作电流，
·在整流器3和电容器组之间发生故障的情况下用于保护整流器3或二极管的“快速”保险丝32，因为在这种情况下交流断路器30和交流接触器31都较慢以致无法确保保护，
·典型响应时间为5至9ms的机电式直流断路器34，其用于直流电侧的短路保护，
·典型响应时间为20至30ms的直流隔离开关35，其用于确保电流隔离。
此外，所述装置具有EMC滤波器33和直流分配器36，可以将不同的负荷连接到所述直流分配器，其中所述直流分配器36的各个相应输出端均连接有另外的直流断路器29。各个组件的连接如图1所示。此外，根据现有技术装置具有隔离开关，每个隔离开关跟随在每个直流断路器29之后，在图1中未示出。
从所述设备可以看出，这种系统或设备的保护非常昂贵，并且需要大量不同的、单独的设备。特别地，需要专用的直流保护开关装置和直流功率开关。由于缺少电压的零交叉，所以关断高直电比关断交流电显著地更加困难，因此，相应的大功率的直流电开关装置在技术上比相应的交流电开关装置明显更加昂贵。这些直流电开关装置不仅结构更复杂，而且体积更大，并且由于增加的复杂度，与相应的交流电开关装置相比成本更高。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种上述类型的交流/直流电转换装置，利用所述交流/直流电转换装置可以避免所提及的缺点，并且可以确保以简单并且所需组件的数量和类型较少的方式对交流/直流电转换装置的保护。
根据本发明，这通过权利要求1的特征来实现。
这样可以实现安全的交流/直流电转换装置，其与已知的交流/直流电转换装置相比具有明显更少的组件。另外，不再需要使用能够熄灭直流电弧的特殊的直流电开关装置，因为这种关断是在交流电侧进行的，并且由第一半导体开关支撑在至少一个滤波电容器上。
在本发明的装置中，可以将第一隔离继电器构造为不具有直流灭弧装置的常规的交流隔离继电器，尽管第一隔离继电器布置在直流电侧。
此外，在交流电侧不需要保险丝。在交流电侧，机电式交流断路器、交流功率开关和保险丝由单个混合或半导体保护开关装置替代。
在直流电侧，完全不需要专门的直流电开关装置，也不需要自动开关。可以仅使用功率半导体开关代替复杂的直流电开关装置，所述功率半导体开关与至少一个滤波电容器或电容器组串联连接。
综上所述，由此可以看出，所讨论的措施需要显著减少开关装置的数量，以确保对交流/直流电转换装置的保护，特别是不需要技术上昂贵并且复杂的直流断路器和直流功率开关。此外，可以省去难以操作的保险丝。由于在发生故障时必须更换并相应地储藏保险丝，因此仅不需要保险丝的情况就可以显著提高系统的可用性。
根据专利权利要求9，本发明还涉及一种用于关断所述交流/直流电转换装置的至少一部分的方法。
由此实现关于权利要求1主张的优点。
从属权利要求涉及本发明的其他有利的实施方式。
在此明确引用专利权利要求的措词，由此通过引用在此处将权利要求插入说明书中，并且认为该引用是逐字复制的。
附图说明
参考附图更详细地描述本发明，在所述附图中以示例的方式仅示出了优选实施例。其中示出：
图1为根据现有技术的交流/直流电转换装置的示意图；
图2为本发明的交流/直流电转换装置的第一实施例的示意图；
图3为本发明的交流/直流电转换装置的第二实施例的示意图；以及
图4为本发明的交流/直流电转换装置的第三实施例的示意图。
具体实施方式
图2、图3和图4分别示出了交流/直流电转换装置，其至少包括以下组件：
–交流断路器1，其构造为混合断路器2或半导体断路器，以及
–整流器21，以及
–至少一个滤波电容器4和一个与其串联连接的第一半导体开关5，以及
–用于电流隔离的至少一个第一隔离继电器7。
本发明的交流/直流电转换装置特别地在交流电侧没有其他保护开关装置。
本发明的交流/直流电转换装置在直流电侧特别地没有保护开关装置或所谓的自动开关。
图中示出的设备通过导体接地。但是，所述设备也可以构造成不接地或中心电位接地。
交流断路器1是所谓的混合断路器2或半导体断路器。半导体断路器仅仅通过至少一个功率半导体中断电流，电流不断流过所述功率半导体。混合断路器2具有旁路开关和功率半导体电路的并联连接，并且此外优选地具有用于电流隔离的隔离触头。申请人例如从WO 2015/028634 A1中已知这种保护开关装置。
交流断路器1形成本发明的设备的一个或多个交流电输入端8。在示意图中示出了以三相电流源示出的交流源27。交流电源的外部导体的具体数量以及中性导体的存在都不重要，也不受限制。应相应地设计交流断路器1，或者可以并联设置多个交流断路器1。
交流断路器1的一个或多个输出端在电路技术方面至少间接地连接至整流器21的一个输入端9或多个输入端。在这种情况下，优选地将EMC滤波器33连接在所述交流断路器1与所述整流器21之间。
所述设备具有整流器21。如从逆变器技术中已知的，整流器开关装置21优选地构造为包括可预设数量的可开关半桥。也可以不同地构造所述整流器21。
所述设备具有至少一个滤波电容器4，所述滤波电容器当然可以由彼此连接的任意数量的离散电容器4形成。
优选地规定，整流器21和滤波电容器4共同是“有源整流器3”的一部分。这种“有源整流器3”在英语中被称为“有源前端active frontend”。
此外可以规定，所示的输入线圈20与所述整流器21一起构造，所述输入线圈在英语中被称为“升压电感boost inductance”。这种装置在英语中被称为“升压转换器boostconverter”。
第一半导体开关5与滤波电容器4串联连接。所述第一半导体开关5优选地构造为IGBT或MOSFET。如果将所述半导体开关5构造为IGBT，则如图2、图3和图4所示，还提供所谓的反平行二极管。这种布置形成双向开关。此时也可以布置多个并联连接的第一半导体开关5。
与负荷串联的直流电侧的固态断路器的替代性装置相比，所述第一半导体开关5在这一点上的布置具有明显更低的电阻并且因此也具有明显更低的损耗。
滤波电容器4和串联连接的第一半导体开关5的组合将整流器21的第一输出端10连接到整流器21的第二输出端11，如图2、图3和图4所示。
根据一个特别优选的实施方式规定，至少一个滤波电容器4和第一半导体开关5与整流器21一起构成为一件式的单元。
第一隔离继电器7设置成用于确保电流隔离。整流器21的第一输出端10在电路技术方面至少间接地连接至第一隔离继电器7的输入端。整流器21具有两个不同极性的输出端。优选地规定，第一隔离继电器7具有两个输入端和两个输出端，并且相应地还具有两个开关路径，每个开关路径均具有中断触点，并且整流器21的两个输出端10、11都连接至第一隔离继电器7，如图2、图3和图4所示。
对于本发明的装置，第一隔离继电器7可以被构造为不具有直流灭弧装置的常规交流隔离继电器，尽管第一隔离继电器7被布置在直流电侧。
应当注意，根据第一和第二优选实施例，在整流器21的输出端10、11以及第一隔离继电器7之间的连接线路中，没有布置另外的半导体开关。因此，相应的连接是没有开关的。
根据第三优选实施例，如图4所示，规定所述装置还具有第二半导体开关40，第二半导体开关连接在整流器21的第一输出端10和滤波电容器4之间。
第一隔离继电器7的输出端12或输出端12、18形成所述装置的第一直流输出端，并且设置成用于连接至少一个第一直流用电器13。由此不需要其他直流断路器。极性不同的两个输出端仅在图2中分别用单独的附图标记表示。在图2中还示出直流电侧的电气故障26。
根据优选的发展，所述设备或所述装置具有至少一个第一电流传感器6，第一电流传感器6优选地布置在整流器3的第一输出端10与第一隔离继电器7之间。这仅在图3中示出。第一电流传感器6也可以称为电流测量装置。第一电流传感器6特别地用于检测过电流，或在打开第一隔离继电器7之前确保其实际上断电。
为了短路检测，所述装置特别地具有用于检测第一半导体开关5的去饱和(英语：去饱和检测desaturation detection)的单元。相应的检测器单元可以例如构造为第一半导体开关5的驱动器电路的一部分，并且优选地构造为控制和监控单元15的一部分。通过监控特定功率半导体的饱和状态来检测短路的基本功能在已经申请人提到的WO 2015/028634 A1中进行了描述，且不需要更详细地说明。这种单元的特别优点是特别短的检测时间，这使得可以在短路电流仍然很低的情况下就关断短路。
交流断路器1、第一半导体开关5、任选的第一电流传感器6、用于检测去饱和的单元和第一隔离继电器7在控制技术方面至少间接地彼此连接。可以以不同的方式连接相关的组件以及可能的其他组件，其中特别地规定，交流断路器1和/或第一半导体开关5和/或第一电流传感器6和/或第一隔离继电器7和/或用于检测去饱和的单元通过总线14至少间接地连接。该总线14可以由多个以24V或28V驱动的控制线路形成。然而也可以提供任何其他形式的总线14，例如Modbus或USB。而且也可以设置无线电连接。
本发明的设备使得能够实现安全的交流/直流电转换装置，其与已知的交流/直流电转换装置相比具有明显更少的组件。此外不再必须使用能够熄灭直流电弧的专用直流电开关装置，因为关断在交流电侧发生并且通过第一半导体开关5支撑在至少一个滤波电容器4上。
此外，可以省去交流电侧的保险丝32。在交流电侧，机电式交流断路器30、交流功率开关31和保险丝32被混合或半导体保护开关装置2代替。
在直流电侧完全不需要专门的直流电开关设备，也不需要自动开关。代替昂贵的直流电开关装置，仅使用功率半导体开关5，该功率半导体开关与至少一个滤波电容器4或电容器组串联连接。
综上，因此可以看出，本发明的措施要求开关装置的数量显著减少，以确保交流/直流电转换装置的保护，由此特别地不需要技术上复杂且昂贵的直流断路器和直流功率开关。此外可以省去难以操作的保险丝32。因为在故障情况下必须更换并相应地储藏这些保险丝，因此仅不需要保险丝32的情况就可以显著提高系统可用性。因此，本发明的装置被构造成没有保险丝。
为了控制本发明的装置，规定其包括至少一个已经提及的作为另一组件的控制和监控单元15。控制和监控单元15可以设计成独立单元或者被集成在其他组件的一个中。相应地规定，控制和监控单元15至少在控制技术上间接地与交流断路器1、第一半导体开关5、任选的第一电流传感器6和第一隔离继电器7连接。优选地，控制和监控单元15还连接至整流器21。如果控制和监控单元15已经集成到这些组件之一中，则当然不必连接到这一组件。在这种情况下，组件之一就是主机(Master)，而其他组件是相应的从机(Slave)。相关的控制智能(Intelligenz)可以布置在不同的组件上。
控制和监控单元15特别地被构造为包括μC或μP。用于检测去饱和的单元优选地被集成到控制和监控单元15中。
当在直流电侧上检测到可预设的短路电流时，规定在第一步骤中将第一半导体开关5和交流断路器1关断。为此，相关的组件受到相应的控制。打开第一半导体开关5立即限制直流电。打开交流断路器1将停止交流电的流动。
根据优选的发展，可以规定，在关断第一半导体5和交流断路器1之后或基本上同时地关断整流器21的有源开关元件。
当在直流电侧上检测到可预设的过电流时，优选地规定，首先关断整流器21的有源开关元件，然后或者基本上同时关断第一半导体开关5以及交流断路器1。
可以通过第一电流传感器6来检测过电流。或者也可以通过整流器21的驱动电路来检测过电流。此外，整流器21还可以借助具有相应配置的PWM来限制过电流。
如已经说明的那样，规定装置具有用于检测第一半导体开关5的去饱和的单元，由此可以明显更快地识别并关断过电流，特别是迅速增加的短路电流。迅速增加的电流导致第一半导体开关5的去饱和。这被相应构造的用于检测去饱和的单元所识别，然后触发进一步的关断过程。相应构造的驱动器在逆变器技术的技术领域中已知。
一旦直流电侧的电流为零，就可以打开没有电弧的第一隔离继电器7。在此可以通过第一电流传感器6测量电流，或者在将关断脉冲发送到第一隔离继电器7之前等待可预设的第一时间段。
如图2所示，在仅具有一个负荷路径的装置中，对第一隔离继电器7的开关速度没有特别的要求。
控制和监控单元15优选地被构造为相应地控制组件，并且执行所述方法以关断至少一部分的交流/直流电转换装置。
图3示出了第二优选实施例。其具有另外两个直流分支，即总共三个并联连接的直流分支，每个直流分支均有独立的隔离继电器7、16、22。可以设置任意数量的这种并联直流分支7、16、22。交流电侧以及包括第一隔离继电器7的第一直流分支与图1相同。
第二隔离继电器16通过在电路技术方面与第一隔离继电器7并联的输入端连接至整流器21的第一输出端10。第二隔离继电器16的输出端形成装置的第二直流输出端17，并且设置成用于连接至少一个第二直流用电器18。在整流器21的第一输出端10和第二隔离继电器16之间布置第二电流传感器19。第二隔离继电器16和第二电流传感器19在控制技术方面至少间接地连接至交流断路器1和第一半导体开关5。
第三隔离继电器22通过在电路技术方面与第一隔离继电器7并联的输入端连接至整流器21的第一输出端10。第三隔离继电器22的输出端形成装置的第三直流输出端23，并且设置成用于连接至少一个第三直流用电器24。第三电流传感器25布置在整流器21的第一输出端10与第三隔离继电器22之间。第三隔离继电器22和第三电流传感器25在控制技术方面至少间接地连接至交流断路器1和第一半导体开关5。
特别地，第二和第三隔离继电器16、22在控制技术方面连接到控制和监控单元15。
该设备相对于现有技术提供了更多优点。半导体开关和混合开关装置都比传统的机械开关装置快得多。第一半导体开关5的响应时间仅为几微秒。本发明所使用的交流断路器1通常具有最大500μs的响应时间。这样如果仅在一个并联的直流子网中检测到过电流或短路电流，则可以短暂关断整个设备，将电流降至零，打开相应的隔离继电器7、16、22，然后再次打开设备的其余部分。整个过程可以在小于一毫秒的时间内完成。这足够短，以使得其余“健康”子网的连接用电器可以继续运行而不受损坏。它们甚至没有“注意到”短暂的关断。这样可以快速简单地隔离故障，而设备的其余部分可以继续安全运行，而无需直流断路器。
因此当第二电流传感器19检测到可预设的过电流、特别是短路电流时，则规定在第一步骤中关断第一半导体开关5和交流断路器1，然后一旦在第二隔离继电器处的电流为零，则在第二步骤中将关断脉冲发送到第二隔离继电器16，在打开第二隔离继电器16之后，在第三步骤中再次接通第一半导体开关5和交流断路器1，从而再次为设备的其余部分供电。
图4示出了第三优选实施例。这在很大程度上对应于第一优选实施例，但还设置了第二半导体开关40，该第二半导体开关40连接在整流器21的第一输出端10与滤波电容器4之间，并且第二半导体开关40在控制技术方面与控制和监控单元15连接。控制和监控单元15还被构造成：当检测到可预设的过电流或短路电流时，在第一步骤中关断第二半导体开关40。
本发明的第一半导体开关5和第二半导体开关40的组合比在直流电侧上的SSCB装置有效得多。此外，具有整流器21和第二半导体开关40的本发明的装置实现了双向电流流动。
本发明的装置可以完全由单个组件构造或构建。但是也可以规定，至少两个、特别是全部的组件作为集成单元布置在共同的壳体中。这实现了紧凑的结构并且可以避免布线错误。

Claims (12)

1.一种交流/直流电转换装置，其至少包括以下组件：
–交流断路器(1)，其构造为混合断路器(2)或半导体断路器，以及
–整流器(21)，以及
–至少一个滤波电容器(4)和与所述至少一个滤波电容器(4)串联连接的第一半导体开关(5)，以及
–用于电流隔离的至少一个第一隔离继电器(7)，
其中，所述交流断路器(1)的输入端形成所述装置的交流输入端(8)，其中所述交流断路器(1)的输出端在电路技术方面至少间接地连接至所述整流器(21)的输入端(9)，其中所述滤波电容器(4)和与所述滤波电容器(4)串联连接的所述第一半导体开关(5)将所述整流器(21)的第一输出端(10)连接到所述整流器(21)的第二输出端(11)，其中所述整流器(21)的第一输出端(10)在电路技术方面进一步地至少间接地连接到第一隔离继电器(7)的输入端，其中所述第一隔离继电器(7)的输出端形成所述装置的第一直流输出端(12)并设置成用于连接至少一个第一直流用电器(13)，并且，其中所述交流断路器(1)、所述第一半导体开关(5)和所述第一隔离继电器(7)在控制技术方面至少间接地相互连接。
2.根据权利要求1所述的交流/直流电转换装置，其特征在于，所述整流器(21)和所述滤波电容器(4)共同构成有源整流器(3)的一部分。
3.根据权利要求1或2所述的交流/直流电转换装置，其特征在于，所述装置包括作为另外组件的至少一个控制和监控单元(15)，并且所述控制和监控单元(15)在控制技术方面至少间接地与所述交流断路器(1)、所述第一半导体开关(5)和所述第一隔离继电器(7)连接。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的交流/直流电转换装置，其特征在于，所述装置具有用于检测所述第一半导体开关(5)的去饱和的单元，所述单元特别地被构造成所述控制和监控单元(15)的一部分。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的交流/直流电转换装置，其特征在于，所述装置还具有用于过电流检测的第一电流传感器(6)，所述第一电流传感器(6)布置在所述整流器(21)的第一输出端(10)和第一隔离继电器(7)之间，并连接到所述控制和监控单元(15)。
6.根据权利要求4或5所述的交流/直流电转换装置，其特征在于，所述控制和监控单元(15)构造成：在检测到能够预设的过电流或短路电流时，在第一步骤中，关断所述第一半导体开关(5)和交流断路器(1)，然后向所述第一隔离继电器(7)发送关断脉冲。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的交流/直流电转换装置，其特征在于，所述装置还具有第二半导体开关(40)，所述第二半导体开关(40)在所述整流器(21)的第一输出端(10)和所述滤波电容器(4)之间连接，并且所述第二半导体开关(40)在控制技术方面连接至所述控制和监控单元(15)。
8.根据权利要求6和7所述的交流/直流电转换装置，其特征在于，所述控制和监控单元(15)还构造成：在检测到所述能够预设的过电流或短路电流时，在所述第一步骤中同样地关断所述第二半导体开关(40)。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的交流/直流电转换装置，其特征在于，所述装置包括作为另外组件的至少一个第二隔离继电器(16)，所述第二隔离继电器(16)的输入端在电路技术方面与所述第一隔离继电器(7)并联地连接至所述整流器(21)的第一输出端(10)，所述第二隔离继电器(16)的输出端形成所述装置的第二直流输出端(17)，并设置成用于连接至少一个第二直流用电器(18)，第二电流传感器(19)布置在所述整流器(21)的第一输出端(10)和所述第二隔离继电器(16)之间，并且所述第二隔离继电器(16)和所述第二电流传感器(19)在控制技术方面至少间接地连接到所述交流断路器(1)和所述第一半导体开关(5)。
10.根据权利要求3至8和权利要求9中任一项所述的交流/直流电转换装置，其特征在于，所述控制和监控单元(15)在控制技术方面连接至所述第二隔离继电器(16)，并且所述控制和监控单元(15)构造成：在通过所述第二电流传感器(19)检测到能够预设的过电流时，在第一步骤中关断所述第一半导体开关(5)和所述直流断路器(1)，然后在能够预设的第一时间段结束后，在第二步骤中向所述第二隔离继电器(16)发送关断脉冲，并且在打开所述第二隔离继电器(16)之后，在第三步骤中再次接通所述第一半导体开关(5)和所述交流断路器(1)。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的交流/直流电转换装置，其特征在于，至少两个、特别是全部组件作为集成单元布置在共同的壳体中。
12.一种用于关断根据权利要求1所述的直流/交流电转换装置的至少一部分的方法，其中，检测到能够预设的过电流或短路电流，其中，在第一步骤中，将所述第一半导体开关(5)和所述交流断路器(1)关断，然后打开所述第一隔离继电器(7)。
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