CN1320296A - 用于把正弦电流馈入到交流网络的变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种将正弦电流馈入到交流网络的变换器,其目的是提高抗短路的能力和降低短路的危险。本发明是基于实现了仅使用单个开关单元产生正弦振荡的半周振荡。因此,为产生正弦振荡的正半周振荡,使用了与产生负半周振荡不同的开关单元,其结果是在产生正半周振荡期间仅有开关单元的一个开关被循环或激励,而在产生正弦电流的负半周振荡期间是另一个开关工作,两个开关间的短路危险被分别降低到从正半周振荡变化到负半周振荡的时刻或从负变化到正的时刻。

Description

用于把正弦电流馈入到交流网络的变换器
本发明涉及一种变换器，用于把正弦电流馈入到一个交流网络或者一个公共供电网络。
关于这种变换器，几乎都是把电源开关配置于三相桥中，如图1所示。这样的变换器由直流/电压源产生U、V和W相的多相交变电流。由于电源开关T1-T6的逆平行连接，如图1所示，利用合适的二极管，四象限的操作模式是有可能的，因此，可以以很高的万能方式使用这样的变换器电路。
这种变换器的缺点是，在两个开关如T1和T2出现交叉短路的情况下会有非常高的能量流发生，这往往会导致毁坏整个变换器，并有可能导致火灾突发，并因此而最终导致毁坏整个装置的所有连接的部件。另一个缺点是随着直流电压的增加，相应的部件也必须不断提高性能，但这仅在使用非常昂贵的部件时才有可能。
本发明的目的是提高变换器抗短路的能力，并且同时避免上面提到的缺点，并且尤其是尽可能避免采用非常昂贵的部件。
按照本发明，上述目标可以通过采用具有符合权利要求1至3中任一个的特征的变换器来达到，在所附的权利要求中提出了有益的改进。
本发明是基于实现这样一种状况，即仅有一个单一电路或开关单元被用于产生一个正弦振荡的半周振荡，因此，为了产生一个正弦振荡的正半周振荡，及为了产生正弦电流的负半部份，使用了不同的电路或开关单元，其结果是用于产生正弦电流的正半周振荡以及负半周振荡的开关单元被彼此分离开，并且仅通过公用的电流抽头连接在一起，其中，一个开关部分中电流的产生不可能包括其它开关部分中的相互作用，因为通过在电流抽头路径中的一个开关，每个开关部分相对于其它的开关部分被得以保护。
将变换器的正弦输出电流分成一个正半周和负半周振荡，就提供了向用于正和负半周振荡的两个开关部分共享直流电压源的可能性。因此，变换器中产生正半周振荡的的该部分可以以直流电压运行，例如Ud1＝660伏，以及变换器中产生正弦电流的负半周振荡的开关部分也可以以直流电压运行，例如Ud2＝660伏，因此，整个直流电压于是给出各自的直流电压之双倍，即1320伏。这样，在使用为660伏直流电压设计的部件时，结果导致该变换器具有双倍的功率输出。
该变换器的各自开关单元的输出感应在例如正电流成分期间是利用部分的直流电压Ud1起作用的，而不是利用整个直流电压Ud1+Ud2。这就会节省材料和成本。由于使用单个的开关单元产生正弦振荡的半周振荡，用于不同的半周振荡的开关单元也可以在空间上彼此远距离分开配置，这样在整体上会改善该变换器和开关装置之所有部件的安全性与可靠性，并且还可以在其所含空间方面大大地简化其配置。按照本发明的本变换器的设计的一个优点是输出轭流的感应以及为此目的而所需的部件成本可以减半。
以下通过在附图中说明的实施例详细地描述本发明。
图1为一个已知的变换器的基本原理图；
图2为用于正弦输出电流的正半周振荡的开关部分结构图；
图3为用于正弦输出电流的负半周振荡的开关部分结构图；
图4表示利用在图2和图3中的开关T1，S1，T2，S2并相对于正弦输出电流的时间图；
图5表示按照本发明的三相变换器的一种电路图；
图6表示说明如图2和3所示的多个开关部分的互连以产生三相交变电流的基本原理的电路图，以及
图7表示用于单相的变换器的电路图；
图2表示用于从直流电压Ud产生交流的正半部分或三相网络电流的开关单元1或一个横向分支的电路图。开关单元1包括：作为第一开关的一个功率晶体管T1，如IGBT(绝缘栅型双极晶体管)或GTO(闸门电路断开半导体闸流管)以及一个二极管D1，该二极管D1与电源开关T1串行连接到直流电压端子。用于输出电流的电流抽头介于电源开关T1与二极管D1之间，布置在该电流抽头内是第二开关S1，该开关S1依次与一个输出电感器L1串行连接。图3是利用与图2中所示的电路相反的电路结构按照基本原理表示用于产生该交流或三相网络电流的负半周的开关单元的电路图。
图4是表示利用在图2和3中所示的开关单元1和2的正弦输出电流的时间图，这里所示的是关于电源开关T1和T2的时间的导通行为，以及布置在电流抽头内的开关S1和S2的导通与关断行为。在正弦电流的正半波期间(如图4的左上侧)，在规定的循环模式内只有电源开关T1被导通和断开，同时电源开关T2在该阶段被断开。在产生正弦电流的正半波期间，在电流抽头内的开关S1被导通(关闭)，同时该电流抽头中的、用于负半波的另一个开关S2被断开(打开)。通过电源开关T1的打开与关闭状态的循环操作以及二极管D1的作用就可以产生一个‘锯齿波’正弦电流。在产生正弦电流的负半波期间，其情况与正弦电流的正半周波的产生正好相反。在产生负半波时，开关S1被断开，同时电源开关T1按照规定的循环操作模式导通、断开，且开关S2总是导通。在正弦波的最大电流区域，电源开关T1和T2各自被导通的时间长于在低电流值的区域的导通时间，尤其是长于零通道区域(the region ofthe zero-passage)。
图5和6给出了在图2和3中所示的多个开关单元的互连，以建立一个按照本发明的、用于产生三相交变电流的变换器。两图中所示电路的区别在于：在图6中用于产生输出电流的负半周振荡的开关部分与用于产生输出电流的正半周振荡的开关部分是分开配置的。从这方面讲，分开的配置也表示这些开关部分在不同的空间并且仅通过它们的公用电流抽头进行连接。用于产生正半波的开关单元连接到直流电压端子+Ud1和-Ud1。用于产生正弦电流的负半波的开关部分连接到直流电压端子+Ud2和-Ud2。
图1给出一种已知的变换器电路图，它是利用电源开关与二极管的逆平行连接可以进行四象限操作模式，因此可以作为一个开关装置以高通用方式使用，但在两个开关如T1和T2交叉短路的情况下，也包含有非常高的硬短路危险，这将导致损坏整个变换器并可能引起火灾，从而导致连接到其上的整个装置之所有部件的完全损坏。为了产生输出电流的正半波，该已知的变换器可以提供：开关T1和T2连续地导通与断开。与如图5和6所示的按照本发明的结构相对比，对于半波来说，这意味着在半波期间T1和T2要被连续地导通与断开多次，从统计的观点来看已明显地增加了交叉短路的概率。
图7针对三相中的一相给出了用于输出电流的正半周振荡的开关部分与用于输出电流的负半周的开关部分的互连。
在原理上，由于分开电流分支、在各个开关单元的互连中正和负交叉分支(cross-branches)(见图2至7)，从而防止了硬短路，见图5至7。如果即便如此，在不同的开关部分中的电源开关还会发生有缺陷的电源开关操作，则它们不仅通过电感器L1’-L6’，L1-L6互相去耦和保护，而且短路也肯定不会发生，这是因为这样的事实：即布置在电流抽头上的开关S1-S6可以防止由于它们以相反的关系被导通和断开而使一个分支对另一个分支产生相互影响。如图2至图7所示的变换器，其设计使得构成包含极高能功率的变换器成为可能。在两个互连开关单元的电流抽头之间的去耦轭流L1’-L6’可以同时用作高频轭流并且也可以用作dU/dt-衰减的滤波器，这表明在电源开关T1-T6之后虚假发射已经被急剧地直接衰减了。
上面描述的变换器尤其适用于风力变换器(wind powerconverter)或者另外一种产生直流电(如太阳能装置)的电力发电机。对于风力变换器，该发电机通常产生一个直流电或该发电机产生一个交变电流，但是该交变电流必须再被整流以便可以被上面描述的变换器转换成网络电流/电压。为了产生一个关于输出电流的精确的正弦形状，如果电源开关T1(相对于正半波)和T2(相对于负半波)分别在零通道中的导通与断开频率能大大地高于在电流最大的区域，将是非常有利的。在电流最大的区域，电源开关T1与T2的导通/断开频率分别大约是100Hz(如在100-600Hz的范围内)，而在零通道区域，电源开关的导通与断开频率是其它的频率(如5-18kHz)。

Claims (11)

1、一种将正弦电流馈入到交流网络的变换器，包括：
a)开关单元(1)，该单元产生该网络电流之正的部分；
b)该开关单元具有第一开关(T1，T3，T5)和一个与其串连的二极管(D1，D3，D5)，电流抽头位于第一开关(T1，T3，T5)与二极管(D1，D3，D5)之间；以及
c)在该电流抽头上布置一个第二开关(S1，S3，S5)，该开关在网络电流之正的部分产生期间被打开。
2、一种将正弦电流馈入到一个交流网络的变换器，包括：
a)开关单元(2)，该单元产生该网络电流之负的部分；
b)该开关单元具有第三开关(T2，T4，T6)和一个与其串连的二极管(D2，D4，D6)，电流抽头位于该开关(T2，T4，T6)与该二极管(D2，D4，D6)之间；以及
c)在该电流抽头上布置一个第四开关(S2，S4，S6)，该开关在网络电流之负的部分产生期间被打开。
3、按照权利要求1或2的将正弦电流馈入到一个交流网络的变换器，其中两个开关单元(1，2)是以相互并联的关系连接的。
4、一种按照前述任一权利要求的变换器，其中耦合电感器L1’-L6’设置在电流抽头内。
5、一种按照前述任一权利要求的变换器，其中为了产生三相电流，至少提供各自连接在一起的三个第一开关单元和三个第二开关单元。
6、一种按照前述任一权利要求的变换器，其中第一开关单元与第二开关单元是在空间上彼此分开地构成的。
7、一种按照前述任一权利要求的变换器，其中，为了产生正弦振荡的半周振荡，仅有开关单元(1，2)的第一或第二开关(T1，T2)各自多次地导通与断开。
8、一种按照前述任一权利要求的变换器，其中在电流抽头内的开关是半导体晶闸管，且最好是GTO或IGBT型的。
9、一种按照前述任一权利要求的变换器，其中，在电流抽头内的第二(或第四)开关仅当在该电流抽头路径内的第四(或第二)开关关闭时被打开。
10、一种按照前述任一权利要求的变换器，其中，多个第一和第二开关单元是通过它们的电流抽头连接在一起的，以提供三相电流网络的单相(U，V，W)之电流。
11、一种具有按照前述任一权利要求的变换器的风力转换器或产生直流电的另一个发电装置。
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