CN202309065U - 用于消弧电路中的线圈构件和功率电子电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型的名称为用于消弧电路中的线圈构件和功率电子电路，涉及一种线圈构件(6)以及一种功率电子电路，其中所述功率电子电路包括电容器(2)及消弧电路(3)。所述消弧电路(3)包括：与所述电容器(2)串联的线圈构件(6)，该线圈构件(6)具有导体，该导体构成具有多个绕组的线圈绕组，以提供电感，其中所述导体由顺磁材料构成；开关装置(4)，该开关装置(4)构造成用于将所述电容器(2)及所述线圈构件(6)连接成具有谐振频率的振荡回路；其中所述导体的材料具有相对渗透性μ_r，其中所述导体由于出现的趋肤效应而相对于导体的纯欧姆电阻具有提高的电阻。

Description

用于消弧电路中的线圈构件和功率电子电路

技术领域

本实用新型涉及一种用于保护电路中的电学线圈构件以及具有这种构件的保护电路。 

现有技术

在功率电子学中，经常应用变流器(Umrichter)，以提供直流电压或交流电压。此类变流器电路具有电容器，该电容器可根据系统的设计暂时存储电荷，该电荷相应于高达100焦耳或更大的能量。在故障情况发生时，必须将电容器中存储的能量消除。 

所谓的消弧电路用作电学系统的保护电路，该消弧电路在故障情况下将供给电压短路并因而保护待保护的电子电路。通过将供给电压短路，通常会触发保险装置(Sicherung)，该保险装置会将供给电压持续中断。此外，还应用消弧电路以能够在故障情况下将电容器短路，以便将其中存储的能量消散(abbauen)。 

消弧电路经常利用晶闸管运行为功率开关。晶闸管对于高电流梯度敏感。为了其运行，人们因而需要限制电流梯度。此类电流梯度限制通过晶闸管借助于扼流圈实现，也即借助于通过晶闸管限制电流上升的电感实现。 

如果此类扼流圈与上述变流器的电容器串联，那么在闭合晶闸管(触发的消弧电路)的情况下形成振荡回路，该振荡回路导致总体系统的振荡。为了使该振荡能够快速消退，必须额外设有衰减，该衰减可以电阻形式实现。电阻随后在消退期间将电容器中存储的能量转变成热能。 

此外，扼流圈必须构造成具有足够的机械稳定性，因为由于流经其绕组的数十kA的高电流，在相邻的绕组之间出现相当大的力，该 力导致线圈绕组的变形。通过将绕组固定在合适载体上可以实现机械稳定性。然而，这种变型也意味着其制备花费的提高。与此相反，所期望的是具有绕组的扼流圈的实施方案，其具有足够的固有稳定性，使得可能通过流经其绕组的电流引起的力既不会损坏又不会破坏扼流圈。然而，为此以下是必需的：用来构建扼流圈的导体的材料及导体厚度选择成使得材料的合成机械硬度在流有触发电流时很大程度地避免机械变形。 

常规导体通常由铜或类似的导电性良好的材料制成。机械硬度通过铜导体足够的导体厚度实现。由此，在触发消弧电路时出现的振荡的衰减所必需的电阻然而不能通过用于扼流圈的导体来提供，因为其必须设置有足够的强度。这使额外电阻的设置成为必需。 

为了实现具有由铜导体制成的此类扼流圈的消弧电路，由于可能在电容器中存储的高能量，可应用适于接收电容器的能量的炭质电阻或等效物。然而，炭质电阻很贵。此外，除了扼流圈之外还必须设置炭质电阻，由此又提高了为了实现这种消弧装置的花费。 

实用新型内容

因而，本实用新型的目的在于，提供一种用于引开(Abfuehren)在电容器中存储的能量的消弧电路，该消弧电路以简单的方式构造并且利用单个构件来提供衰减及减小电流梯度。 

根据第一方面，提供用于消弧电路中的线圈构件，其中所述线圈构件具有导体，该导体构成具有多个绕组的线圈绕组，以提供电感，其中所述导体由顺磁材料构成。 

根据另一方面，提供功率电子(或电气)电路，尤其是具有变流器的功率电子电路。该电路包括： 

-电容器；以及 

-消弧电路， 

-其中所述消弧电路包括： 

-与电容器串联的上述线圈构件；以及 

-开关装置，其构造成用于将电容器及线圈构件连接成具有谐振频率的振荡回路； 

其中所述导体的材料具有相对渗透性μ_r，其中导体基于通过谐振频率引起的趋肤效应而相对于导体的纯欧姆电阻具有提高的电阻。 

本实用新型的原理在于，提供一种作为消弧电路的扼流圈的线圈构件，用于引开在电容器中存储的能量。因而，线圈构件应该既具有用于限制电流梯度的电感，用于衰减触发的振荡的电阻，也具有足够的用于抵抗通过高电流引起的力的机械稳定性。线圈构件以线圈绕组形式实现，其导体横截面可为任意大小，但必须足够大，以尽可能没有变形的情况下抵抗各个绕组之间的力。此外，线圈构件具有电阻，该电阻导致对在由电容器及电感构成的振荡回路中引起的振荡的衰减。在此，该电阻相对于纯欧姆电阻(其通过选择用来构造线圈绕组的导体(具体电阻)的导体材料，以及其横截面和长度是确定的)进一步基于在振荡回路的谐振频率下出现的趋肤效应而减小。 

趋肤效应引起如下情况：对于导线(stromleitung)，在特定频率在计算欧姆电阻时必须考虑的仅仅是有效的特定外部区域。皮肤深度，也即导体的在特定频率时有效地确定电阻的外部区域的厚度，很大程度上依赖于用于线圈构件的导体的材料的相对渗透性。因而规定，线圈构件利用包括如下材料的导体来构造，该材料具有在通过线圈构件的电感及电容器引发的振荡范围中的频率下导致趋肤效应的相对渗透性，该趋肤效应提高线圈构件的电阻，使得振荡消退得更快。换言之，线圈构件的电感及电容器用作具有如下谐振频率的振荡回路，在触发消弧电路时整体装置上的电压和/或电流以该谐振频率振荡。其中在适当选择具有足够高的相对渗透性的线圈构件的材料时出现趋肤效应，由此线圈构件的电阻提高到缩短振荡的消退时间的电阻。 

此外，顺磁材料可以包含铁或钢作为主要成分。尤其是，顺磁材料可以选择成使得它具有的相对渗透性μ_r＞50，优选地，μ_r＞150。 

根据一种实施方式，导体具有的横截面积可大于5mm²，优选地大于10mm²，尤其在5-20mm²范围内。 

进一步地，导体可设有绝缘部，使得绕组相互绝缘。(优选地在绕组范围内)绝缘部完全包围导体。 

根据一种实施方式，导体的端部可以距离线圈绕组不大于线圈绕组的直径的一半。 

线圈构件的导体的端部可分别设有用于连接并用于保持线圈构件的接触元件。对此，接触元件可设有接触环、压合接头(Klemmverbindung)或类似物。 

根据电路的一种实施方式，线圈构件具有电感，该电感得到振荡回路的在1kHz至10kHz之间的谐振频率。 

此外，线圈构件可具有通过在谐振频率下的趋肤效应引起的电阻，该电阻在时间间隔0.1ms至10ms期间导致对将线圈构件与电容器连接之后出现的振荡的消退。 

根据另一方面，提供上述线圈构件在上述电路中的用法。在此，电容器通过线圈构件放电，使得所引发的振荡回路的振荡利用衰减来消退，其中电容器的电荷能量在线圈构件的电阻上消散(abgebaut)。 

附图说明

下面，借助于附图详细说明本实用新型的优选实施方式。其中： 

图1示出了用于连接到功率电路(Leistungsschaltung)中电容器的消弧电路； 

图2示出了图1的消弧电路中应用的线圈构件的透视图； 

图3示出了信号-时间图表，该图表用于说明通过图1的消弧电路的晶闸管的电流的分布曲线；以及 

图4示出了图1的消弧电路的线圈构件上的电流和电压的分布曲线。 

具体实施方式

图1中示出了总体系统。该总体系统包括变流器1，例如逆变器，整流器等。变流器1与(采用电容器2形式的)用于电容式能量存储的元件连接，或者备选地包括该电容器。变流器1与(例如采用电机形式的)用电器(Verbraucher)5连接，从而以合适的方式驱动该用电器5。在总体系统运行期间，对电容器2充电并且在运行期间存储电荷，该电荷可相应于100焦耳或更多的能量。 

在切断变流器1时，例如由于故障情况，在电容器2中存储的电荷必须尽快消散，使得在用电器5上不再存在电压。所谓的消弧电路3通过使得电容器2通过短路放电的方式来接收从电容器2引开的能量。 

消弧电路3包括功率开关4，该功率开关4在所示实施例中构造成晶闸管。并联于功率开关4可提供空载二极管(未示出)。在触发消弧电路3时，功率开关4是闭合的，从而可以根据电容器电压的极性通过功率开关4在电容器2的接头之间构成导电连接。 

消弧电路3包括线圈构件6，该线圈构件6与功率开关4串联，从而使得在闭合功率开关4时，电容器2的两个接头经过线圈构件6和功率开关4相互连接。线圈构件6在单个构件中同时提供电感及电阻。由此，与电容器2一同构成振荡回路，在触发消弧电路3时，所述振荡回路3以由电容器2的电容及线圈构件6的电感确定的谐振频率 

$f=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{\mathrm{LC}}}$

振荡(假设电阻的影响可以忽略不计)。通过线圈构件6的电阻，振荡回路的振荡根据衰减而消退并因而将能量由电容器2在一定的时间间隔内引出。在振荡消退后，能量从电容器2引开。 

消弧电路3构造成用于功率电子系统中并且可将1000V或更高的电容器电压消散。流经线圈构件6的电流在此可达数十kA，例如20kA 或更高。 

线圈构件6优选地由长形导体构成，该长形导体以多个绕组中的线圈绕组的形式形成。在触发消弧电路时可流经线圈构件6的高电流在线圈构件6的线圈绕组的绕组之间引起高引力(依赖于结构且尤其依赖于绕组之间的距离)。该引力可在线圈构件6的稳定性不足时导致变形。因而线圈构件6必须设有足够的稳定性。这通过以下方法实现，即线圈构件6的长形导体设有足够的横截面，以保证线圈构件的固有稳定性，该固有稳定性足够抵抗通过电流流动引起的力。由此，可在没有用于固定并用于承载导体的额外支持性装置情况下构成线圈构件6。 

线圈构件6的线圈绕组的绕组数量取决于期望电感，该电感确定由电容器2及线圈构件6构成的振荡回路的谐振频率。由于在高电流流动时引起的力，导体的总长度限于线圈绕组所需的长度，因为否则需要额外的措施来固定及保护未构成线圈绕组的绕组的导体截面。由此，待应用导体的总长度限于线圈绕组的绕组所需的导体长度。 

由线圈构件6的导体的长度及横截面获得如下欧姆电阻，该欧姆电阻在应用常规材料(例如铜)是足够小，以便能够导致在触发消弧电路3时振荡回路的振荡快速消退。现在不是额外电学构件作为与线圈构件6串联的欧姆电阻，而是规定，线圈构件6的导体的材料选择成使得欧姆电阻得到提高。然而，由于上述固有稳定性的原因，必须应用金属作为导体材料。金属的欧姆电阻并不足以使振荡能够在足够短的时间内消退。因而规定，线圈构件6的导体的材料为顺磁金属。由此，在通过电容器2及线圈构件6引起的谐振频率下，有效电学电阻可由于趋肤效应而得到提高，使得消退可在足够短的时间内实现。 

根据一种实施方式，因而规定，代替至今应用的铜作为较好导电性导体材料的是具有顺磁特性的导电材料，特别是金属，使得在振荡回路的谐振频率下趋肤效应起作用并且线圈构件6的有效电阻得到相应提高。优选地，用作导体的材料的是结构钢，其具有足够高的机械 稳定性并且进一步地根据实用新型人的测量，其具有相对渗透性μ_r≈175。在金属范围中(也即位于具体电阻在0.015至0.3Ωmm²/m范围中)并且为顺磁(其尤其具有相对渗透性μ_r＞50，优选地μ_r＞100或μ_r＞150)的具有良好导电性的其它材料也适于用作线圈构件6的导体材料。进一步地，趋肤效应使得，对于增大的频率相对渗透性下降，从而使有效电感随着频率上升而减小。 

图2中示出了这种线圈构件6的具体实施方案。示出了具有12个绕组的线圈绕组，其中所述12个绕组具有由结构钢制成的具有6mm直径的导体7。绕组的直径约为10cm。绕组绕过直接进入导体端部。导体端部具有(例如以接触环形式的)接头9，并且在线圈构件6轴向或径向方向上，距离这些绕组最大不大于绕组直径的一半。导体7设有绝缘部8，从而使得相互叠加的绕组彼此电绝缘。 

对于所述线圈构件6的测量得出，电感及欧姆电阻对于频率的依赖关系： 

f(kHz)	L(μH)	R(mΩ)
			0,1	16,8	16,8
0,12	16,8	17,2
			1	11,25	37,1
10	7,78	109
			20	7,3	156
100	6,6	360

由趋肤效应产生的电阻也可以由下列公式近似地表示： 

R＝ρ·l/A， 

其中在圆形导体的情况下 

A＝A_eff＝πD²-π(D-δ)²

其中 $\mathrm{\δ}=\frac{1}{\sqrt{\mathrm{\π}\·f\·{\mathrm{\μ}}_0\·{\mathrm{\μ}}_r\·\mathrm{\ζ}}}$

成立，其中ρ(单位是 

Ωmm²/m)相应于导体的具体电阻，l(单位是m)相应于导体的长度，A(单位是mm²)相应于导体的横截面积，δ(单位是mm)相应于皮肤深度，D(单位是mm)相应于导体的直径，f相应于振荡回路的谐振频率，μ₀·相应于渗透性，μ_r·相应 于相对渗透性，以及ζ(单位是m/Ωmm²)相应于导电性。 

图3中示出在触发消弧电路3后经过功率开关4的电流随着时间的变化。由此可知，最高达20kA的电流流经振荡回路，由此要求极高的机械稳定性。此外可知，振荡回路的振荡在1ms之后基本消退并且在2ms之后不再可探测到。 

图4示出了在所产生的谐振频率大约为3kHz时，对于初始1kV的电容器电压，200μF的电容器电容，19μH的线圈构件6的电感以及0.1Ω的线圈构件6的有效电阻，线圈构件6上电压及电流的在时间t上的分布曲线。 

基于多个自由度，凭借经验确定线圈构件6的尺寸(dimensionieren)，其中无论如何从选择导电、顺磁材料作为导体开始，通常从具有在50及10000之间的相对渗透性的金属开始。横截面的大小相应于导体材料的期望固有稳定性及硬度来选择。 

由导体制备线圈绕组，该线圈绕组具有的电感与电容器2的电容相匹配，使得振荡回路的谐振频率在0.1kHz至100kHz之间，优选地在1kHz至10kHz之间，进一步优选地在2kHz至5kHz之间，尤其是3kHz形成。相应于上述公式，在谐振频率依赖于期望电阻时考虑趋肤效应的情况下，得出用于线圈绕组的导体的长度。期望的电阻的选择依赖于在哪个持续时间后振荡回路的激励振荡应该消退。 

根据韦勒-公式 

L＝N²d²·/(0.7d+1.57b) 

(N：绕组数量，d(单位mm)：圆柱形线圈的直径，b(单位是mm)：圆柱形线圈的长度)，该公式指出圆柱形线圈的近似电感L(单位是μH)，因此能够对于导体7的预定长度确定线圈构件6的大小。通过适当选择线圈绕组的绕组数量以及绕组的直径，可确定线圈绕组的电感。在此，也必须考虑趋肤效应。如上面的表格所示，电感也依赖于谐振频率并且影响谐振频率，使得人们通常必须进行迭代，以确定线圈绕组的尺寸。 

优选地，电阻选择成使得消退时间达到大约1至2ms。提供结构钢作为用于线圈构件6的线圈绕组的优选材料，因为该材料具有足够的机械稳定性并且比较经济，并且以大约175的相对渗透性(例如对于3kHz)而适于实现线圈构件6。 

参考标号列表 

1电学或电子电路 

2电容器 

3消弧电路 

4晶闸管 

5用电器 

6线圈构件 

7导体 

8绝缘部 

9接头 

Claims (9)

1.一种用于消弧电路(3)中的线圈构件(6)，其中所述线圈构件(6)具有导体(7)，所述导体(7)构成具有多个绕组的线圈绕组，以提供电感，其特征在于，所述导体(7)由顺磁材料构成。

2.根据权利要求1所述的线圈构件(6)，其特征在于，所述顺磁材料选择成使得其具有的相对渗透性μ_r＞50。

3.根据上述权利要求1至2中任一项所述的线圈构件(6)，其特征在于，所述导体(7)具有的横截面积大于5mm²，大于10mm²或大于15mm²。

4.根据上述权利要求1至2中任一项所述的线圈构件(6)，其特征在于，所述导体(7)设有绝缘部(8)，使得所述绕组是相互绝缘的。

5.根据上述权利要求1至2中任一项所述的线圈构件(6)，其特征在于，所述导体(7)的端部距离所述线圈绕组不大于所述线圈绕组的直径的一半。

6.根据上述权利要求1至2中任一项所述的线圈构件(6)，其特征在于，所述线圈绕组的所述导体(7)的端部分别设有接触元件(9)，所述接触元件(9)用于连接所述线圈构件(6)。

7.一种功率电子电路，尤其是具有变流器(1)的功率电子电路，包括

-电容器(2)；以及

-消弧电路(3)，

其中所述消弧电路(3)包括：

-与所述电容器(2)串联的根据上述权利要求1至7中任一项所述的线圈构件(6)；

-开关装置(4)，所述开关装置(4)构造成用于将所述电容器(2)及所述线圈构件(6)连接成具有谐振频率的振荡回路；

其特征在于， 

所述导体(7)的材料具有相对渗透性μ_r，其中所述导体(7)基于通过所述谐振频率引起的趋肤效应而相对于所述导体(7)的纯欧姆电阻具有提高的电阻。

8.根据权利要求7的电路，其特征在于，所述线圈构件(6)具有得到振荡回路的1kHz至10kHz之间的谐振频率的电感。

9.根据权利要求7或8的电路，其特征在于，所述线圈构件(6)具有通过在所述谐振频率的情况下的趋肤效应引起的电阻，所述电阻导致在时间间隔0.1ms至10ms期间消退所述通过所述线圈构件(6)与所述电容器(2)的连接而出现的振荡。 

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