TW201401711A - 具有用於產生ｎ相交流電的逆變器的供電設備 - Google Patents

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Abstract

一種供電設備(MF)，包括用於產生N相交流電的逆變器(12)、以及具有初級繞組(211、212、213)和次級繞組(221、222、223)的至少一個N相交流電變壓器(2)，其中初級繞組(211、212、213)連接成多邊形，並且在變壓器(2)空載運行時位於N個次級繞組(221、222、223)上的電壓的向量和為零，其中由初級繞組(211、212、213)形成的多邊形的每個角點分別通過一個電容(C11、C12、C13)和逆變器的一個外導線接頭相連。

Description

具有用於產生N相交流電的逆變器的供電設備
本發明涉及一種供電設備，包括用於產生N相交流電的逆變器、以及具有初級繞組和次級繞組的至少一個N相交流電變壓器，其中初級繞組連接成多邊形，並且在變壓器空載運行時位於N個次級繞組上的電壓的向量和為零。
申請號為11174546.9的未公佈的歐洲專利申請公開了一個該類供電設備(見申請11174546.9中的圖1)。同一個申請11174546.9還公佈了，所述第一供電設備用於根據西門子方法給矽棒供電，以生產多晶矽。在所述申請11174546.9中示出的第一供電設備有三個輸出端，在其上提供了互相間偏移120°的電壓。所述電壓驅動頻率為1至1000kHz間的中頻電流進入矽棒。電壓通過三相交流電變壓器提供，其具有初級繞組和次級繞組。初級繞組為三角連接。在變壓器空載運行時在三個次級繞組上的電壓的向量和為零。
三個次級繞組為串聯，並且和供電設備的三個輸出端平行。在輸出端上連接有作為負載的矽棒，供電設備驅動電流流經矽棒。
如所述的申請11174546.9所描述的，矽棒除了通過第一供電 設備供給電力外，可以與由第一供電設備供電同時地由第二供電設備供電。在所述的第二供電設備上矽棒為串聯。電力供給通過頻率約為50Hz的電流實現。
申請11174546.9描述了，第二供電設備和第一供電設備退耦的方式為，在串聯的第一供電設備輸出端上的電壓為零。
但在實際中，當在第一供電設備的輸出端上的負載不同樣大時，可能出現問題。特別是當一個負載的自感大於另一個負載的自感時，可能會部分產生第一供電設備輸出端上提供的電壓絕對值中相當顯著的差別。這會導致第一供電設備輸出端上的所述電壓的和不再為0。取而代之地，絕對值會達到幾百伏特。所達到的電壓和驅動第一供電設備的頻率相關。
所述第一供電設備不均勻的負載、以及由此帶來的第一供電設備串聯輸出端上的電壓會導致第二供電設備被損壞或者摧毀。
因此本發明的任務是，進一步構造第一電力設備，儘量避免前面所述第一供電設備輸出端上的電壓絕對值之間的差別。
該任務根據本發明以此解決，由初級繞組形成的多邊形的每個角點分別通過一個電容和逆變器的一個外導線接頭相連。
將多邊形角點和外導線接頭相連的電容可以在供電設備運行時間接地、即通過中間連接變壓器而設置在兩個負載的環狀電路中。以此電容可以補償供電設備輸出端上的電壓間的絕對值差別。電容可以具有4至6μF的電容量，特別是為4.5μF。在初級繞組端的電容可以具有和次級 繞組端電容不同的容量和不同的電壓負載值。典型的次級繞組端的電容的容量值可以為2μF至10μF。
供電設備的輸出端優選和次級繞組並聯地設置。
同樣也有益的是，供電設備的輸出端與由各一個次級繞組和另一個電容組成的串聯電路並聯地設置。通過這些其他的電容，根據本發明的供電設備、後面也稱為第一供電設備，可以和與第一供電設備輸出端的串聯電路並聯的第二供電設備退耦。所述其他的電容和其他元件一起構成了高通濾波器，其阻止了由第二供電設備驅動的、和第一供電設備輸出電流相比更低頻的電流流入第一供電設備並且將其損壞或者摧毀。
同樣在所述的第一供電設備和第二供電設備的退耦中，在負載不同時在第一供電設備所有輸出端上的電壓被減小。但減小程度和在放棄所述外導線接頭上的電容相比並不明顯。
該任務根據本發明也可以以此解決，電壓可以通過至少N-1個次級繞組離散地或者連續地調節。電壓的離散的調節可以通過次級繞組具有多個抽頭解決。當電壓通過N-1個次級繞組可調時，其可以被改變，使得與根據本發明的供電設備相連的負載上的電壓有效值相同。
另一個根據本發明的解決方法為，和次級繞組串聯的電容至少有N-1個具有可調節的電容量。同樣通過這樣的可調的電容量可以達到，根據本發明的供電設備相連的負載上的電壓有效值相同。
逆變器可以是具有功率電晶體的橋電路。
供電設備可以包括變頻器，並且逆變器可以為變頻器的一部分。除了逆變器外，變頻器可以包括整流器和直流電壓中間電路。
替代地，變頻器也可以為直接轉換器(Direktumrichter)。那麼根據本發明逆變器為直接轉換器的積分部分。
根據本發明的供電設備可以為根據西門子方法用於生產多晶矽的反應爐的一部分。根據本發明的供電設備可以為第一供電設備，用於通過交流電為矽棒或者矽細棒供電以感應地加熱。矽棒或者矽細棒可以設置於反應爐容器中。在反應爐容器中預設有支架固定矽棒或者矽細棒。支架同時為電接頭，矽棒或者矽細棒通過其和負載電路連接。
反應爐可以包括第二供電設備用於通過交流電為矽棒或者矽細棒供電以感應地加熱。該第二供電設備可以包括具有多個次級繞組端抽頭和其上連接的功率調節器的變壓器，其在電壓順序控制中運行並且和第二供電設備輸出端的外導線接頭相連，例如如圖1中示出的。可由第一供電設備產生的交流電的頻率為1至1000kHz，並且可由第二供電設備產生的交流電的頻率為1至100Hz。
(1)‧‧‧AC-AC變頻器
(2)‧‧‧三相交流電變壓器
(3)‧‧‧矽棒
(4)‧‧‧變壓器
(7)‧‧‧支架
(9)‧‧‧控制裝置
(11)‧‧‧整流器
(12)‧‧‧逆變器
(31)‧‧‧第一矽棒
(32)‧‧‧第二矽棒
(33)‧‧‧第三矽棒
(42)‧‧‧次級繞組
(51)‧‧‧功率調節器
(52)‧‧‧功率調節器
(53)‧‧‧功率調節器
(211)‧‧‧初級繞組
(212)‧‧‧初級繞組
(213)‧‧‧初級繞組
(221)‧‧‧次級繞組
(222)‧‧‧次級繞組
(232)‧‧‧次級繞組
(421)‧‧‧抽頭
(422)‧‧‧抽頭
(423)‧‧‧抽頭
(424)‧‧‧抽頭
C11‧‧‧電容
C12‧‧‧電容
C13‧‧‧電容
L1‧‧‧輸出端
L2‧‧‧輸出端
L3‧‧‧輸出端
H‧‧‧輸出端
MF‧‧‧第一供電設備
VSC‧‧‧第二供電設備
N‧‧‧中性線接頭
下面基於優選的實施例參考附圖說明本發明的其他特徵。其中：圖1示出了根據現有技術的由第一供電設備和第二供電設備組成的設備的電路圖，圖2示出了第一根據本發明的供電設備的電路圖，圖3示出了第二根據本發明的供電設備的電路圖。
圖1中示出的根據本發明的設備包括第一供電設備VSC和 第二供電設備MF，其被設置共同用於供應電能給與設備相連的負載。負載為矽棒3，其位於反應爐中用於根據西門子方法通過蒸氣分離生產多晶矽。
在反應爐的反應爐容器中配有支架7，其一方面固定了矽棒3，另一方面建立了矽棒3和反應爐電接頭間的電導通。
第一供電設備MF有和單相交流電系統外導線L1和中性線N相連的輸入端，如第二供電設備VSC那樣。第一供電設備MF包括AC-AC變頻器1，其和第二供電設備MF的輸入端相連。
AC-AC變頻器1可以為矩陣變頻器，AC-AC變頻器1輸入端處的頻率為50至60Hz的單相交流電通過其被轉換成頻率為20至200MHz的三相交流電。AC-AC變頻器1因此同時是用於將輸入電流轉換成三相交流電的電路和變頻器。AC-AC變頻器1的輸出端處通過三個外導線L1'、L2'、L3'提供三相交流電。
AC-AC變頻器1的輸出端和三相交流電變壓器2相連，其初級繞組211、212、213為三角連接。次級繞組212、222、232和接頭H"、L1"、L2"、L3"相連，其成對構成了第二供電設備的輸出端。在這些輸出端上連接有矽棒3，其中第一矽棒31和接頭H"、L1"相連，其構成了第一輸出端、第二矽棒32和接頭L1"、L2"相連，其構成了第二輸出端，並且第三矽棒33和接頭L2"、L3"相連，其構成了第二供電設備MF的第三輸出端。基於外導線之間120°的相位角，在H"和接頭L3"間在對稱負載的情況下矽棒31、32、33上沒有電壓降。
AC-AC變頻器1由控制器8控制，這裏未詳細示出。
在根本上接頭H"和L3"可以連接而不會對第二供電設備MF 產生影響。那麼次級繞組31、32、33為三角連接。但在這兩個接頭H"和L3"間不會有連接產生，因為其同時也短接了第二供電設備VSC的外導線接頭L1"和中性線接頭N"。這並不是所期望的。
因為在第二供電設備MF的接頭H"和L3"之間沒有壓降，並且這樣在第二供電設備VSC的輸出端的接頭L1'''、N'''間沒有由第一供電設備MF提供的電壓降，所以第二供電設備在對稱負載時沒有通過矽棒31、32、33驅動電流進入第一供電設備VSC。
第二供電設備VSC具有和單相交流電系統的外導線L1和中性線N相連的輸入端。第二供電設備VSC包括單相交流電變壓器4，其初級繞組41和第二供電設備VSC的輸入端相連。變壓器4的次級繞組42包括四個抽頭421、422、423、424，其中的三個抽頭421、422、423通過功率調節器51、52、53和第二供電設備VSC的輸出端的外導線接頭L1'''相連。與此相對，第四抽頭424和第二供電設備VSC的輸出端的中性線接頭N'''相連。
第四抽頭424預設在次級繞組42的端部。
功率調節器51、52、53為晶閘管功率調節器，其通過兩個反向平行連接的晶閘管構成。功率調節器51、52、53通過電壓順序控制驅動。
電壓順序控制通過控制裝置9實現，其和功率調節器51、52、53的晶閘管以及其他要控制的元件和/或用於採集電流、電壓的感測器以及其他未示出的部件相連。
為了避免第二供電設備VSC在第一供電設備MF上反作 用，可以在第一供電設備MF的輸出端上安裝高通濾波器，其不能由第一電壓供給設備VSC的輸出電壓通過。
圖1中示出的設備，特別是第一供電設備MF可以擴展，以可以在更多的輸出端上連接更多的矽棒。為此具有一個輸出端用於三相交流電系統的AC-AC變頻器可以被替換為這樣的AC-AC變頻器，其提供有用於具有多於三個相位的多相交流電系統的輸出端，例如用於四、五或者六相交流電系統。
通過採用兩個三相交流電變壓器2，其初級繞組成對並聯並且其次級繞組串聯，也可以擴展第一供電設備。
第一供電設備MF在其輸出端L1"、L2"、L3"、H"上提供互相偏移120°的電壓，其在空載運行以及在輸出端L1"、L2"、L3"、H"的載荷對稱時有相同的絕對值。那麼接頭L3"、H"間的電壓為0V。
輸出端L1"、L2"、L3"、H"接頭上不對稱的負載可能會導致輸出端L1"、L2"、L3"、H"接頭上的有效電壓不一樣大。那麼接頭L3"、H"間的電壓不為0V。根據輸出端上交流電壓的頻率和負載的類型偏差會有不同的數量級，其對於將第一供電設備MF連接進較大型設備是一個問題。特別是在不同的感性負載時，在第一供電設備運行時交流電壓會偏離。特別是在第一供電設備運行用於提供頻率接近輸出端電路共振頻率的交流電壓時，可能在接頭L3"、H"間產生高的電壓。
根據本發明在AC-AC變頻器1的輸出端的接頭和三角連接的初級繞組211、212、213的角點間各接有電容C11、C12、C13。圖2和圖3示出了根據本發明的第一供電設備MF。
圖2和圖3中示出的第一供電設備MF大部分和圖1中示出的供電設備MF相符。因此功能上相同的部件和元件用相同的附圖標記表示。在圖2中未示出第二供電設備VSC。但其可以和圖1和圖2示出的設備相同地和負載31、32、33相連。
圖2和圖3詳細示出了AC-AC變頻器1。AC-AC變頻器1是指具有整流器11頻率變頻器1、帶有電容CG和逆變器12的直流中間電路。
整流器11和供給網路的外導線L1以及中性線N相連。在整流器的輸出端上連接有電容CG，其構成了直流電壓中間電路。直流電壓中間電路和逆變器12相連。
逆變器12為由整流閥(特別是IGBT 121)組成的H橋，如其在逆變器中廣泛使用的。也可以採用其他可控開關代替IGBT。H橋的半橋的整流閥121間的點構成了逆變器12的輸出端的接頭。在接頭上連接有電容C11、C12、C13。電容C11、C12、C13和由三相交流電變壓器2的初級繞組211、212、213組成的三角連接的角點L1'、L2'、L3'相連。三相交流電變壓器2的次級繞組電路和其上相連的負載31、32、33和圖1示出的電路沒有區別。
通過電容C11、C12、C13，在負載非對稱時出現在接頭L3"、H"間的電壓可以顯著地被減低。
通過電容C11、C12、C13可以產生輸出端電流電路在初級繞組端的耦合，這會導致接頭L3"、H"間的電壓減小。接頭L3"、H"上的電壓相對於基於圖1所描述的情況會補償不對稱的負載。電壓可以被減少約 為100%。
如圖3中對於第二根據本發明的電路設備所示出的，當在變壓器2的次級繞組212、222、232和接頭L1"、L2"、L3"、H"的連接間採用電容C21、C22和C23時，在非對稱的，特別是非對稱的第一電力供給裝置MF輸出端上的歐姆感應負載的情況下，可以達到外導線間電壓幾乎80%的減少，此外這也符合根據圖2的第一根據本發明的電路設備。所述額外的電容C21、C22和C23雖然阻止了輸出電壓的完全對稱，但由此可實現第一供電設備MF從第一供電設備VSC退耦。
(3)‧‧‧矽棒
(7)‧‧‧支架
(11)‧‧‧整流器
(12)‧‧‧逆變器
(31)‧‧‧第一矽棒
(32)‧‧‧第二矽棒
(33)‧‧‧第三矽棒
(211)‧‧‧初級繞組
(212)‧‧‧初級繞組
(213)‧‧‧初級繞組
(221)‧‧‧次級繞組
(222)‧‧‧次級繞組
(232)‧‧‧次級繞組

Claims (7)

  1. 一種供電設備(MF)，包括用於產生N相交流電的逆變器(12)和具有初級繞組(211、212、213)和次級繞組(221、222、223)的至少一個N相交流電變壓器(2)，其中初級繞組(211、212、213)連接成多邊形，並且在變壓器(2)空載運行時N個次級繞組(221、222、223)上的電壓的向量和為零，其特徵在於，- 由初級繞組(211、212、213)形成的多邊形的每個角點分別通過一個電容(C11、C12、C13)和逆變器的一個外導線接頭相連，- 電壓能通過至少N-1個次級繞組(221、222、223)被離散地或者連續地調節，和/或- 與次級繞組(221、222、223)串聯地設置電容，其中至少N-1個電容具有可調的電容量。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的供電設備(MF)，其特徵在於，供電設備(MF)的輸出端與次級繞組(221、222、223)並聯地設置。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的供電設備(MF)，其特徵在於，供電設備(MF)的輸出端與由各一個次級繞組(221、222、223)和各一個電容(C21、C22、C23)組成的串聯電路並聯地設置。
  4. 如申請專利範圍第1至第3項中所述的供電設備(MF)，其特徵在於，逆變器(12)是具有功率電晶體(121)的H橋。
  5. 如申請專利範圍第1至第4項中所述的供電設備(MF)，其特徵在於，供電設備包括變頻器(11、12、CG)，並且逆變器(12)是變頻器(11、12、CG)的一部分。
  6. 一種用於根據西門子方法生產多晶矽的反應爐，具有第一供電設備(MF)，用於利用交流電為能夠設置在反應爐容器中的矽棒或矽細棒供電以感應地加熱，其特徵在於，第一供電設備(MF)是根據申請專利範圍1至5之一的供電設備。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的反應爐，其特徵在於，反應爐包括第二供電設備(VSC)，用於利用交流電為矽棒或矽細棒供電以感應地加熱，其中能由第一供電設備產生的交流電的頻率為10至100Hz，能由第二供電設備產生的交流電的頻率為10至1000kHz。
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