CN101253677A - 用于高压和大功率范围的频率换流器的脉冲电阻器（断路电阻器） - Google Patents

用于高压和大功率范围的频率换流器的脉冲电阻器（断路电阻器） Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于高压和大功率范围的换流器的脉冲电阻器。所述脉冲电阻器具有至少两个两极子***(24)与一电阻元件(14)，其中，所述子***(24)与所述电阻元件(14)串联。由此而实现的脉冲电阻器不再具有已知脉冲电阻器的缺点，借助这种脉冲电阻器可对制动电流(iB)进行精细的分级控制，此外还可以简单的方式使这种脉冲电阻器与任何中压相匹配。

Description

用于高压和大功率范围的频率换流器的脉冲电阻器（断路电阻器）
技术领域
本发明涉及一种用于适度高压和大功率范围的换流器的脉冲电阻器。
背景技术
带有直流电压输入的换流器越来越多地使用在适度高压范围内的受控电力驱动装置和供电设备中。这种类型的换流器也称为“电压源逆变器”(U-Umrichter)。如2.3kV、3.3kV、4.16kV和6.9kV等的标准中压在此归为所述的适度高压。
图1显示的是现有技术中的已知电压源逆变器的等效电路图，为清晰起见，图1仅对这个电压源逆变器的负载侧三相换流器2进行了图示。由于涉及的是高压范围，因此，这个负载侧三相换流器2的换流阀T1-T6分别具有多个串联的可断半导体开关4，这些半导体开关分别与一个二极管6反向并联。由于每个换流阀T1-T6均具有三个可断半导体开关4，因此，这种换流器拓扑结构也称为“串联数为三的开关换流器”。每两个换流阀T1和T2、T3和T4、T5和T6构成一个桥接旁路8，桥接旁路8构成开关换流器2的相位模块。每两个换流阀T1和T2、T3和T4、T5和T6之间的连接点10分别构成三相负载(例如三相电动机)的接点L1、L2或L3。三相换流器2的三个相位模块8通过两根母线P0和N0形成并联。这两根母线P0和N0之间连接有直流电压中间电路电容器CZW，其由一个电容器或多个串联和/或并联电容器构成。这个直流电压中间电路电容器CZW上存在有一个直流电压Ud。在串联数为三的开关换流器的这个等效电路图中，可断半导体开关4用的是绝缘栅双极晶体管(IGBT)。串联数与直流电压中间电路电容器CZW上的直流电压Ud以及可以购得的IGBT的阻断能力有关。
将能量暂时回收到直流电压中间电路电容器CZW中时，直流电压中间电路电容器CZW上的直流电压Ud有可能会上升到超过允许的最大值。这种情况主要出现在连接在接点L1、L2和L3上的三相电动机的制动过程中。其他在一般情况下持续时间较短的原因(例如电网电压的迅速波动或负荷波动)也会引起这种过压情况。可以解决这一问题的已知措施有：
一连接一个能量回收换流器，这个能量回收换流器与直流电压中间电路电容器CZW并联。借此可将直流电压中间电路电容器CZW中的过剩能量输送回可以接收能量的电网中。
一在直流电压中间电路的母线P0、N0上连接脉冲控制电阻器，以便将直流电压中间电路电容器CZW的剩余能量转化成热量。
图2显示的是一个脉冲控制电阻器(也称为“脉冲电阻器”)的等效电路图。这种已知的脉冲电阻器由执行元件12和电阻元件14构成。执行元件12用的是相位模块8，其中，无需使用下部换流阀T8的可断半导体开关4。这个相位模块8的上部换流阀T7的实现方式与图1所示的负载侧三相换流器2的换流阀T1、T3、T5的实现方式相同。为清晰起见，等效电路图中并未详细显示脉冲电阻器的执行元件12的下部换流阀T8的可断半导体开关4。但这些可断半导体开关4有可能存在于相位模块8中，只是在执行“制动”功能时未受到控制。电阻元件14与串联数为三的下部换流阀T8并联。这个电阻元件14具有一个电阻部分16和一个电感部分18。电感部分18显示的是其寄生电感。对于高压范围而言，这种脉冲电阻器的缺点在于以下几点：
a)脉冲电阻器的馈线20和22中的电流iP和iN具有很高的电流上升率di/dt，从而引起电磁干扰辐射。
b)为了对出现在可断半导体开关4上的电压进行限制，须将馈线20和22实施为较短的低电感导线。
c)这种脉冲电阻器具有开关作用，在周期性脉冲模式下会使馈线20和22中的电流iP和iN具有较高的交流分量。
d)这种脉冲电阻器需要在尽可能近的位置上布置直流电压电容器CZW才能正常工作。也就是说，这种脉冲电阻器必须布置在直流电压中间电路电容器CZW的附近。
如果需要将脉冲控制电阻器14用作换流器2的附加性可选组件，a)和b)这两个缺点就特别难以克服。c)中所述的缺点会使串联数为三的开关换流器2的直流电压中间电路电容器CZW人的直流电压Ud的纹波含量上升。纹波含量上升后会对连接在母线P0、N0上的其他换流器的功能产生非期望的反作用。受d)中所述的缺点影响，这种脉冲电阻器无法应用于不具有直流电压中间电路电容器CZW的换流器拓扑结构。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种不具有上述缺点的脉冲电阻器。
根据本发明，这个目的通过权利要求1所述的特征而达成。
通过用至少两个两极子***来代替可断半导体开关，可将脉冲电阻器的电阻元件直接与串联子***串联。通过选择子***的数量，可对制动电流进行精细控制并确定精细程度。由于这些两极子***各自具有一个单极存储电容器，因此，本发明的脉冲电阻器就不再需要直流电压电容器。在此情况下，这个脉冲电阻器也就无需布置在负载侧换流器的直流电压中间电路电容器的附近。也就是说，本发明的脉冲电阻器可借助两根馈线(例如钢绞线)与负载侧换流器的正、负极母线相连。
通过接通和断开本发明的脉冲电阻器的子***，可对制动电流进行分级控制，也就是说，本发明的脉冲电阻器并不具有开关作用。在此情况下，脉冲电阻器的馈线中的电流不再具有较高的交流分量。
根据脉冲电阻器的一种有利实施方式，串联子***的存储电容器所采用的电容值使得存储在馈线和电阻元件的寄生电感中的能量低于存储在这些存储电容器中的能量。借此可将制动电流被切断时所产生的过压最小化。通过为存储电容器确定足够大的电容值，就可实现这一条件。
根据脉冲电阻器的另一种有利实施方式，串联子***的存储电容器所采用的电容值使得电阻元件和存储电容器所构成的时间常数小于子***的任何一个操作状态的持续时间。借此可避免串联子***的单极存储电容器上的电压在切换操作中发生不必要的波动。这个条件同样通过为存储电容器确定足够大的电容值而得到满足。
附图说明
下面借助附图和附图所示的本发明的脉冲电阻器的实施例对本发明作进一步说明，其中：
图1为现有技术中的已知电压源逆变器的负载侧换流器的等效电路图；
图2为已知的脉冲控制电阻器的等效电路图；
图3为本发明的脉冲电阻器的等效电路图；以及
图4和图5分别为子***的电路布置图。
具体实施方式
在图3所示的本发明的脉冲电阻器的等效电路图中，四个子***24和一个电阻元件14电性串联。这个示意图中的子***24的数量为示范性数量。也就是说，串联子***24的数量可以任意选择。举例而言，所用子***24的数量可以取决于对制动电流iB的精细控制的程度。这个脉冲电阻器通过馈线26和28与负载侧换流器2的母线P0和N0电性相连。对本发明的脉冲电阻器的馈线26和28并不做对图2所示的已知脉冲电阻器的馈线20和22那样的具体要求。
只需接通和断开各子***24即可实现对制动电流iB的控制，其中，全部子***24同时或依次接通或断开。在空闲状态下，当制动电流iB为零时，所有子***24均处于这样一个操作状态：无论端电流方向如何，子***24的端电压UX21的值都不为零，每个子***24均随具体的端电流方向吸收或释放能量。根据DE 101 03 031 A1，这种操作状态称为“操作状态II”。为能实现最大制动电流iBmax，将全部子***都控制在这样一个操作状态：无论端电流方向如何，子***24的端电压UX21的值都为零。根据DE 101 03 031 A1，这种操作状态称为“操作状态I”。为能实现制动电流的精细分级中间值(0＜iB＜iBmax)，只将n个子***24中的一个到n1个子***24控制在操作状态I。其余的子***24仍处于操作状态II。
DE 101 03 031 A1中所公开的对n个子***24的存储电容器40上的电压UC进行调谐的方法是将n个串联子***24中电容器电压UC最高的子***24优选转换到操作状态I。
为避免这些电容器电压UC在操作过程中发生不必要的剧烈波动，有利及有意义的做法是为每个操作状态选择相对于由欧姆电阻元件14和n个子***24的存储电容器40构成的时间常数而言较短的持续时间。如果n个子***24的存储电容器40的电容值足够大，就可实现这一点。第二种实现方式是选择足够高的操作频率。
为能将制动电流iB被切断时出现在n个子***24的存储电容器40上的过压最小化，有利的做法是使存储在馈线26、28和电阻元件14的寄生电感30和18中的能量低于存储在n个子***24的存储电容器40中的能量。这一点还是可以通过为n个子***24的存储电容器40确定足够大的电容值而实现。
图4显示的是DE 101 03 031 A1中所公开的、适用于图3所示的脉冲电阻器子***24的简单的电路布置图。图5所示的电路布置图是一种就功能而言完全等效的实施方案。这种已知的两极子***24具有两个可断半导体开关32和34、两个二极管36和38以及一个单极存储电容器40。这两个可断半导体开关32和34电性串联，这一串联电路又与存储电容器40并联。每个可断半导体开关32和34分别与两个二极管36和38中的一个并联，且其连接方式使得二极管与对应的可断半导体开关32或34反向并联。子***24的单极存储电容器40或者为一个电容器，或者为一个由多个这种电容器构成的总电容为C0的电容器组。可断半导体开关32的发射极与二极管36的阳极之间的连接点构成子***24的接线端子X1。两个可断半导体开关32和34与两个二极管36和38之间的连接点构成子***24的第二接线端子X2。
在图5所示的子***24的实施方式中，这个连接点构成第一接线端子X1。可断半导体开关34的漏极与二极管38的阴极之间的连接点构成子***24的第二接线端子X2。
当子***24处于操作状态I时，可断半导体开关32接通，可断半导体开关34断开。为能实现操作状态II，将可断半导体开关32断开，将可断半导体开关34接通。当子***24处于操作状态I时，子***24的端电压Ux21等于零，而当子***24处于操作状态II时，端电压UX21等于存储电容器40上的电容器电压UC。
通过选择图3所示的脉冲电阻器的串联子***24的数量，可以简单的方式调节本发明的脉冲电阻器使其与任意一种标准中压相匹配。通过选择图3所示的脉冲电阻器的子***24的数量，还可预先确定每个存储电容器40上的电容器电压UC。这个电容器电压UC也决定了两个可断半导体开关32和34的耐压强度。如图4和图5所示，可断半导体开关32和34用的是绝缘栅双极晶体管(IGBT)。也可使用MOS场效应晶体管(也称为“MOSFET”)。
借助本发明的脉冲电阻器可以克服前文a)至d)所述的全部缺点。除此之外，本发明的脉冲电阻器还具有以下优点：
-可对制动电流iB进行精细程度的控制，其中间级数量与串联子***24的数量相符。
-与DE 101 03 031 A1中所公开的子***的实现方式相一致。
这些特性就整体而言证明了较大的组件数量，特别是适度高压和大功率范围内的换流器的组件数量是合理的。

Claims (10)

1.一种用于适当高压和大功率范围的换流器的脉冲电阻器，所述脉冲电阻器包括至少两个两极子***(24)与一电阻元件(14)，其中，所述子***(24)与所述电阻元件(14)电性串联。
2.根据权利要求1所述的脉冲电阻器，其特征在于，
所述两极子***(24)包括两个可断半导体开关(32，34)、两个二极管(36，38)与一单极存储电容器(40)，其中，所述两个可断半导体开关(32，34)电性串联，且这一串联电路又与所述单极存储电容器(40)电性并联，每个可断半导体开关(32，34)分别与一个二极管(36，38)反向并联。
3.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的脉冲电阻器，其特征在于，
所述两极子***(24)的存储电容器(40)的电容值使得存储在馈线(26，28)和所述电阻元件(14)的寄生电感(30，18)中的能量低于存储在所述存储电容器(40)中的能量。
4.根据权利要求1或2中任一项权利要求所述的脉冲电阻器，其特征在于，
所述两极子***(24)的存储电容器(40)的电容值使得所述电阻元件(14)和所述存储电容器(40)所构成的时间常数小于操作状态的持续时间。
5.根据权利要求2所述的脉冲电阻器，其特征在于，
每个子***(24)的接线端子(X1，X2)均与所述串联的可断半导体开关(32，34)中的下部可断半导体开关(32)的接头电性相连。
6.根据权利要求2所述的脉冲电阻器，其特征在于，
每个子***(24)的接线端子(X1，X2)均与所述串联的可断半导体开关(32，34)中的上部可断半导体开关(34)的接头电性相连。
7.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的脉冲电阻器，其特征在于，
所述可断半导体开关(32，34)为绝缘栅双极晶体管。
8.根据权利要求1至6中任一项权利要求所述的脉冲电阻器，其特征在于，
所述可断半导体开关(32，34)为MOS场效应晶体管。
9.根据权利要求1至6中任一项权利要求所述的脉冲电阻器，其特征在于，
所述可断半导体开关(32，34)为门极可关断晶闸管。
10.根据权利要求1至6中任一项权利要求所述的脉冲电阻器，其特征在于，
所述可断半导体开关(32，34)为集成门极换流晶闸管。
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