帶有分布式儲能器的變流電路的製作方法

2023-07-22 04:13:36 1

專利名稱：帶有分布式儲能器的變流電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種權利要求1前序部分所述的變流電路。
技術背景DE 101 03 031 Al中公開過這種類型的變流電路，圖l對這種變流電路 的等效電路圖進行了詳細圖示。如這個等效電路圖所示，這種已知的變流電 路具有三個都用IOO表示的相位模塊。這些相位模塊100的直流電壓端分別 與正、負極直流電壓母線P。和N。導電相連。這兩根直流電壓母線P。和N。之 間存在一個未標註參考符號的直流電壓。每個相位^^莫塊100均具有一個上部 變流閥Tl、 T3、 T5和一個下部變流閥T2、 T4、 T6。這些變流閥Tl至T6中 的任何一個都具有一定數量的彼此串聯的兩極子系統11 。這個等效電路圖對 其中的四個子系統11進行了圖示。也可用兩極子系統12 (圖3)代替兩極 子系統ll (圖2)。每個相位模塊100的兩個變流閥Tl和T2、 T3和T4、 T5 和T6之間的連接點構成這個相位模塊100的交流電壓端接點Ll、 L2、 L3。 由於這個示意圖中的變流電路具有三個相位模塊100,因而可在這些相位模 塊的交流電壓端接點L1、 L2和L3(又稱"負載端子")上連接三相負載，例 力口工片目《;;危電動才;L。圖2對兩極子系統11的已知實施方式的等效電路圖進行了詳細圖示。 圖3所示的電路布置圖是一種就功能而言完全等效的實施方案，同樣也是DE 101 03 031 Al中所公開的實施方案。這些已知的兩極子系統11和12分別 具有兩個可斷半導體開關1和3、 5和7,兩個二才及管2和4、 6和8以及一 個單極存儲電容器9、 10。兩個可斷半導體開關1和3、 5和7彼此串聯，這電容器9、 10並聯。每個可斷半導體開關1和3、 5和7 分別與兩個二極體2和4、 6和8中的一個並聯，且其連接方式使得二極體 與對應的可斷半導體開關1、 3、 5或7反向並聯。子系統ll、 12的單極存 儲電容器9或者由一個電容器構成，或者由多個這種電容器構成的一個總電 容為C。的電容器組構成。可斷半導體開關1、 5的發射極與二極體2、 6的陽 極之間的連接點構成子系統11、 12的接線端子X1。兩個可斷半導體開關1 和3與兩個二極體2和4之間的連接點構成子系統11的第二接線端子X2。 可斷半導體開關5的集電極端子與二極體6的陰極之間的連接點構成子系統 12的第二接線端子X2。在附圖所示的兩個子系統11和12的實施方式中，可斷半導體開關1和 3用的都是如圖2和圖3所示的絕緣柵雙極電晶體(IGBT)。也可使用M0S 場效應電晶體(也稱為"M0SFET，，)。此外還可將門極可關斷晶閘管(又稱"GT0 晶閘管")或集成門極換向晶閘管(IGCT)用作可斷半導體開關1和3。根據DE 101 03 031 Al所述，可將圖1所示的變流電路的任何一個相 位模塊100的子系統11、 12控制在操:作狀態I和II。當子系統ll、 12處於 操作狀態I時，可斷半導體開關l、 5接通，可斷半導體開關3、 7斷開。在 此情況下，子系統ll、 12的接線端子X2和X1間的端電壓IU等於零。當子 系統ll、 12處於操作狀態II時，可斷半導體開關l、 5斷開，可斷半導體開 關3、 7接通。在此情況下，子系統ll、 12的接線端子X2和X1間的端電壓 lU等於存儲電容器9、 10上的電容器電壓Uc。如圖1中的變流電路的等效電路圖所示，這種變流電路的每個相位模塊 100均具有八個兩極子系統11、 12，每四個兩極子系統構成一個變流閥，分 別為Tl、 T2，或T3、 T4,或T5、 T6，這些兩極子系統通過其接線端子XI 和X2彼此串聯。串聯兩極子系統ll、 12的數量一方面與兩個直流電壓母線 P。和N。之間的直流電壓有關，另一方面與所用的可斷半導體開關1、 3、 5和 7有關。此外，交流電壓端接點L1、 L2、 L3上的正弦交流電壓與正弦曲線的相符度，也對兩極子系統的數量具有一定影響。為了建構和使用如圖l所示的變流電路，需要用適當的電路對每個兩極子系統ll、 12的可斷半導體開關1和3、 5和7進行控制，以及檢測兩極子 系統ll、 12的各種測量值(例如存儲電容器9、 10上各自的電容器電壓Uc), 並將其傳輸給上級變流器控制裝置。為此，每個兩極子系統11、 12均具有 一個電子設備，為清晰起見，顯示子系統11和12的圖2和圖3並未對這個 電子設備進行詳細圖示。這個電子設備(下稱"電子模塊")承擔以下任務—與上級變流器控制裝置之間的雙向通訊_檢測各種測量值和狀態信號或故障信號—控制可斷半導體開關1和3、 5和7一對所有接收到的和發出的信號進行處理。此外，如果兩極子系統11、 12的電子模塊進行工作所需的能量直接輸 出自這個兩極子系統的存儲電容器9、 10,這是有利的，但並不是必須採取 這種做法。如果在每個兩極子系統11、 12的電子;f莫塊和上級變流器控制裝 置之間設置兩個用於傳輸數據的光波導，就可實現電子模塊的零電位工作模 式。每個兩極子系統11、 12的電子模塊的基準電位通常與兩極子系統的單 極存儲電容器9、 IO的負極相連。在為變流電路的相位模塊使用多個彼此串聯的兩極子系統11、 12的情 況下，子系統ll、 12通常採用同一種實施方式。也就是iJL,圖1所示的變 流電路相位模塊100中的子系統或者採用圖2所示的實施方式，或者採用圖 3所示的實施方式。在圖1所示的三相變流電路中，須在上級變流器控制裝 置和二十四個兩極子系統11、 12之間布置四十八個光波導。如果每個變流系統T1.....T6都多使用一個兩極子系統11、 12，就需要多布置十二個光波導。為了減少這方面的投入，就須減少每個變流閥T1.....T6中的電子模塊的數量。舉例而言，通過下述方式可以實現這種精簡，即將兩個兩極子系統11、 12整合成一個子系統模塊，再將兩個電子模塊整合成一個電子模塊。在為至少兩個整合成一個子系統模塊的兩極子系統11、 12使用一個電子模塊的情況下，會產生如何為這個電子模塊提供能量的問題。如果僅從至少兩個整合成一個子系統模塊的兩極子系統11、 12的一個單極存儲電容器 輸出電子模塊所需的能量，這種能量供應就是不對稱的。其結果是，同樣增 加了在對整合在一起的子系統11、 12的可斷半導體開關1和3、 5和7進行 控制以及在對電容器電壓Uc進行;險測時進行電位分離的開銷，此外還需進行 非常不利的不對稱電壓分配。通過將至少兩個兩極子系統11、 12整合成一個子系統模塊，可將所用 光波導的數量減半，但同時也須進行開銷更高的電位分離和不對稱的能量供 應。在此情況下，每兩個結構簡單的子系統被一個結構更為複雜的子系統模 塊所代替。發明內容因此，本發明的目的是提供一種用於變流電路的兩極子系統，藉助於這 種兩極子系統不僅可以避免上述缺點，還可降低這樣一種變流電路的建構難 度。根據本發明，這個目的通過權利要求1至4所述的特徵而達成。 根據本發明，如果將四個帶有反向並聯二極體的可斷半導體開關與兩個 單極電容器相連，就可用同一個電子模塊對這些可斷半導體開關進行控制以 及對電容器電壓進行檢測，而無需進行開銷更高的電位分離。此外還可進行 對稱的能量輸出。本發明的這種子系統對外具有兩個接線端子和兩個用於連 接兩個光波導的端子。因此，本發明的子系統就連接技術而言相當於一個已 知子系統。可以通過對這個子系統進行控制而使其兩個接線端子間產生一個 端電壓，這個端電壓具有四個位勢級，而不是像傳統子系統的端電壓那樣只 能達到兩個位勢級。在此情況下，只需使用已知的變流電路實施方式中的一 半子系統數量就可實現一種適用於預定高壓的變流電路，其中，所需光波導的H量也相應減半。


下面藉助附圖和附圖所示的本發明的兩極子系統的多種實施方式對本發明作進一步說明，其中圖1為已知的帶有分布式儲能器的變流電路的等效電路圖；圖2和圖3分別為已知的兩極子系統的第一和第二實施方式的等效電路圖的詳細圖示；圖4為本發明的兩極子系統的第一實施方式的等效電路圖； 圖5為本發明的兩極子系統的第二實施方式的等效電路圖； 圖6為本發明的兩極子系統的第三賣施方式的等效電路圖；以及 圖7為本發明的兩極子系統的第四實施方式的等效電路圖。
具體實施方式
圖4對本發明的子系統14的第一實施方式的等效電路圖進行了詳細圖 示。本發明的這種兩極子系統14具有四個可斷半導體開關21、 23、 25和27, 四個二極體22、 24、 26和28,兩個單極電容器29和30以及一個電子i殳備 32(下稱"電子模塊32")。四個可斷半導體開關21、 23、 25和27彼此串聯。 每個可斷半導體開關21、 23、 25和27分別與一個二極體22、 24、 26和28 反向並聯。每兩個可斷半導體開關21和23、 25和27分別與一個單極電容 器29、 30並聯。這個子系統14的單極電容器29、 30或者由一個電容器構 成，或者由多個這種電容器構成的一個總電容為C。的電容器組構成。兩個可 斷半導體開關21和23與兩個二極體22和24之間的連接點構成子系統14 的第二接線端子X2。兩個可斷半導體開關25和27與兩個二極體26和28 之間的連接點構成子系統14的第一接線端子Xl。可斷半導體開關23的發射 極、可斷半導體開關25的集電極、二極體24的陽極、二極體26的陰極、 單極電容器29的負極端子與單極電容器30的正極端子之間的連接點構成一 個公共電位P。，這個公共電位與電子模塊32的基準電位端子M導電相連。9這個電子模塊32與一個此處未詳細圖示的上級變流器控制裝置之間存在可
以傳輸信號的連接，這種連接通過兩個光波導34和36而實現。公共電位P。 用作電子模塊32的基準電位。原則上基準電位應該選擇不會對可斷半導體 開關21、 23、 25和27的驅動模塊或這些可斷半導體開關21、 23、 25和27
的模塊外殼的驅動模塊產生過高電壓應力的電位。
本發明的這種子系統14可在四種操作狀態I 、 II、 ni和iv之間轉換。 當子系統14處於操作狀態I時，可斷半導體開關21和25接通，可斷半導 體開關23和27斷開。在此情況下，子系統14的接線端子X2和XI間的端 電壓U^等於電容器29上的電容器電壓Uc。當子系統14處於操作狀態II時， 可斷半導體開關21和27接通，而可斷半導體開關23和25斷開。在此情況 下，子系統14的端電壓Un,相當於單極電容器29和30上的電容器電壓Uc 的總和。當子系統14處於操作狀態III時，可斷半導體開關23和25接通， 可斷半導體開關21和27斷開。在此情況下，子系統14的端電壓Um等於零。 當子系統14處於操作狀態IV時，可斷半導體開關23和27接通，而可斷半 導體開關21和25斷開。在此情況下，子系統14的端電壓Um從位勢級"零" 轉換到單極電容器30上的位勢級"電容器電壓Ue"。當子系統14處於操作 狀態I或IV時，儲能器29或30根據具體的端電流方向吸收或釋放能量。當 子系統14處於操作狀態II時，電容器29和30根據具體的端電流方向吸收 或釋放能量。當子系統14處於搡作狀態m ("零")時，電容器29和30中 的能量保持恆定不變。因此，就功能方面而言，本發明的這種子系統14相 當於已知子系統11與已知子系統12的串聯連接。但本發明的子系統14並 不具有這種串聯連接的缺點。
此外，在兩個已知子系統11和12彼此串聯的情況下，每個子系統11 和12均具有一個自有基準電位和一個自有電子模塊。如果只需使用其中一 個電子模塊，並且只需從一個相應的電容器中輸出這個電子模塊所需的能 量，這種能量輸出就會不對稱，還會引起不對稱的電壓分配。除此之外，在控制可斷半導體開關和檢測電容器電壓時還須進行更大開銷的電位分離。而 本發明的兩極子系統14中則不會出現這些缺點。
圖5顯示的是本發明的兩極子系統16的第二實施方式的等效電路圖。 這個子系統16與圖4所示的子系統14之間的區別在於，四個可斷半導體開 關21和23、 25和27隻是兩兩串聯。與子系統14一樣，每個可斷半導體開 關21、 23、 25和27分別與一個二極體22、 24、 26和28反向並聯。每兩個 彼此串聯的可斷半導體開關又分別與一個單極電容器29、 30並聯。可斷半 導體開關23的發射極、二極體24的陽極與單極電容器29的負極端子之間 的連接點與兩個彼此串聯的可斷半導體開關25和27之間的連接點導電相 連。這一連接點構成一個公共電位P。，這個公共電位與電子模塊32的基準 電位端子M導電相連。此外，可斷半導體開關27的發射極、二極體28的陽 極與單極電容器30的負極端子之間的連接點構成子系統16的接線端子XI。 因此，就功能方面而言，子系統16的這種實施方式相當於兩個彼此串聯的 已知子系統11。除了將電容器29的負極端子用作電子模塊32的基準電位夕卜， 也可將其他的端子用作基準電位。原則上，此處的基準電位也應選擇不會對 可斷半導體開關21、 23、 25和27或它們的模塊外殼的驅動模塊產生過高電 壓應力的電4立。
本發明的兩極子系統18的第三實施方式與圖5所示的子系統16相同， 四個可斷半導體開關21和23、 25和27也是兩兩串聯。與子系統16不同的 是，兩個彼此串聯的可斷半導體開關21和23之間的連接點與可斷半導體開 關25的集電極、二極體26的陰極和電容器30的正極端子之間的連接點導 電相連。兩個彼此串聯的可斷半導體開關25和27之間的連接點構成子系統 18的第一接線端子XI，可斷半導體開關21的集電極、二極體22的陰極和 電容器29的正極端子之間的連接點則構成子系統18的第二接線端子X2。與 子系統16 —樣，此處也是將單極電容器29的負極端子設置為子系統18的 電子模塊32的基準電位。就功能方面而言，子系統18相當於兩個已知子系統12的串聯連接。
在圖7所示的兩極子系統20的等效電路圖中，四個可斷半導體開關21 和23、 25和27同樣是兩兩串聯，其中，每個可斷半導體開關21、…、27 分別與一個二極體22、 24、 26和28反向並聯。每兩個彼此串聯的可斷半導 體開關21和23、 25和27分別與一個電容器29、 30並聯。兩個彼此串聯的 可斷半導體開關21和23之間的連接點與兩個彼此串聯的可斷半導體開關25 和27之間的連接點導電相連。可斷半導體開關21的集電極、二極體22的 陰極和電容器29的正極端子之間的連接點則構成子系統20的第二接線端子 X2。可斷半導體開關27的發射極、二極體28的陽極與電容器30的負極端 子之間的連接點構成子系統20的第一接線端子X1。就功能方面而言，子系 統20相當於已知子系統12與已知子系統11的串聯連接。
通過用本發明所提供的方法對驅動和能源技術領域內的高壓變流電路 的子系統14、 16、 18和20進行上述建構，可將已知的由多個串聯子系統構 成的高壓變流電路與上級變流器控制裝置之間的光波導的數量減半。可對每 個子系統進行控制，使其接線端子X2、 XI間存在一個可達到四種不同位勢 級的端電壓U^。就傳統子系統11和12而言，只有將兩個子系統11和12、 12和12、 11和11或者12和11串聯，才能實現這種端電壓UX21。與兩個已 知子系統11和12的單純串聯(兩個已知子系統11和12布置在一個模塊中) 相比，本發明的子系統14、 16、 18或20隻需要一個電子模塊32，此外，還 可以用電容器29和30為這個電子模塊進行對稱的能量供應。在此情況下， 就節省了在控制和在檢測電容器電壓Uc時進行電位分離所帶來的額外開銷。
權利要求
1.一種具有至少一個相位模塊(100)的變流電路，所述相位模塊(100)具有上部和下部變流閥(T1，...，T6)，其中，每個變流閥(T1，...，T6)均具有至少一個兩極子系統，其特徵在於，每個兩極子系統(14)均具有四個可斷半導體開關(21，23，25，27)、四個二極體(22，24，26，28)、兩個單極存儲電容器(29，30)和一個電子設備(32)，每個可斷半導體開關(21，23，25，27)分別與一個二極體(22，24，26，28)反向並聯，所述四個可斷半導體開關(21，23，25，27)彼此串聯，所述兩個單極存儲電容器(29，30)彼此串聯，並且，由所述單極存儲電容器構成的串聯連接與所述可斷半導體開關(21，23，25，27)構成的串聯連接並聯，每兩個可斷半導體開關(21，23，25，27)之間的連接點構成所述兩極子系統(14)的一個接線端子(X2，X1)，所述兩個串聯存儲電容器(29，30)之間的連接點與所述電子設備(32)的基準電位端子(M)導電相連。
2. —種具有至少一個相位模塊(100)的變流電路，所述相位模塊(IOO) 具有上部和下部變流閥(T1, T6),其中，每個變流閥(Tl， ...， T6) 均具有至少 一 個兩極子系統，其特徵在於，每個兩極子系統(16)均具有四個可斷半導體開關(21, 23, 25, 27 )、 四個二極體(22, 24, 26， 28)、兩個單極存儲電容器(29, 30 )和一個電 子設備(32),每個可斷半導體開關(21， 23， 25， 27)分別與一個二極體 (22, 24, 26， 28)反向並聯，每兩個可斷半導體開關(21, 23, 25, 27 ) 彼此串聯，每個由所述可斷半導體開關構成的串聯連接分別與一個單極存儲 電容器(29， 30)並聯，構成第一串聯連接的兩個可斷半導體開關(21， 23) 之間的連接點構成所述兩極子系統(16)的一個接線端子(X2)，構成第二串聯連接的兩個可斷半導體開關(25， 27)中的第二可斷半導體開關(27) 的發射極構成所述兩極子系統(16)的另一接線端子(XI )，構成第二串聯 連接的兩個可斷半導體開關(25， 27)之間的連接點與構成第一串聯連接的 兩個可斷半導體開關(21, 23)中的第二可斷半導體開關(23)的發射極導 電相連，這個連接點與所述電子設備(32)的基準電位端子(M)導電相連。
3. —種具有至少一個相位模塊(100)的變流開關，所述相位模塊(IOO) 具有上部和下部變流閥(Tl， ...， T6)，其中，每個變流閥(T1, T6) 均具有至少一個兩極子系統，其特徵在於，每個兩極子系統(18)均具有四個可斷半導體開關(21， 23， 25, 27 )、 四個二極體(22, 24， 26， 28)、兩個單極存儲電容器(29, 30 )和一個電 子設備(32)，每個可斷半導體開關(21, 23， 25, 27 )分別與一個二極體 (22, 24, 26, 28 )並聯，每兩個可斷半導體開關(21， 23， 25, 27 )彼此 串聯，每個由所述可斷半導體開關構成的串聯連接分別與一個單極存儲電容 器(29， 30)並聯，構成第二串聯連接的兩個可斷半導體開關(25, 27 )之 間的連接點構成所述兩極子系統(18)的一個接線端子(XI),構成第一串 聯連接的兩個可斷半導體開關(21, 23)中的第一可斷半導體開關(21)的 集電極構成所述兩極子系統(18)的另一接線端子(X2)，構成第一串聯連 接的兩個可斷半導體開關(21, 23)之間的連接點與構成第二串聯連接的兩 個可斷半導體開關(25， 27)中的第一可斷半導體開關(")的集電極導電 相連，這個連接點與所述電子設備(32)的基準電位端子(M)導電相連。
4. 一種具有至少一個相位模塊(100)的變流電路，所述相位模塊(IOO) 具有上部和下部變流閥(T1, T6)，其中，每個變流閥(Tl， ...， T6) 均具有至少一個兩極子系統，其特徵在於，每個兩極子系統(20)均具有四個可斷半導體開關(n, 23, 25， 27)、四個二極體(22， 24, 26， 28)、兩個單極存儲電容器(29, 30 )和一個電 子設備(32),每個可斷半導體開關(21, 23， 25, 27 )分別與一個二極體 (22, 24, 26, 28 )反向並聯，每兩個可斷半導體開關(21， 23, 25, 27 ) 彼此串聯，每個由所述可斷半導體開關構成的串聯連接分別與一個單極存儲 電容器(29, 30 )並聯，每個串聯連接中的兩個可斷半導體開關(21, 23， 25， 27 )之間的連接點彼此相連，第一串聯連接中的第一可斷半導體開關(21) 的集電極和第二串聯連接中的第二可斷半導體開關(27)的發射極分別構成 所述兩極子系統(20)的一個接線端子(X2, XI),所述電子設備(32)的 基準電位端子(M)與所述第一串聯連接中的第二可斷半導體開關(23)的 發射極導電相連。
5. 根據上述權利要求中任一項權利要求所述的變流電路，其特徵在於， 設置有用作可斷半導體開關(21， 23, 25， 27)的絕緣柵雙極電晶體。
6. 根據權利要求1至4中任一項權利要求所述的變流電路，其特徵在於，設置有用作可斷半導體開關(21, 23, 25, 27 )的MOS場效應電晶體。
7. 根據權利要求1至4中任一項權利要求所述的變流電路，其特徵在於，設置有用作可斷半導體開關(21， 23， 25, 27 )的門極可關斷晶閘管。
8. 根據權利要求1至4中任一項權利要求所述的變流電路，其特徵在於，設置有用作可斷半導體開關(21, 23， 25， 27)的集成門極換向晶閘管。
全文摘要
本發明涉及一種具有至少一個相位模塊(100)的變流電路，所述相位模塊(100)具有上部和下部變流閥(T1，...，T6)，其中，每個變流閥(T1，...，T6)均具有至少一個兩極子系統。根據本發明，每個兩極子系統(14)均具有四個可斷半導體開關(21，23，25，27)、四個二極體(22，24，26，28)、兩個單極存儲電容器(29，30)和一個電子設備(32)，其中，所述四個可斷半導體開關(21，23，25，27)彼此串聯，且分別與一個二極體(22，24，26，28)反向並聯，所述兩個單極存儲電容器(29，30)彼此串聯，且與所述半導體開關(21，23，25，27)所構成的串聯連接並聯，所述電子設備(32)的基準電位端子(M)與一個公共電位(P0)導電相連。藉此可實現一個子系統(14)，所述子系統(14)的接線端子(X2，X1)上可產生一個具有四個位勢級的端電壓(UX21)，這個子系統中只需布置一個電子設備(32)，且對該電子設備(32)的供能為對稱方式，此外，所述子系統(14)也無需進行複雜度更高的電位分離。
文檔編號H02M5/45GK101253675SQ200680031666
公開日2008年8月27日 申請日期2006年8月2日 優先權日2005年8月30日
發明者馬克·希勒 申請人:西門子公司