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具有以線(xiàn)性運(yùn)行方式運(yùn)行的子模塊的模塊化的換流器電路的制作方法

文檔序號(hào):11892101閱讀:294來(lái)源:國(guó)知局
具有以線(xiàn)性運(yùn)行方式運(yùn)行的子模塊的模塊化的換流器電路的制作方法與工藝

本發(fā)明公開(kāi)了一種換流器電路,具有:

-直流電壓接口;

-至少一個(gè)交流電壓側(cè)的接口;和

-至少一個(gè)相模塊,

其中,相模塊具有上換流器閥和下?lián)Q流器閥的串聯(lián)電路,

其中,上換流器閥和下?lián)Q流器閥之間的電連接表現(xiàn)為交流電壓側(cè)的接口,

其中,相模塊的接口與直流電壓接口電連接,

其中,上換流器閥和下?lián)Q流器閥分別具有至少兩個(gè)電串聯(lián)布置的子模塊,

其中,子模塊具有至少一個(gè)電容器和至少一個(gè)功率半導(dǎo)體。



背景技術(shù):

應(yīng)用換流器以便在電壓高度、電流高度、頻率和相位方面轉(zhuǎn)換電功率。用于將交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓或者將交流電流轉(zhuǎn)換為直流電流的換流器也被稱(chēng)為整流器。與此相對(duì),用于將直流電壓轉(zhuǎn)換為交流電壓或者將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的換流器被稱(chēng)為逆變器。用于將具有一種頻率的電壓/電流的功率轉(zhuǎn)換成另一種頻率的換流器也被稱(chēng)為變流(頻)器。

采用換流器,以便適當(dāng)?shù)貫殡姍C(jī)器和發(fā)動(dòng)機(jī)提供電能。由此能通過(guò)換流器控制和調(diào)節(jié)這些電機(jī)器和發(fā)動(dòng)機(jī)。另一個(gè)應(yīng)用在于控制能量流、平衡諧波和提供能量供應(yīng)網(wǎng)中的無(wú)功功率。此外,換流器借助于高壓直流傳輸參與能量的低損傳輸。

在換流器的交流電壓側(cè)的輸出電壓的描述中,區(qū)分施加在換流器的各個(gè)交流電壓側(cè)的輸出端之間的線(xiàn)間電壓、在輸出端和參考電勢(shì)之間的也被稱(chēng)為線(xiàn)電壓的電壓和零序系統(tǒng)。通過(guò)將線(xiàn)電壓相加并且除以導(dǎo)線(xiàn)的數(shù)量來(lái)構(gòu)成零序系統(tǒng)。零序系統(tǒng)的電壓在此不對(duì)線(xiàn)間電壓產(chǎn)生影響。

在功率電子的基礎(chǔ)上能夠借助于換流器在兩種方式的基礎(chǔ)上生成周期的交流電壓:

-脈沖頻率的切換(脈寬調(diào)制)

-線(xiàn)性的設(shè)定/調(diào)整。

在脈沖頻率的切換中控制頻率明顯高于輸出端電壓的頻率的任意拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的半導(dǎo)體。電壓形狀經(jīng)由變化的脈沖寬度影響。上游的能量存儲(chǔ)器使得電流和電壓平整。除了所期望的電壓之外,還剩有對(duì)輸出端參量的高頻干擾,其能通過(guò)相應(yīng)高的濾波器消耗來(lái)減少,然而大多不能完全地排除。為了得到具有高質(zhì)量的輸出端電壓,必須以最大的可能的脈沖頻率切換。輸出端側(cè)的能量存儲(chǔ)器和濾波器必須足夠大地確定尺寸。兩者都顯著減少了系統(tǒng)的總效率并且?guī)?lái)高成本。

利用線(xiàn)性的調(diào)節(jié)器能夠通過(guò)適當(dāng)?shù)拇蜷_(kāi)和減少半導(dǎo)體閥在沒(méi)有高頻干擾的情況下設(shè)定任意的輸出電壓形式。在此,在半導(dǎo)體中在DC電壓和交流電壓之間的電壓差完全地轉(zhuǎn)換為熱量。根據(jù)調(diào)整程度和曲線(xiàn)形狀,在半導(dǎo)體中轉(zhuǎn)化了比向外發(fā)送的電能更多的熱能。更小的調(diào)整程度進(jìn)一步減小了效率。因此,線(xiàn)性的調(diào)節(jié)器在能量技術(shù)中由于其非常高的損失僅非常罕見(jiàn)地采用。由于對(duì)冷卻的高要求,僅能合理地實(shí)現(xiàn)具有相對(duì)較小的功率的應(yīng)用。

此外,從DE 101 03 031 Al中公開(kāi)了一種模塊化的多級(jí)換流器。在該結(jié)構(gòu)中,已經(jīng)能夠生成具有較小的諧波的輸出電壓,因?yàn)槔媚K化的多級(jí)換流器生成的輸出電壓表現(xiàn)為梯形。用于清理諧波的濾波器能夠在該換流器中特別小地且低消耗地實(shí)現(xiàn)。



技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:

本發(fā)明的目的在于,給出一種低成本的并且可靠的模塊化的多級(jí)換流器,其輸出電壓能夠設(shè)定正弦曲線(xiàn)而不包括干擾的諧波。

該目的通過(guò)換流器電路由此實(shí)現(xiàn),即至少一個(gè)換流器閥具有適用于線(xiàn)性運(yùn)行的子模塊,并且換流器電路具有驅(qū)控組件,其能夠?qū)崿F(xiàn)適用于線(xiàn)性運(yùn)行的子模塊的線(xiàn)性運(yùn)行。

本發(fā)明的認(rèn)知在于,在交流電壓側(cè)的輸出電壓中的諧波能由此減少,即至少一個(gè)子模塊適用于線(xiàn)性運(yùn)行。通過(guò)該運(yùn)行方式能夠連續(xù)地改變?cè)撘粋€(gè)子模塊的電壓,從而在輸出電壓中并不導(dǎo)致產(chǎn)生跳躍。因此,在輸出端能生成任意連續(xù)的電壓曲線(xiàn)。在此,生成作為換流器的輸出電壓的正弦曲線(xiàn)是特別有利的。因?yàn)檩敵鲭妷褐械奶S造成了輸出電壓中的諧波,所以能夠利用輸出電壓的連續(xù)改變避免諧波。所提出的是,至少一個(gè)相模塊的至少一個(gè)子模塊以線(xiàn)性運(yùn)行方式運(yùn)行。因此,在n個(gè)串聯(lián)布置的子模塊的情況下由于脈沖頻率的切換得出具有較小損失的n-1個(gè)子模塊。僅一個(gè)模塊以較大的損失運(yùn)行。然而,因?yàn)樵谄渖蟽H施加中間回路電壓的一部分,所以該模塊也僅造成損失的一部分,其由于迄今為止已知的線(xiàn)性的調(diào)節(jié)器引起。因此,調(diào)節(jié)器由于明顯較小的冷卻要求能更簡(jiǎn)單地制造以及運(yùn)行。因?yàn)檩^小的損失,也能夠?qū)崿F(xiàn)具有較大功率的換流器,它們?cè)诮涣麟妷簜?cè)的輸出端上提供純正弦形狀的輸出電壓。

與已知的線(xiàn)性調(diào)節(jié)器相比,該換流器電路已經(jīng)由于其串聯(lián)布置的子模塊的數(shù)量而已經(jīng)具有了高效率。

通過(guò)半導(dǎo)體在切換和線(xiàn)性運(yùn)行中的組合使用,得出了將電壓或電流高效率地從相同數(shù)量變形為任意幅度、頻率和形狀的理想的周期的交流參量。通過(guò)大量的串聯(lián)的子模塊,每半導(dǎo)體的斷流容量在采用每個(gè)相模塊n個(gè)子模塊時(shí)比在常規(guī)的2點(diǎn)逆變器的情況下小了n倍,由此使線(xiàn)性運(yùn)行中的損失功率減小為<1/n倍。在相應(yīng)的設(shè)計(jì)中子模塊的較低的電壓能夠?qū)崿F(xiàn)在沒(méi)有前置變換器的情況下從該子模塊中直接供給子模塊的控制電子設(shè)備。

因此,換流器電路也特別的適用于測(cè)量和檢查目的,因?yàn)槠淠軌蚓_地生成需要的電壓曲線(xiàn)。

在一個(gè)有利的設(shè)計(jì)方式中,換流器電路具有多個(gè)相模塊,其以并聯(lián)電路形式相互布置。利用這樣的布置也能夠使多相的、特別是三相的部件與交流電壓側(cè)的負(fù)載接口連接。因此,也能夠借助于根據(jù)本發(fā)明的換流器電路為這些多相的部件提供正弦形的輸出電壓。

在另一個(gè)有利的設(shè)計(jì)方式中,每個(gè)相模塊都具有至少一個(gè)適用于線(xiàn)性運(yùn)行的子模塊。該設(shè)計(jì)方式的優(yōu)點(diǎn)在于,所有的交流電壓側(cè)的接口的輸出電壓能夠這樣利用位于線(xiàn)性運(yùn)行中的子模塊影響,即能在交流電壓側(cè)的接口上實(shí)現(xiàn)輸出電壓的任意連續(xù)的時(shí)間曲線(xiàn)、特別是正弦曲線(xiàn)。這意味著,正弦曲線(xiàn)的諧波分量等于或近似于零。

在另一個(gè)有利的設(shè)計(jì)方式中,每個(gè)上換流器閥和每個(gè)下?lián)Q流器閥都具有至少一個(gè)適用于線(xiàn)性運(yùn)行的子模塊。該布置的優(yōu)點(diǎn)在于,建立中間回路的正和負(fù)電勢(shì)之間的對(duì)稱(chēng)。除了提供輸出電壓的連續(xù)的時(shí)間曲線(xiàn)之外,這還能夠?qū)崿F(xiàn)回路電流的較簡(jiǎn)單的調(diào)整,該回路電流能夠用于各個(gè)子模塊的電容器電壓的對(duì)稱(chēng)。此外,能通過(guò)該布置更輕易地影響交流電壓側(cè)的輸出電壓的零序系統(tǒng)。由此能夠避免或至少顯著減少負(fù)面的影響、例如在發(fā)動(dòng)機(jī)情況下的軸承電流。

在另一個(gè)有利的設(shè)計(jì)方式中,適用于線(xiàn)性運(yùn)行的子模塊和其余的子模塊具有帶有相同的電壓截止能力的功率半導(dǎo)體。該適用于線(xiàn)性運(yùn)行的子模塊能特別簡(jiǎn)單地制造。由于相同的電壓截止能力,能夠在所有的子模塊中應(yīng)用相同的器件。該屬性提高了換流器中的直流分量的數(shù)量,從而使換流器能簡(jiǎn)單和低成本地制造。

在另一個(gè)有利的設(shè)計(jì)方式中,換流器電路具有調(diào)整裝置,其與驅(qū)控組件電連接,其中,能為調(diào)整裝置預(yù)設(shè)用于在交流電壓側(cè)的接口和參考電勢(shì)之間的電壓的額定值,并且其中,換流器電路能這樣運(yùn)行,即在交流電壓側(cè)的接口和參考電勢(shì)之間的電壓與額定值相符。在此,并不僅僅在時(shí)間上的中間達(dá)到該額定值,如其在脈沖寬度調(diào)制(PWM)的電壓中是可能的那樣。在每個(gè)時(shí)間點(diǎn)都達(dá)到該額定值。然而,基于在受控系統(tǒng)中的信號(hào)運(yùn)行時(shí)間和回復(fù)時(shí)間,估計(jì)與額定值相符的輸出電壓的額定值預(yù)設(shè)和實(shí)現(xiàn)之間的微小的時(shí)間延遲。因此,能夠?yàn)閾Q流器電路的調(diào)整預(yù)設(shè)任意的時(shí)間曲線(xiàn),其由換流器電路產(chǎn)生作為相對(duì)于參考電勢(shì)在交流電壓側(cè)的接口上的電壓。

在另一個(gè)有利的設(shè)計(jì)方式中,換流器電路具有調(diào)整裝置,其與驅(qū)控組件電連接,其中,能為調(diào)整裝置預(yù)設(shè)用于在兩個(gè)交流電壓側(cè)的接口之間的電壓的額定值,并且其中,換流器電路能這樣運(yùn)行,即在兩個(gè)交流電壓側(cè)的接口之間的電壓與額定值相符。該實(shí)施例原則上對(duì)應(yīng)前述的實(shí)施例,然而其中,該調(diào)整不針對(duì)交流電壓側(cè)的接口和參考電勢(shì)之間的電壓,而是針對(duì)兩個(gè)交流電壓側(cè)的接口之間的電壓。

在另一個(gè)有利的設(shè)計(jì)方式中,兩個(gè)交流電壓側(cè)的接口之間的電壓或交流電壓側(cè)的接口和參考電勢(shì)之間的電壓能作為正弦曲線(xiàn)地生成。特別有利的是,正弦曲線(xiàn)對(duì)于很多應(yīng)用都是需要的,并且在過(guò)去必須通過(guò)或多或少的耗費(fèi)成本的和高花費(fèi)的濾波器電路實(shí)現(xiàn)?,F(xiàn)在能夠放棄該濾波器電路。在例如連接在能量供應(yīng)網(wǎng)上的情況下,由于換流器電路的輸出電壓的良好的正弦形曲線(xiàn),并不出現(xiàn)高頻干擾的電流。正如連接在換流器電路上的負(fù)載中的那樣。它們也部分地相對(duì)于諧波敏感,利用根據(jù)本發(fā)明的換流器電路并不出現(xiàn)這些諧波。

對(duì)此,換流器電路也特別地適用的是,其用于測(cè)量和檢查目的,因?yàn)槠淠軌蚓_地生成需要的電壓曲線(xiàn)。

在另一個(gè)有利的設(shè)計(jì)方式中,適用于線(xiàn)性運(yùn)行的子模塊的功率半導(dǎo)體具有場(chǎng)效應(yīng)晶體管、特別是MOSFET。其特別地如下優(yōu)化用于實(shí)現(xiàn)線(xiàn)性運(yùn)行。特別地,適用于線(xiàn)性運(yùn)行的子模塊能利用其半導(dǎo)體元件簡(jiǎn)單、成本低和可靠地實(shí)現(xiàn)。

附圖說(shuō)明

接下來(lái)根據(jù)附圖示出的實(shí)施例詳細(xì)描述和闡述本發(fā)明。在此示出:

圖1是根據(jù)本發(fā)明的換流器電路的一個(gè)相,

圖2是三相的根據(jù)本發(fā)明的換流器電路,

圖3是具有驅(qū)控單元和調(diào)整裝置的根據(jù)本發(fā)明的換流器電路的子模塊,

圖4是具有MOSFET作為功率半導(dǎo)體的子模塊。

具體實(shí)施方式

圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的換流器電路1的實(shí)施例。其具有直流電壓接口13。利用其使得相模塊10與其接口14a,14b連接。相模塊10包括上換流器閥11a和下?lián)Q流器閥11b的串聯(lián)電路。這兩個(gè)換流器閥11a和11b的連接點(diǎn)形成交流電壓側(cè)的接口12。兩個(gè)換流器閥11a和11b又具有各一個(gè)子模塊20,30的串聯(lián)電路。每個(gè)這種子模塊都與驅(qū)控組件連接,其有利地布置在子模塊20,30附近或者甚至在子模塊20,30內(nèi)部。在示出的實(shí)施例中,上換流器閥具有適用于線(xiàn)性運(yùn)行的子模塊30。其經(jīng)由其驅(qū)控組件50這樣驅(qū)控,即能在交流電壓側(cè)的輸出端上相對(duì)于參考電勢(shì)生成具有連續(xù)時(shí)間曲線(xiàn)的電壓。在實(shí)現(xiàn)輸出電壓的正弦曲線(xiàn)的情況下能夠?qū)崿F(xiàn)沒(méi)有諧波分量的輸出電壓。

對(duì)于調(diào)整換流器電路1內(nèi)部的電流來(lái)說(shuō)證明為有利的是,存在與子模塊20,30串聯(lián)的電感。特別地,其對(duì)于多相的交流電壓側(cè)的輸出電壓來(lái)說(shuō)是有利的,以便生成用于使電容器電壓對(duì)稱(chēng)的回路電流。

圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的換流器電路1的另一個(gè)實(shí)施例。為了避免在系統(tǒng)的相應(yīng)的組成部分方面的重復(fù)而參照?qǐng)D1的描述和在那里引入的附圖標(biāo)記。與前述實(shí)施例相比,該換流器電路1實(shí)施具有三相的交流電壓側(cè)的接口12。特別地,這些接口適用于連接在能量供給網(wǎng)上。在此,能量供給網(wǎng)是三相交流電網(wǎng)。同樣地,能夠利用三個(gè)交流電壓側(cè)的接口給電消耗器、例如發(fā)動(dòng)機(jī)饋電,它們?yōu)榱丝刂破滢D(zhuǎn)速和其轉(zhuǎn)矩而需要能在電壓高度和頻率方面能改變的電壓源。基于輸出端上的電壓曲線(xiàn),能夠在沒(méi)有過(guò)濾器電路的情況下運(yùn)行該消耗器。

每個(gè)換流器閥在子模塊20,30的串聯(lián)電路中具有一個(gè)適用于線(xiàn)性運(yùn)行的子模塊30。因此,該結(jié)構(gòu)一方面在各個(gè)相模塊10方面進(jìn)而也在交流電壓側(cè)的接口12方面是對(duì)稱(chēng)的。因此,在交流電壓側(cè)的接口上生成的電壓全部以相同的方式生成能相應(yīng)地預(yù)設(shè)的電壓曲線(xiàn)。因?yàn)樵搶?shí)施例中的每個(gè)相模塊10的每個(gè)上換流器閥和下?lián)Q流器閥11a,11b都具有一個(gè)適用于線(xiàn)性運(yùn)行的子模塊30,所以每個(gè)相模塊10的交流電壓測(cè)的接口的電壓相互獨(dú)立地預(yù)設(shè)。

由于交流電壓側(cè)的接口上的正好的正弦形狀,該換流器電路也特別地適用于測(cè)量和檢查目的,其對(duì)電壓源的電壓形狀具有特別高的要求。

圖3示出了子模塊20,30的實(shí)施例。其包括兩個(gè)串聯(lián)的半導(dǎo)體41和與該串聯(lián)電路并聯(lián)布置的電容器42。在子模塊的接口端子43上能夠在不以線(xiàn)性運(yùn)行方式運(yùn)行的子模塊上施加電容器的電壓或?yàn)榱愕碾妷骸9β拾雽?dǎo)體41的驅(qū)控通過(guò)驅(qū)控組件50實(shí)現(xiàn)。當(dāng)該驅(qū)控組件50不僅能夠?qū)崿F(xiàn)在如前所述的切換運(yùn)行中的子模塊、也實(shí)現(xiàn)在子模塊30的線(xiàn)性運(yùn)行時(shí),能夠在適用于線(xiàn)性運(yùn)行的子模塊30的情況下在子模塊30的接口端子43上施加0電壓和電容器的電壓的每個(gè)任意的電壓。驅(qū)控組件50從上級(jí)的調(diào)整裝置51獲得關(guān)于哪個(gè)電壓值要被設(shè)定的預(yù)設(shè)。該調(diào)整裝置51利用相關(guān)的子模塊20,30在要其接口端子43上提供什么電壓的信息來(lái)驅(qū)控各個(gè)驅(qū)控組件50。在位于切換運(yùn)行中的子模塊20的情況下,在此僅存在數(shù)字信息0V或Uc,而以線(xiàn)性運(yùn)行方式運(yùn)行的子模塊30包含來(lái)自于上級(jí)的調(diào)整裝置51的一個(gè)精確的電壓值。調(diào)整裝置51從額定值52的預(yù)設(shè)中又測(cè)定驅(qū)控組件50上的這些驅(qū)控信號(hào)。特別地證明了有利的是,為調(diào)整裝置提供關(guān)于換流器電路1的交流電壓側(cè)的接口12上的相電流和電壓的信息。

圖4示出了具有MOSFET的適用于線(xiàn)性運(yùn)行的子模塊30的結(jié)構(gòu)。在此,對(duì)于子模塊30的功率半導(dǎo)體41使用MOSFET。

盡管通過(guò)優(yōu)選的實(shí)施例在細(xì)節(jié)上詳細(xì)地闡述并描述了本發(fā)明,但本發(fā)明并不局限于所公開(kāi)的實(shí)例,并且其他的變體能夠由專(zhuān)業(yè)人員推導(dǎo)出,這并不脫離本發(fā)明的保護(hù)范圍。

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