专利名称：用于电力电子系统的控制设备及包括其的电力电子系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及电力电子应用领域，尤其涉及用于电力电子系统的控制装置。
背景技术：
例如像变频器、静止同步补偿器、风力涡轮机、电能质量装置、交流和直流励磁装置的电力电子应用可以包括多个执行不同控制功能的控制设备，例如像电量和机械量的测 量、模数转换、信号滤波和调节、设定点处理、控制算法、脉宽调制器、通用10(输入-输出)、 电路的保护、自我监督、电源装置、数据显示和输入装置。由于大型电力电子应用可以达到显著的尺寸，所以控制装置之间的距离可以是差 不多几百米。可以建立专用装置之间的通信，并且为大多数装置供应电源。电力电子系统 内部的通信和电源线可能处于恶劣的环境内，并且因此可能易受到电磁干扰的攻击。另外， 为了达到直通制并且避免复杂的通信路径，可以仔细地选择控制装置的结构构造。可以将 电功率供应至局部控制器，或者可以将其耦合到电力电子过程以外。
实用新型内容本实用新型的目的是提供一种用于电力电子系统的控制设备，其可以在恶劣的环 境条件下运行。此目的是通过用于电力电子系统的控制设备和通过电力电子系统来达到的。另外 的实施例是显然的。根据本实用新型的示例性实施例，可以提供一种用于电力电子系统的控制设备。 该控制设备可以包括主控制装置和多个电力电子模块装置，其中主控制装置可以与至少两 个电力电子模块装置连接。多个电力电子模块装置可以包括第一电力电子模块装置和第二电力电子模块装 置。主控制装置可以以似星方式与该两个电力电子模块装置连接。因此，可以在功能上将 主装置分配给多个电力电子模块。电力电子模块或电力电子模块装置可以包括至少一个半导体或多个半导体，例如 三相桥M0SFET。电力电子模块可以是功率变换器，例如交流_直流转换器或直流-交流转 换器。功率变换器可以用于大约2.5kVA(千伏安)至大约500MVA(兆伏安)的功率。在 这样的功率变换器中的半导体可以用于从大约IOA直到大约IOOkA(千安)的电流和大 约100V(伏)以上的电压。控制装置可以在大约5V至大约220V范围内的额定电源电压 (nominated supply voltage)下运行。电力电子模块可以被用作为例如像火车之类的车辆 供电的电源装置。此外，电力电子模块例如可以用于发电或功率变换，例如作为电气装置或 工业机械的风能变换器。根据本实用新型的示例性实施例，可以提供一种控制设备，其中主控制装置可以 包括主控制器。此外，第一电力电子模块可以包括第一局部电力电子控制器，并且第二电力 电子模块可以包括第二局部电力电子控制器。此外，主控制装置的主控制器可以与第一电 力电子模块的第一局部电力电子控制器连接，并且主控制装置的主控制器可以与第二电力 电子模块的第二局部电力电子控制器连接。[0012]主控制器可以控制多个电力电子模块装置。电力电子控制器可以控制变换器，例 如包括多个诸如MOSFET之类的半导体的功率变换器。可以在功能上将主控制器分配给第 一电力电子模块和第二电力电子模块。根据本实用新型的示例性实施例，可以提供一种控制设备，其包括主控制装置，该主控制装置可以包括主保护控制器，其中第一电力电子模块可以包括第一局部电力电子控 制器。此外，第二电力电子模块可以包括第二局部电力电子控制器，其中主控制装置的主保 护控制器可以与第一电力电子模块的第一局部电力电子控制器连接，并且其中主控制装置 的主保护控制器可以与第二电力电子模块的第二局部电力电子控制器连接。可以在功能上将主保护控制器分配给第一电力电子模块和第二电力电子模块。根据本实用新型的示例性实施例，可以提供的是主控制装置可以包括冗余主保 护控制器。此外，第一电力电子模块可以包括第一局部电力电子控制器，并且第二电力电子 模块可以包括第二局部电力电子控制器。此外，主控制装置的冗余主保护控制器可以与第 一电力电子模块的第一局部电力电子控制器连接，并且主控制装置的冗余主保护控制器可 以与第二电力电子模块的第二局部电力电子控制器连接。冗余主保护控制器可以与主保护控制器是同样的。在主保护控制器包含故障或过 载的情况下，冗余主保护控制器可以以与主保护控制器相同的工作方式进行工作。因此，可 以提供不间断的安全工作。可以在功能上将冗余主保护控制器分配给第一电力电子模块和 第二电力电子模块。根据本实用新型的示例性实施例，可以提供的是第一局部电力电子控制器和第 二局部电力电子控制器可以彼此连接。第一局部电力电子控制器和第二局部电力电子控制器之间的连接可以在两个电 力电子装置之间提供快速通信。此外，两个电力电子模块之间的距离可以比主控制器和一 个电力电子模块之间的距离小。因此，由于短距离的通信的原因，可以减少诸如电磁干扰之 类的环境因素的影响。根据本实用新型的示例性实施例，可以提供的是主控制装置可以包括局部IO控 制器，其可以与主控制器连接。局部IO控制器可以为主控制装置的输入和输出信号提供预处理和后处理。局部 IO控制器可以为电力电子系统的另外的装置或与该控制设备分离的另外的系统提供接口。 输入信号和输出信号的预处理和后处理可以包括来自设备的、没有分配给电力电子模块但 是作为整体分配给应用或该控制设备的信号，例如像电网电压和电流之类的模拟信号，以 及例如像用于开关设备、主开关和断路器的命令之类的数字信号。局部IO控制器可以引起 该控制设备从电源断连。此外，局部IO控制器可以接收例如具有导通状态或关断状态的开 关的反馈信号。根据本实用新型的示例性实施例，可以提供的是主控制装置可以包括第一局部 保护IO控制器，其可以与主保护控制器连接。局部保护IO控制器可以为主控制装置的输入和输出信号提供预处理和后处理。 输入信号和输出信号的预处理和后处理可以包括来自设备的、没有分配给电力电子模块但 是作为整体分配给该应用或该控制设备的信号，例如像电网电压和电流之类的模拟信号， 以及例如像用于开关设备、主开关和断路器之类的命令的数字信号。局部保护IO控制器可以引起该控制设备从电源断连。此外，局部保护IO控制器可以接收例如具有导通状态或关 断状态的开关的反馈信号。根据本实用新型的示例性实施例，可以提供的是第一局部保护IO控制器可以与 冗余主保护控制器连接。根据本实用新型的示例性实施例，可以提供的是主控制装置可以包括第二局部 保护IO控制器，其可以与主保护控制器连接。
根据本实用新型的示例性实施例，可以提供的是第二局部保护IO控制器可以与 冗余主保护控制器连接。根据本实用新型的示例性实施例，可以提供的是主控制装置可以包括第二局部 保护IO控制器，其中第二局部保护IO控制器可以与冗余主保护控制器连接。根据本实用新型的示例性实施例，可以提供的是主控制装置可以包括第二局部 IO控制器，其可以与主控制器连接。根据本实用新型的示例性实施例，可以提供的是第一局部电力电子控制器可以 串联连接至另外电力电子模块的另外局部电力电子控制器，其中在串联连接中的最后的电 力电子模块可以与第一局部电力电子控制器连接。根据本实用新型的示例性实施例，可以提供的是至少一个电力电子模块可以包 括局部功率IO控制器，其可以与一个电力电子模块的局部电力电子控制器连接。局部功率IO控制器可以为局部电力电子控制器的输入和输出信号提供预处理和 后处理。这些预处理和后处理的信号可以提供半导体的温度、电流和/或电压的测量值。局 部功率IO控制器可以提供主要与电力电子模块之一有关的输入和输出信号的预处理和后 处理。局部功率IO控制器可以传送信号以为半导体点火(fire)。另外，局部功率IO控制 器可以接收来自多个电力电子模块的信号。此外，局部功率IO控制器可以将信号发送到多 个电力电子模块。根据本实用新型的示例性实施例，可以提供的是至少一个连接是光纤连接。在该控制设备的环境下，光纤对于电磁影响是非常鲁棒的。光纤连接可以避免在 该控制设备的各装置附近发生故障的情况下可能发生的对信号的另外干扰。此外，针对该 控制设备的安全功能而言，光纤可以用在恶劣环境中而不受到诸如灰尘、湿气和电磁场之 类的恶劣环境因素影响。根据本实用新型的示例性实施例，可以为电力电子系统提供一种如上所描述的控 制设备。具有该控制设备的电力电子系统可以包括多个电力电子模块。因此，电力电子系 统可以包括不同种类的电力电子模块，例如使用或生成不同的固定频率或者还有可变频率 的模块，所述固定频率诸如DC、50Hz和16.7Hz。这些不同的电力电子模块可以用于不同的 目的，例如用于发电，并且还可以用于运输装置，诸如火车。
下面，将参照附图更加详细地解释本实用新型的示例性实施例，其中图1示意性地示出了本实用新型的第一示例性实施例，以及图2示意性地示出了本实用新型的第二示例性实施例。[0038]在附图标记列表中以汇总的形式列出了附图中所使用的附图标记及它们的含义。 原则上同样的部分在图中具有相同的附图标记。
具体实施方式
图1示意性地示出了本实用新型的示例性实施例。在图1中，控制设备100包括 第一电力电子模块300和第二电力电子模块400。第一电力电子模块300和第二电力电子 模块400是同样的，并且分别包括局部电力电子控制器305、405和局部电力电子IO控制器 306,406(10 输入输出)。此外，图1中的控制设备100包括主控制设备200或主控制体(controlcubical)。 主控制设备200包括主控制器1。该主控制器1分别通过光纤连接7、8连接至第一电力电 子模块300和第二电力电子模块400。将第一局部电力电子控制器305和第一局部电力电子IO控制器306分配给第一 电力电子模块300。将第二局部电力电子控制器405和第二局部电力电子IO控制器406分 配给第二电力电子模块400。第一局部电力电子控制器305和第二电力电子控制器通过连接25彼此连接。此 夕卜，在图1中提供了从第二局部电力电子控制器405至第一局部电力电子控制器305的另 一连接27。因此，第一局部电力电子控制器305、连接25、第二局部电力电子控制器405和 连接27建立了环状的结构或环路。图2示出了本实用新型的第二示例性实施例。在图2中，控制设备100包括主控 制装置200、第一电力电子模块300、第二电力电子模块400和第三电力电子模块500。主控 制装置200可以是主控制体。主控制装置200包括主控制器201、主保护控制器202和冗余 主保护控制器203。主控制器201通过第一连接7与第一电力电子模块连接，通过第二连接 8连接至第二电力电子模块400，并且通过第三连接9连接至第三电力电子模块500。在图2中，主保护控制器202通过第四连接10连接至第一电力电子模块300，通过 第五连接11连接至第二电力电子模块400，并且通过第六连接12连接至第三电力电子模块 500。冗余主保护控制器203通过第七连接13连接至第一电力电子模块300，通过第八连接 14连接至第二电力电子模块400，并且通过第九连接15连接至第三电力电子模块500。主控制器201通过连接16连接至主保护控制器202，并且主保护控制器202通过 连接17连接至冗余主保护控制器203。另外，冗余主保护控制器203通过连接18连接至主 控制器201。因此，主控制器201、主保护控制器202、冗余主保护控制器203和连接16、16、 18建立了似圈结构或环。在图2中，主控制设备200包括第一局部IO控制器204和第二局部IO控制器205。 此外，主控制体200包括第一局部保护IO控制器206和第二局部保护IO控制器205。主控 制器201通过连接19与第一局部IO控制器204连接。此外，主控制器201通过连接20连 接至第二局部IO控制器205。主保护控制器202通过连接21连接至第一局部保护IO控制 器206，并且通过连接22连接至第二局部保护IO控制器207。冗余主保护控制器203通过 连接23连接至第一局部保护IO控制器206。此外，冗余主保护控制器203通过连接24连 接至第二局部保护IO控制器207。在图2中，第一电力电子模块300、第二电力电子模块400和第三电力电子模块500彼此串联连接。因此，第一电力电子模块300的第一局部电力电子控制器305通过连接 25与第二电力电子模块400的第二局部电力电子控制器405连接。第二电力电子模块400 的第二局部电力电子控制器405通过连接26连接至第三电力电子模块500的第三局部电 力电子控制器505。此外，第三局部电力电子控制器505通过连接27连接至第一电力电子 模块300的第一局部电力电子控制器305。控制设备100的所有连接7至27都是光纤连 接。在图1和图2中所示出的建议控制构造可以是用于电力电子应用的控制的解决方案。可以对这种情况下的电力电子应用予以模块化。每个电力电子模块300、400、500可以 分别具有其自己的局部电力电子控制器305、405、505。局部电力电子控制器305、405、505 可以是电力电子模块200、300、400的组成部分。电力电子模块300、400、500的装配和测试 可以包括局部控制器305、405、505。主控制器201、主保护控制器202和冗余主保护控制器203以及所有局部控制器 204,205,206之间的通信可以通过光纤提供。这可以提供对电磁干扰的高抗扰性。局部控制器可以与所有主控制器和在相同电力电子模块300、400、500中的其他 局部控制器直接通信。为了快速局部保护功能，还可以通过连接25、26、27在不同的电力电 子模块300、400、500的局部电力电子控制器305、405、505之间提供通信。应当注意到，在图2中图示了三个电力电子模块300、400、500。然而，可以提供另 外的示例性实施例，其可以包括多于三个的电力电子模块。对图1和图2中的控制设备100 的模块化装配提供了包括另外的电力电子模块的进一步可能性，例如通过在不偏离该控制 设备100的结构的情况下将它们插入在第二电力电子模块300和第三电力电子模块400之 间。换句话说，为了冗余或性能的原因，电力电子模块300、400、500可以是可缩放的，这是 因为为电力电子模块300、400、500分别增加集成的局部电力电子控制器305、405、505也 许是可以的。此外，应当注意到，在图2中图示了两个局部IO控制器204、205和两个局部保护 IO控制器206、207。在主控制装置内，也会是可能的是仅使用一个局部IO控制器和/或 一个局部保护IO控制器。此外，在主控制装置200中，也会是可能的是以似星结构使用多 于两个的局部IO控制器和/或多于两个的局部保护IO控制器。主控制装置200可以是可缩放的，这是因为省略冗余主保护控制器203并且在主 控制器201中实现冗余保护功能，或者甚至能够省略主保护控制器202和冗余主保护控制 器203这两者并且在主控制器201中实现所有的保护功能也许是可以的。也许还能够增加 用于冗余和/或用于附加任务的另外的主控制器。还会是可能的是，为主保护控制器和主冗余保护控制器使用单独的局部保护IO 控制器。换句话说，主保护控制器可以连接至一个局部保护IO控制器，并且另外，冗余主保 护控制器可以连接至另外的局部保护IO控制器。此外，可以预见，作为单独的设备，第一局部功率IO控制器306和第二局部功率IO 控制器406可以予以省略。将第一局部功率IO控制器306集成在第一局部电力电子控制 器305内也许是可能的。此外，将第二局部功率IO控制器406或另外的局部功率IO控制 器集成在第二局部电力电子控制器405或另外的局部电力电子控制器内也许是可能的。应当注意，术语“包括”不排除其他元素或步骤，并且“一”或“一个”不排除多个。还可以将所描述的与不同实施例相关联的元素予以组合。附图标记列表[0058]1主控制器[0059]7-27连接[0060]100控制设备[0061]200主控制装置[0062]201主控制器[0063]202主保护控制器[0064]203冗余主保护控制器[0065]204局部10控制器[0066]205局部10控制器[0067]206第—-局部保护10控制器[0068]207第二局部保护10控制器[0069]300第—-电力电子模块[0070]305第—-局部电力电子控制器[0071]306第—-局部功率10控制器[0072]400第二电力电子模块[0073]405第二局部电力电子控制器[0074]406第二局部功率10控制器[0075]500第三电力电子模块[0076]505第三局部电力电子控制器[0077]506第三局部功率10控制器。
权利要求用于电力电子系统的控制设备，其特征在于，所述控制设备(100)包括主控制装置(200)，多个电力电子模块装置(300，400，500)，其中所述主控制装置(200)与至少两个电力电子模块装置(300，400，500)连接。
2.根据权利要求1所述的控制设备，其特征在于， 其中所述主控制装置(200)包括主控制器(201)，并且其中第一电力电子模块(300)包括第一局部电力电子控制器(305)， 其中第二电力电子模块(400)包括第二局部电力电子控制器(405)， 其中所述主控制装置(200)的所述主控制器(201)与所述第一电力电子模块(300)的 所述第一局部电力电子控制器(305)连接，并且其中所述主控制装置(200)的所述主控制器(201)与所述第二电力电子模块(400)的 所述第二局部电力电子控制器(405)连接。
3.根据权利要求1或2所述的控制设备，其特征在于， 其中所述主控制装置(200)包括主保护控制器(202)，其中第一电力电子模块(300)包括第一局部电力电子控制器(305)， 其中第二电力电子模块(400)包括第二局部电力电子控制器(405)， 其中所述主控制装置(200)的所述主保护控制器(202)与所述第一电力电子模块 (300)的所述第一局部电力电子控制器(305)连接，并且其中所述主控制装置(200)的所述主保护控制器(202)与所述第二电力电子模块 (400)的所述第二局部电力电子控制器(405)连接。
4.根据权利要求3所述的控制设备，其特征在于， 其中所述主控制装置(200)包括冗余主保护控制器(303)，其中第一电力电子模块(300)包括第一局部电力电子控制器(305)， 其中第二电力电子模块(400)包括第二局部电力电子控制器(405)， 其中所述主控制设备(200)的所述冗余主保护控制器(303)与所述第一电力电子模块 (300)的所述第一局部电力电子控制器(305)连接，并且其中所述主控制装置(200)的所述冗余主保护控制器(303)与所述第二电力电子模块 (400)的所述第二局部电力电子控制器(405)连接。
5.根据权利要求4所述的控制设备，其特征在于，其中所述第一局部电力电子控制器(305)和所述第二局部电力电子控制器(405)彼此连接。
6.根据权利要求5所述的控制设备，其特征在于，其中所述主控制装置(200)包括局部10控制器(204)，其与所述主控制器(201)连接。
7.根据权利要求6所述的控制设备，其特征在于，其中所述主控制装置(200)包括第一局部保护10控制器(206)，其与所述主保护控制 器(202)连接。
8.根据权利要求7所述的控制设备，其特征在于，其中所述第一局部保护10控制器(206)与所述冗余主保护控制器(203)连接。
9.根据权利要求8所述的控制设备，其特征在于，其中所述主控制装置(200)包括第二局部保护10控制器(207)，其与所述主保护控制 器(202)连接。
10.根据权利要求9所述的控制设备，其特征在于，其中所述第二局部保护10控制器(207)与所述冗余主保护控制器(203)连接。
11.根据权利要求10所述的控制设备，其特征在于，其中所述主控制装置(200)包括第二局部保护10控制器(207)，并且其中所述第二保 护10控制器与冗余主保护控制器(203)连接。
12.根据权利要求11所述的控制设备，其特征在于，其中所述主控制装置(200)包括第二局部10控制器(205)，其与所述主控制器(201)连接。
13.根据权利要求12所述的控制设备，其特征在于，其中所述第一局部电力电子控制器(305)串联连接至另外电力电子模块的另外局部 电力电子控制器(405，505)，其中在串联连接中的最后的电力电子模块(505)与所述第一 局部电力电子控制器(305)连接。
14.根据权利要求13所述的控制设备，其特征在于，其中至少一个电力电子模块(300，400，500)包括局部功率10控制器(306，406，506)， 其与一个电力电子模块(300，400，500)的所述局部电力电子控制器(305，405，505)连接。
15.根据权利要求14所述的控制设备，其特征在于，其中所述连接(7,8,9,10，11，12，13，14，15，16，17，18，19，20，21，22，23，24，25，26，27)中的至少一个是光纤连接。
16.一种电力电子系统，其特征在于，包括根据权利要求1至15任一项所述的控制设备 (100)。
专利摘要本实用新型公开了一种用于电力电子系统的控制设备及包括其的电力电子系统。本实用新型涉及电力电子应用领域，尤其涉及电力电子系统的控制设备。可以提供一种用于电力电子系统的控制装置，其可以包括主控制装置和多个电力电子模块装置，其中主控制装置可以与至少两个电力电子模块装置连接。
文档编号G05B19/418GK201600586SQ200920178000
公开日2010年10月6日 申请日期2009年8月26日 优先权日2009年8月26日
发明者E·巴洛彻尔 申请人:Abb瑞士有限公司