专利名称：带有分布式储能器的变流电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种权利要求1前序部分所述的变流电路。
技术背景DE 101 03 031 Al中公开过这种类型的变流电路，图l对这种变流电路 的等效电路图进行了详细图示。如这个等效电路图所示，这种已知的变流电 路具有三个都用IOO表示的相位模块。这些相位模块100的直流电压端分别 与正、负极直流电压母线P。和N。导电相连。这两根直流电压母线P。和N。之 间存在一个未标注参考符号的直流电压。每个相位^^莫块100均具有一个上部 变流阀Tl、 T3、 T5和一个下部变流阀T2、 T4、 T6。这些变流阀Tl至T6中 的任何一个都具有一定数量的彼此串联的两极子系统11 。这个等效电路图对 其中的四个子系统11进行了图示。也可用两极子系统12 (图3)代替两极 子系统ll (图2)。每个相位模块100的两个变流阀Tl和T2、 T3和T4、 T5 和T6之间的连接点构成这个相位模块100的交流电压端接点Ll、 L2、 L3。 由于这个示意图中的变流电路具有三个相位模块100,因而可在这些相位模 块的交流电压端接点L1、 L2和L3(又称"负载端子")上连接三相负载，例 力口工片目《;;危电动才;L。图2对两极子系统11的已知实施方式的等效电路图进行了详细图示。 图3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，同样也是DE 101 03 031 Al中所公开的实施方案。这些已知的两极子系统11和12分别 具有两个可断半导体开关1和3、 5和7,两个二才及管2和4、 6和8以及一 个单极存储电容器9、 10。两个可断半导体开关1和3、 5和7彼此串联，这电容器9、 10并联。每个可断半导体开关1和3、 5和7 分别与两个二极管2和4、 6和8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1、 3、 5或7反向并联。子系统ll、 12的单极存 储电容器9或者由一个电容器构成，或者由多个这种电容器构成的一个总电 容为C。的电容器组构成。可断半导体开关1、 5的发射极与二极管2、 6的阳 极之间的连接点构成子系统11、 12的接线端子X1。两个可断半导体开关1 和3与两个二极管2和4之间的连接点构成子系统11的第二接线端子X2。 可断半导体开关5的集电极端子与二极管6的阴极之间的连接点构成子系统 12的第二接线端子X2。在附图所示的两个子系统11和12的实施方式中，可断半导体开关1和 3用的都是如图2和图3所示的绝缘栅双极晶体管(IGBT)。也可使用M0S 场效应晶体管(也称为"M0SFET，，)。此外还可将门极可关断晶闸管(又称"GT0 晶闸管")或集成门极换向晶闸管(IGCT)用作可断半导体开关1和3。根据DE 101 03 031 Al所述，可将图1所示的变流电路的任何一个相 位模块100的子系统11、 12控制在操:作状态I和II。当子系统ll、 12处于 操作状态I时，可断半导体开关l、 5接通，可断半导体开关3、 7断开。在 此情况下，子系统ll、 12的接线端子X2和X1间的端电压IU等于零。当子 系统ll、 12处于操作状态II时，可断半导体开关l、 5断开，可断半导体开 关3、 7接通。在此情况下，子系统ll、 12的接线端子X2和X1间的端电压 lU等于存储电容器9、 10上的电容器电压Uc。如图1中的变流电路的等效电路图所示，这种变流电路的每个相位模块 100均具有八个两极子系统11、 12，每四个两极子系统构成一个变流阀，分 别为Tl、 T2，或T3、 T4,或T5、 T6，这些两极子系统通过其接线端子XI 和X2彼此串联。串联两极子系统ll、 12的数量一方面与两个直流电压母线 P。和N。之间的直流电压有关，另一方面与所用的可断半导体开关1、 3、 5和 7有关。此外，交流电压端接点L1、 L2、 L3上的正弦交流电压与正弦曲线的相符度，也对两极子系统的数量具有一定影响。为了建构和使用如图l所示的变流电路，需要用适当的电路对每个两极子系统ll、 12的可断半导体开关1和3、 5和7进行控制，以及检测两极子 系统ll、 12的各种测量值(例如存储电容器9、 10上各自的电容器电压Uc), 并将其传输给上级变流器控制装置。为此，每个两极子系统11、 12均具有 一个电子设备，为清晰起见，显示子系统11和12的图2和图3并未对这个 电子设备进行详细图示。这个电子设备(下称"电子模块")承担以下任务—与上级变流器控制装置之间的双向通讯_检测各种测量值和状态信号或故障信号—控制可断半导体开关1和3、 5和7一对所有接收到的和发出的信号进行处理。此外，如果两极子系统11、 12的电子模块进行工作所需的能量直接输 出自这个两极子系统的存储电容器9、 10,这是有利的，但并不是必须采取 这种做法。如果在每个两极子系统11、 12的电子;f莫块和上级变流器控制装 置之间设置两个用于传输数据的光波导，就可实现电子模块的零电位工作模 式。每个两极子系统11、 12的电子模块的基准电位通常与两极子系统的单 极存储电容器9、 IO的负极相连。在为变流电路的相位模块使用多个彼此串联的两极子系统11、 12的情 况下，子系统ll、 12通常采用同一种实施方式。也就是iJL,图1所示的变 流电路相位模块100中的子系统或者采用图2所示的实施方式，或者采用图 3所示的实施方式。在图1所示的三相变流电路中，须在上级变流器控制装 置和二十四个两极子系统11、 12之间布置四十八个光波导。如果每个变流系统T1.....T6都多使用一个两极子系统11、 12，就需要多布置十二个光波导。为了减少这方面的投入，就须减少每个变流阀T1.....T6中的电子模块的数量。举例而言，通过下述方式可以实现这种精简，即将两个两极子系统11、 12整合成一个子系统模块，再将两个电子模块整合成一个电子模块。在为至少两个整合成一个子系统模块的两极子系统11、 12使用一个电子模块的情况下，会产生如何为这个电子模块提供能量的问题。如果仅从至少两个整合成一个子系统模块的两极子系统11、 12的一个单极存储电容器 输出电子模块所需的能量，这种能量供应就是不对称的。其结果是，同样增 加了在对整合在一起的子系统11、 12的可断半导体开关1和3、 5和7进行 控制以及在对电容器电压Uc进行;险测时进行电位分离的开销，此外还需进行 非常不利的不对称电压分配。通过将至少两个两极子系统11、 12整合成一个子系统模块，可将所用 光波导的数量减半，但同时也须进行开销更高的电位分离和不对称的能量供 应。在此情况下，每两个结构简单的子系统被一个结构更为复杂的子系统模 块所代替。发明内容因此，本发明的目的是提供一种用于变流电路的两极子系统，借助于这 种两极子系统不仅可以避免上述缺点，还可降低这样一种变流电路的建构难 度。根据本发明，这个目的通过权利要求1至4所述的特征而达成。 根据本发明，如果将四个带有反向并联二极管的可断半导体开关与两个 单极电容器相连，就可用同一个电子模块对这些可断半导体开关进行控制以 及对电容器电压进行检测，而无需进行开销更高的电位分离。此外还可进行 对称的能量输出。本发明的这种子系统对外具有两个接线端子和两个用于连 接两个光波导的端子。因此，本发明的子系统就连接技术而言相当于一个已 知子系统。可以通过对这个子系统进行控制而使其两个接线端子间产生一个 端电压，这个端电压具有四个位势级，而不是像传统子系统的端电压那样只 能达到两个位势级。在此情况下，只需使用已知的变流电路实施方式中的一 半子系统数量就可实现一种适用于预定高压的变流电路，其中，所需光波导的H量也相应减半。
下面借助附图和附图所示的本发明的两极子系统的多种实施方式对本发明作进一步说明，其中图1为已知的带有分布式储能器的变流电路的等效电路图；图2和图3分别为已知的两极子系统的第一和第二实施方式的等效电路图的详细图示；图4为本发明的两极子系统的第一实施方式的等效电路图； 图5为本发明的两极子系统的第二实施方式的等效电路图； 图6为本发明的两极子系统的第三卖施方式的等效电路图；以及 图7为本发明的两极子系统的第四实施方式的等效电路图。
具体实施方式
图4对本发明的子系统14的第一实施方式的等效电路图进行了详细图 示。本发明的这种两极子系统14具有四个可断半导体开关21、 23、 25和27, 四个二极管22、 24、 26和28,两个单极电容器29和30以及一个电子i殳备 32(下称"电子模块32")。四个可断半导体开关21、 23、 25和27彼此串联。 每个可断半导体开关21、 23、 25和27分别与一个二极管22、 24、 26和28 反向并联。每两个可断半导体开关21和23、 25和27分别与一个单极电容 器29、 30并联。这个子系统14的单极电容器29、 30或者由一个电容器构 成，或者由多个这种电容器构成的一个总电容为C。的电容器组构成。两个可 断半导体开关21和23与两个二极管22和24之间的连接点构成子系统14 的第二接线端子X2。两个可断半导体开关25和27与两个二极管26和28 之间的连接点构成子系统14的第一接线端子Xl。可断半导体开关23的发射 极、可断半导体开关25的集电极、二极管24的阳极、二极管26的阴极、 单极电容器29的负极端子与单极电容器30的正极端子之间的连接点构成一 个公共电位P。，这个公共电位与电子模块32的基准电位端子M导电相连。9这个电子模块32与一个此处未详细图示的上级变流器控制装置之间存在可
以传输信号的连接，这种连接通过两个光波导34和36而实现。公共电位P。 用作电子模块32的基准电位。原则上基准电位应该选择不会对可断半导体 开关21、 23、 25和27的驱动模块或这些可断半导体开关21、 23、 25和27
的模块外壳的驱动模块产生过高电压应力的电位。
本发明的这种子系统14可在四种操作状态I 、 II、 ni和iv之间转换。 当子系统14处于操作状态I时，可断半导体开关21和25接通，可断半导 体开关23和27断开。在此情况下，子系统14的接线端子X2和XI间的端 电压U^等于电容器29上的电容器电压Uc。当子系统14处于操作状态II时， 可断半导体开关21和27接通，而可断半导体开关23和25断开。在此情况 下，子系统14的端电压Un,相当于单极电容器29和30上的电容器电压Uc 的总和。当子系统14处于操作状态III时，可断半导体开关23和25接通， 可断半导体开关21和27断开。在此情况下，子系统14的端电压Um等于零。 当子系统14处于操作状态IV时，可断半导体开关23和27接通，而可断半 导体开关21和25断开。在此情况下，子系统14的端电压Um从位势级"零" 转换到单极电容器30上的位势级"电容器电压Ue"。当子系统14处于操作 状态I或IV时，储能器29或30根据具体的端电流方向吸收或释放能量。当 子系统14处于操作状态II时，电容器29和30根据具体的端电流方向吸收 或释放能量。当子系统14处于搡作状态m ("零")时，电容器29和30中 的能量保持恒定不变。因此，就功能方面而言，本发明的这种子系统14相 当于已知子系统11与已知子系统12的串联连接。但本发明的子系统14并 不具有这种串联连接的缺点。
此外，在两个已知子系统11和12彼此串联的情况下，每个子系统11 和12均具有一个自有基准电位和一个自有电子模块。如果只需使用其中一 个电子模块，并且只需从一个相应的电容器中输出这个电子模块所需的能 量，这种能量输出就会不对称，还会引起不对称的电压分配。除此之外，在控制可断半导体开关和检测电容器电压时还须进行更大开销的电位分离。而 本发明的两极子系统14中则不会出现这些缺点。
图5显示的是本发明的两极子系统16的第二实施方式的等效电路图。 这个子系统16与图4所示的子系统14之间的区别在于，四个可断半导体开 关21和23、 25和27只是两两串联。与子系统14一样，每个可断半导体开 关21、 23、 25和27分别与一个二极管22、 24、 26和28反向并联。每两个 彼此串联的可断半导体开关又分别与一个单极电容器29、 30并联。可断半 导体开关23的发射极、二极管24的阳极与单极电容器29的负极端子之间 的连接点与两个彼此串联的可断半导体开关25和27之间的连接点导电相 连。这一连接点构成一个公共电位P。，这个公共电位与电子模块32的基准 电位端子M导电相连。此外，可断半导体开关27的发射极、二极管28的阳 极与单极电容器30的负极端子之间的连接点构成子系统16的接线端子XI。 因此，就功能方面而言，子系统16的这种实施方式相当于两个彼此串联的 已知子系统11。除了将电容器29的负极端子用作电子模块32的基准电位夕卜， 也可将其他的端子用作基准电位。原则上，此处的基准电位也应选择不会对 可断半导体开关21、 23、 25和27或它们的模块外壳的驱动模块产生过高电 压应力的电4立。
本发明的两极子系统18的第三实施方式与图5所示的子系统16相同， 四个可断半导体开关21和23、 25和27也是两两串联。与子系统16不同的 是，两个彼此串联的可断半导体开关21和23之间的连接点与可断半导体开 关25的集电极、二极管26的阴极和电容器30的正极端子之间的连接点导 电相连。两个彼此串联的可断半导体开关25和27之间的连接点构成子系统 18的第一接线端子XI，可断半导体开关21的集电极、二极管22的阴极和 电容器29的正极端子之间的连接点则构成子系统18的第二接线端子X2。与 子系统16 —样，此处也是将单极电容器29的负极端子设置为子系统18的 电子模块32的基准电位。就功能方面而言，子系统18相当于两个已知子系统12的串联连接。
在图7所示的两极子系统20的等效电路图中，四个可断半导体开关21 和23、 25和27同样是两两串联，其中，每个可断半导体开关21、…、27 分别与一个二极管22、 24、 26和28反向并联。每两个彼此串联的可断半导 体开关21和23、 25和27分别与一个电容器29、 30并联。两个彼此串联的 可断半导体开关21和23之间的连接点与两个彼此串联的可断半导体开关25 和27之间的连接点导电相连。可断半导体开关21的集电极、二极管22的 阴极和电容器29的正极端子之间的连接点则构成子系统20的第二接线端子 X2。可断半导体开关27的发射极、二极管28的阳极与电容器30的负极端 子之间的连接点构成子系统20的第一接线端子X1。就功能方面而言，子系 统20相当于已知子系统12与已知子系统11的串联连接。
通过用本发明所提供的方法对驱动和能源技术领域内的高压变流电路 的子系统14、 16、 18和20进行上述建构，可将已知的由多个串联子系统构 成的高压变流电路与上级变流器控制装置之间的光波导的数量减半。可对每 个子系统进行控制，使其接线端子X2、 XI间存在一个可达到四种不同位势 级的端电压U^。就传统子系统11和12而言，只有将两个子系统11和12、 12和12、 11和11或者12和11串联，才能实现这种端电压UX21。与两个已 知子系统11和12的单纯串联(两个已知子系统11和12布置在一个模块中) 相比，本发明的子系统14、 16、 18或20只需要一个电子模块32，此外，还 可以用电容器29和30为这个电子模块进行对称的能量供应。在此情况下， 就节省了在控制和在检测电容器电压Uc时进行电位分离所带来的额外开销。
权利要求
1.一种具有至少一个相位模块(100)的变流电路，所述相位模块(100)具有上部和下部变流阀(T1，...，T6)，其中，每个变流阀(T1，...，T6)均具有至少一个两极子系统，其特征在于，每个两极子系统(14)均具有四个可断半导体开关(21，23，25，27)、四个二极管(22，24，26，28)、两个单极存储电容器(29，30)和一个电子设备(32)，每个可断半导体开关(21，23，25，27)分别与一个二极管(22，24，26，28)反向并联，所述四个可断半导体开关(21，23，25，27)彼此串联，所述两个单极存储电容器(29，30)彼此串联，并且，由所述单极存储电容器构成的串联连接与所述可断半导体开关(21，23，25，27)构成的串联连接并联，每两个可断半导体开关(21，23，25，27)之间的连接点构成所述两极子系统(14)的一个接线端子(X2，X1)，所述两个串联存储电容器(29，30)之间的连接点与所述电子设备(32)的基准电位端子(M)导电相连。
2. —种具有至少一个相位模块(100)的变流电路，所述相位模块(IOO) 具有上部和下部变流阀(T1, T6),其中，每个变流阀(Tl， ...， T6) 均具有至少 一 个两极子系统，其特征在于，每个两极子系统(16)均具有四个可断半导体开关(21, 23, 25, 27 )、 四个二极管(22, 24, 26， 28)、两个单极存储电容器(29, 30 )和一个电 子设备(32),每个可断半导体开关(21， 23， 25， 27)分别与一个二极管 (22, 24, 26， 28)反向并联，每两个可断半导体开关(21, 23, 25, 27 ) 彼此串联，每个由所述可断半导体开关构成的串联连接分别与一个单极存储 电容器(29， 30)并联，构成第一串联连接的两个可断半导体开关(21， 23) 之间的连接点构成所述两极子系统(16)的一个接线端子(X2)，构成第二串联连接的两个可断半导体开关(25， 27)中的第二可断半导体开关(27) 的发射极构成所述两极子系统(16)的另一接线端子(XI )，构成第二串联 连接的两个可断半导体开关(25， 27)之间的连接点与构成第一串联连接的 两个可断半导体开关(21, 23)中的第二可断半导体开关(23)的发射极导 电相连，这个连接点与所述电子设备(32)的基准电位端子(M)导电相连。
3. —种具有至少一个相位模块(100)的变流开关，所述相位模块(IOO) 具有上部和下部变流阀(Tl， ...， T6)，其中，每个变流阀(T1, T6) 均具有至少一个两极子系统，其特征在于，每个两极子系统(18)均具有四个可断半导体开关(21， 23， 25, 27 )、 四个二极管(22, 24， 26， 28)、两个单极存储电容器(29, 30 )和一个电 子设备(32)，每个可断半导体开关(21, 23， 25, 27 )分别与一个二极管 (22, 24, 26, 28 )并联，每两个可断半导体开关(21， 23， 25, 27 )彼此 串联，每个由所述可断半导体开关构成的串联连接分别与一个单极存储电容 器(29， 30)并联，构成第二串联连接的两个可断半导体开关(25, 27 )之 间的连接点构成所述两极子系统(18)的一个接线端子(XI),构成第一串 联连接的两个可断半导体开关(21, 23)中的第一可断半导体开关(21)的 集电极构成所述两极子系统(18)的另一接线端子(X2)，构成第一串联连 接的两个可断半导体开关(21, 23)之间的连接点与构成第二串联连接的两 个可断半导体开关(25， 27)中的第一可断半导体开关(")的集电极导电 相连，这个连接点与所述电子设备(32)的基准电位端子(M)导电相连。
4. 一种具有至少一个相位模块(100)的变流电路，所述相位模块(IOO) 具有上部和下部变流阀(T1, T6)，其中，每个变流阀(Tl， ...， T6) 均具有至少一个两极子系统，其特征在于，每个两极子系统(20)均具有四个可断半导体开关(n, 23, 25， 27)、四个二极管(22， 24, 26， 28)、两个单极存储电容器(29, 30 )和一个电 子设备(32),每个可断半导体开关(21, 23， 25, 27 )分别与一个二极管 (22, 24, 26, 28 )反向并联，每两个可断半导体开关(21， 23, 25, 27 ) 彼此串联，每个由所述可断半导体开关构成的串联连接分别与一个单极存储 电容器(29, 30 )并联，每个串联连接中的两个可断半导体开关(21, 23， 25， 27 )之间的连接点彼此相连，第一串联连接中的第一可断半导体开关(21) 的集电极和第二串联连接中的第二可断半导体开关(27)的发射极分别构成 所述两极子系统(20)的一个接线端子(X2, XI),所述电子设备(32)的 基准电位端子(M)与所述第一串联连接中的第二可断半导体开关(23)的 发射极导电相连。
5. 根据上述权利要求中任一项权利要求所述的变流电路，其特征在于， 设置有用作可断半导体开关(21， 23, 25， 27)的绝缘栅双极晶体管。
6. 根据权利要求1至4中任一项权利要求所述的变流电路，其特征在于，设置有用作可断半导体开关(21, 23, 25, 27 )的MOS场效应晶体管。
7. 根据权利要求1至4中任一项权利要求所述的变流电路，其特征在于，设置有用作可断半导体开关(21， 23， 25, 27 )的门极可关断晶闸管。
8. 根据权利要求1至4中任一项权利要求所述的变流电路，其特征在于，设置有用作可断半导体开关(21, 23， 25， 27)的集成门极换向晶闸管。
全文摘要
本发明涉及一种具有至少一个相位模块(100)的变流电路，所述相位模块(100)具有上部和下部变流阀(T1，...，T6)，其中，每个变流阀(T1，...，T6)均具有至少一个两极子系统。根据本发明，每个两极子系统(14)均具有四个可断半导体开关(21，23，25，27)、四个二极管(22，24，26，28)、两个单极存储电容器(29，30)和一个电子设备(32)，其中，所述四个可断半导体开关(21，23，25，27)彼此串联，且分别与一个二极管(22，24，26，28)反向并联，所述两个单极存储电容器(29，30)彼此串联，且与所述半导体开关(21，23，25，27)所构成的串联连接并联，所述电子设备(32)的基准电位端子(M)与一个公共电位(P<sub>0</sub>)导电相连。借此可实现一个子系统(14)，所述子系统(14)的接线端子(X2，X1)上可产生一个具有四个位势级的端电压(U<sub>X21</sub>)，这个子系统中只需布置一个电子设备(32)，且对该电子设备(32)的供能为对称方式，此外，所述子系统(14)也无需进行复杂度更高的电位分离。
文档编号H02M5/45GK101253675SQ200680031666
公开日2008年8月27日 申请日期2006年8月2日 优先权日2005年8月30日
发明者马克·希勒 申请人:西门子公司