专利名称：在直流电压中间电路短路时限制具有功率半导体的变流器损坏的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于转换电流的装置，具有至少一个相模块，该相模块具 有交流电压接头和至少一个与直流电压中间电路相连的直流电压接头，并且具 有至少一个储能器，其中在每个直流电压接头和每个交流电压接头之间形成相 模块支路，并且其中每个相模块支路具有由子模块组成的串联电路，这些子模 块分别具有至少一个功率半导体，其中与每个子模块的功率半导体并联设置半 导体保护装置和用于控制半导体保护装置的控制单元，并且储能器用于为控制 单元提供能量。
本发明还涉及一种用于限制具有功率半导体的变流器损坏的方法，该变流 器经过短路的直流电压中间电路与至少另一个变流器或至少一个电机相连。
背景技术：
这种类型的装置由DE10323220A1已经公知。在那里公开了一种用于连接 到馈入能量的三相供电网的所谓的多终端变流器。公知的变流器具有相模块， 其数量等于供电网的待连接的相数。每个相模块具有一个交流电压接头和两个 直流电压接头，其中相模块的直流电压接头连接到直流电压中间电路。在每个 直流电压接头和交流电压接头之间形成一个相模块支路，其中每个相模块支路 由子模块的串联电路组成。每个子模块具有一个与功率半导体电路并联的本身 的储能器。功率半导体铁路具有分别反并联了 一个续流二极管的可关断功率半 导体，如IGBT、 GTO等等。如果在直流电路中出现短路，则相关的子模块的 储能器放电。为了避免子模块的功率半导体毁坏，与每个由直流电路中的短路 危害的功率半导体并联一个半导体保护装置，例如晶闸管，其在短路的情况下 被触发并且然后承载大部分的短路电流。公知的解决方案的缺陷是，通过子模 块的储能器为触发晶闸管的触发单元提供能量。这虽然节省了触发单元的单独 的能量供应。但是在将变流器与三相电网连接时子模块的储能器还没有充电，从而不可能触发晶闸管。由此当直流电路中出现短路时，在接通供电网时不排 除公知的变流器的功率半导体的毁坏。
发明内容
由此本发明要解决的技术问题是，提出一种本文开头所述种类的装置和方 法，其中就是在接通供电网时也能可靠防止由于直流电压侧出现的短路引起的 损坏。
从本文开头提到的装置出发，上述技术问题通过如下解决每个相模块的 至少一个直流电压接头经过直流电压开关与直流电压中间电路相连。
此外上述技术问题通过用于限制具有功率半导体的变流器损坏的方法解 决，该变流器经过短路的直流电压中间电路与其它变流器或者其它电机相连， 其中由变流器的或者直流电压中间电路的储能器为控制单元提供能量，控制单 元确定短路并且然后控制至少一个与功率半导体并联的半导体保护装置，使得 短路电流既流过半导体保护装置也流过与之并联的功率半导体，其中在变流器 与直流电压中间电路连接之前对每个储能器充电。
按照本发明在接入或接通交流电网之前首先对装置的每个储能器充电，并 且只有在储能器充电之后才与直流电压中间电路相连。
为了防止短路情况下的电流，按照本发明的装置合适地具有直流电压开 关，每个相模块的至少一个直流电压接头经过该直流电压开关与直流电路相连。
直流电压开关具有分离位置和接触位置，在分离位置阻止电流经过直流电压开 关，在接触位置电流可以流过直流电压开关。如果直流电压开关处于其分离位 置，则首先可以对直流电压中间电路的每个储能器或者每个子模块的每个储能 器充电。在储能器充电之后交流电网又与变流器分离。然后才通过直流电压开 关切换到其接触位置以连接直流电压中间电路，其中在直流电压中间电路中出 现短路的情况下并且在再次接通交流电网之后，充电的储能器提供为了触发半 导体保护装置所必需的能量。直流电压开关优选是机械的隔离开关。
每个交流电压接头优选经过交流电压开关与供电网相连。通过交流电压开 关可以特别简单地接通供电网，其中交流电压开关同样具有两个开关位置，即 分离位置和接触位置。通过交流电压开关从其分离位置切换到其接触位置，供 电网与变流器相连，从而在直流电压开关"断开，，时储能器被充电。合适地， 交流电压开关是机械的功率开关。合适地，功率保护装置包括至少一个晶闸管。晶闸管是可以价格低廉地获 得的并且具有足够高的耐冲击电流强度，从而就是在接入交流电网时在直流电 路中出现快速上升的和高的短路电流的情况下，直到再次新开交流电压开关都 不会由于产生的短路电流而损坏涉及的晶闸管。
合适地，每个子模块包括具有与之反并联的续流二极管的可关断功率半导 体，其中每个储能器设置在直流电压中间电路中。具有这样的中央储能器的变 流器应用于能量传输和分配领域。然而通常在中央的储能器中存储了高的能量， 这些高的能量在所说的短路情况下被释放。在本发明的范围中这样关于直流电 压开关设置中央的储能器的排列或接线，使得储能器的充电以及放电就是在直 流电压开关断开时也是可以的。从相模块的直流电压接头看过去，直流电压开 关连接在与储能器的接线柱之后。换言之中央的储能器在相模块的直流电压接 头和直流电压开关之间与相模块并联连接在直流电压中间电路中。
与此不同的是，每个子模块具有一个储能器和与储能器并联的功率半导体 电路。这样的装置也称为多级变流器，因为代替中央的大储能器，设置多个较 小的、互相串联的储能器，这些储能器分别并联一个功率半导体电路。
按照与此相关的合适的扩展，功率半导体电路是全桥式电路。借助全桥式 电路可以在串联的双极的子模块的两个接线柱上施加电容器电压、所谓的零电 压或者反向电容器电压。
这些可关断功率半导体分别反并联一个续流二极管。这样的功率半导体电路也
称为马夸特(Marquardt)电路，该马夸特电路在DE10103031A1中公开并且通 过引用成为本公开的一部分。与全桥式电路不同，按照马夸特电路的功率半导 体电路仅具有两个互相串联的功率半导体，这些功率半导体与相关子模块的储 能器这样相连，使得在相关子模块的储能器上降落的电压或者零电压降落在子 模块的两个接线柱上。利用马夸特电路，在储能器上降落的电压的反向在子模 块接线柱上是不可能的。然而马夸特电路比全桥式电路价格低。
根据按照本发明方法的合适扩展，每个功率半导体借助直流电压开关与直 流电压中间电路相连。以这种方式通过机械的功率开关、隔离开关等等，但是 也可以通过具有功率半导体例如晶闸管、IGBT等的电子开关，可以将直流电 压中间电路与变流器分离。在此重要的是，所有的储能器经过直流电压开关与 直流电压中间电^各相连。变流器、储能器和直流电压开关优选设置在共同的外壳中。 合适地，在将变流器与供电网连接之前断开每个直流电压开关。在直流电 压开关断开的情况下可以对储能器充电，以提供为触发半导体保护装置所必需
的能量。
优选借助交流电压开关将变流器与供电网相连。如已经提到的，本发明的 该扩展提供了在储能器充电时的最大可能的灵活性，其中同时提供了利用机械 开关的价格低廉的解决方案。然而替代机械的开关，还可以设置具有功率半导 体的电子开关。
为了将变流器与直流电压中间电路连接，合适地首先断开所有的交流电压 开关和所有的直流电压开关，然后为了对储能器充电而闭合交流电压开关，最 后在储能器充电之后断开每个交流电压开关，其中为了将变流器与直流电压中 间电路相连而闭合直流电压开关，并且最后为了将变流器与交流电网相连而闭
合每个交流电压开关，只要事先没有探测到DC短路。由于该简单的开关顺序， 在由于直流电压中间电路中的短路引起的高的短路电流通过交流电网驱动而流 过装置的功率半导体之前，提供了对装置的储能器充电的价格低廉的可能性， 使得提供了用于控制半导体保护装置所必需的能量。
本发明的其它合适的实施方式和优点是以下结合附图对本发明的实施例 的描述的内容，其中相同的附图标记表示作用相同的组件，并且其中 图1示出根据现有技术的装置， 图2示出根据现有技术的另一个装置， 图3示出根据本发明的装置的实施例， 图4示出根据本发明的装置的另一个实施例， 图5示出按照图3的装置处于另一个开关位置， 图6示出按照图4的装置处于另一个开关位置， 图7示出按照图3和5的装置处于另一个开关位置， 图8示出按照图4和6的装置处于另一个开关位置， 图9示出按照图4、 6和8的装置处于另一个开关位置。
具体实施方式
图1示出了按照现有技术的装置1。该公知的装置1包括由三个相模块3a、 3b和3c组成的变流器2。每个相才莫块3a、 3b和3c具有一个交流电压接头3。 32和33和分别用p和n表示的两个直流电压接头。直流电压接头p以及n形成 直流电压中间电路4的极，其中中央的电容器5作为储能器并联在两个极p和 n之间。在相模块3a、 3b和3c的每个交流电压接头3" 32和33和每个直流电 压接头p以及n之间形成相才莫块支3各6ap、 6bp和6cp以及6an、 6bn和6cn。每 个相模块支路由构造相同的子模块7的串联电路组成。在图1中示出的实施例 中每个子模块7具有一个可关断功率半导体8,例如IGBT、 GTO等等，以及 与之反并联的续流二极管9。此外在短路情况下可控晶闸管10与续流二极管9 反并联。如果在直流电压中间电路4中出现短路，则形成用虚线表示的短路电 流。可以看出，短路电流由仅示意性示出的供电网11经过用于连接按照本发明 的装置1与供电网11的变压器12馈入。在此在示出的实施例中短路电流流过 子模块的续流二极管9以及流过与续流二极管9并联的半导体保护装置10、也 就是触发的晶闸管。然而为了触发晶闸管需要由中央的电容器5提供触发能量。 中夬的电容器5由供电网11充电。如果在第一次接通供电网11时在直流电压 中间电路4中已经出现短路，则晶闸管10不能如图1中所述切换到其导通状态， 使得产生的短路电流分配在续流二极管9和晶闸管10上。而是仅由续流二极管 9承载短路电流，从而会损坏子模块7和可能损坏整个变流器2。
图2示出了按照现有技术的装置1,而其中变流器2构造为所谓的多级变 流器。与按照图l的装置不同，按照图2的装置在直流电压中间电路4中不再 具有中央的储能器。而是每个子模块7具有一个以单极电容器形式的储能器13。 电容器13与功率半导体电路14并联，该功率半导体电路14在这种情况下由两 个互相串联的可关断功率半导体8、例如IGBT、 GTO等组成。每个可关断功 率半导体8与续流二极管9反并联。如果在直流电压中间电路4中出现短路， 则流过从供电网11馈入的短路电流，其路径在图2中用虚线表示。可以看出， 短路电流流过功率半导体短路的续流二极管9。以晶闸管10的形式的半导体保 护装置仅与该续流二极管9并联。通过触发晶闸管IO，短路电流既流过晶闸管 IO也流过所说的续流二极管9,其中晶闸管IO和续流二极管9的大小提供足够 高的载流强度，以经受住产生的短路电流。但是此处的缺陷是，未示出的触发 电子电路由每个子模块7的电容器13提供用以触发晶闸管IO的能量。然而在 连接供电网ll之前，电容器13没有充电，使得在接通供电网ll期间不能触发晶闸管IO。由此，如果在接通供电网11时在直流电压中间电路4中出现短路， 则该短路电流仅经过子模块7的续流二极管9，使得会发生该续流二极管9的 损坏。然而通常将其与可关断功率半导体8组合为一个组件，从而这导致整个 功率半导体电^各14的损坏。
图3示出了按照本发明的装置14,该装置相应于图1构造，其中每个子模 块7由一个可关断功率半导体8以及一个与之反并联的续流二极管9组成。与 每个续流二极管9反并联一个晶闸管10。直流电压中间电路4仍然具有一个在 直流电压中间电路4的正极p和负极n之间的中央的电容器5。与按照图l的 公知装置不同，根据图3的、按照本发明的实施例具有一个直流电压开关以及 一个设置在供电网11和变压器12之间的交流电压开关16。此外重要的是，电 容器5的与直流电压中间电路4的正极相连的接线柱设置在相模块3a、 3b和 3c的直流电压接头p和直流电压开关15之间。直流电压开关15、电容器5和 相模块3a、 3b和3c设置在在构建所谓的高压直流输电设备中常见的阀室 (Ventilhalle ) 17中。
在图3中直流电压开关15处于其分离位置，在该分离位置电流被阻止经 过直流电压开关15。相反交流电压开关16处于其接触位置，使得供电网11与 设置在阀室17中的变流器2电相连。然而由于断开的直流电压开关15阻止了 电流经过短路的直流电压中间电路4。但是中央的电容器5在供电网ll接通的 情况下被充电。对电容器5充电的电流路径在图3中用虚线表示。可以看出， 充电电流流过子模块7的续流二极管9。
图4又示出所谓的多级变流器14,其在结构上相应于按照图2的变流器。 然而按照本发明的实施例此外还包括直流电压开关15，相模块3a、 3b和3c的 直流电压接头p经过该直流电压开关15与直流电压中间电路相连。此外供电网 11又经过交流电压开关16与变压器和由此与变流器2相连。如在图3中那样， 直流电压开关15处于其分离位置，其中交流电压开关16处于其接触位置。如 在图3中那样，在按照图4的多级变流器14中在该开关位置也进行每个子模块 7的电容器13的充电，其中充电路径仍用虚线表示。可以看出，充电电流流过 没有并联晶闸管10的续流二极管9。
图5示出了按照图3的装置，而其中交流电压开关16切换到其分离位置。 例如当电容器5充电到使得在直流电压中间电路4中故障情况下、即在短路情 况下可以触发晶闸管10时，进行该切换。图6示出按照图2的实施例，其中同样交流电压开关16切换到其分离位 置。同样此处只有当子模块7的电容器13充分地充电到能够触发作为半导体保 护装置的相关晶闸管10时，才切换到其分离位置。
图7示出了按照图5的装置，而其中直流电压开关15切换到其接触位置。 由于在直流电压中间电^各4中的短路，在直流电压中间电^各4中并联的中央电 容器5放电。在此又流过高的短路电流，该短路电流由于合适的电流测量可以 推断出直流电压中间电路4中的短路。换言之可以通过电容器5的高放电电流 而识别直流电压中间电路4中的短路，从而可以采取合适的4晉施。
在按照图8的多级结构中，在与图7中相同的开关位置情况下，也就是在 直流电压开关15闭合而交流电压开关16断开的情况下，电容器13不放电，因 为子模块7的续流二极管9阻止其放电。
图9示出了按照图8的实施例，而其中交流电压开关16切换到其接触位 置。由于直流电压中间电路4中的短路，流过由供电网ll馈入的、在几个微秒 之内由合适的探测电子电路或者其它探测装置识别的短路电流，该探测电子电 路或者其它探测装置接着触发晶闸管10。在此所需的触发能量由事先充电的、 子模块7的电容器13提供。在图10中仍旧用虛线表示的短路电流由此流过续 流二极管9并同时流过并联的晶闸管10。晶闸管10具有足够高的耐冲击电流 强度，以经受住高的电流沖击(di/dt)。续流二极管9和并联的晶闸管10的载 流强度同样很高，使得预计的短路电流不会导致功率半导体的损坏。
以下描述按照本发明的方法的实施例。首先将整个装置1与供电网11分 离。交流电压开关16和直流电压开关15都切换到其分离位置。在直流电压开 关15继续断开的情况下，交流电压开关16闭合。直流电压中间电路4中的可 能短路由于直流电压开关15断开而不会导致变流器2中的由供电网ll馈入的 短路电流。但是由于交流电压开关16闭合，变流器中以及直流电压中间电路4 中的储能器由供电网11充电。由此可以超过一定的时间段控制半导体保护装 置、也就是晶闸管IO。在实践中该时间段位于分钟范围，因为电容器的放电带 有相应的时间常数。在通过供电网11对储能器5、 13充电之后，再次断开交流 电压开关16并且由此将变流器与供电网11分离。在储能器5、 13充电和交流 电压开关16断开的情况下，直流电压开关15闭合。在中央的中间电路电容器 5的情况下，在短路时该中间电路电容器5经过直流电压开关15》丈电，由此可 以识别故障。如果直流电压开关15优选作为隔离开关实施，由于高的;^文电电流，会损坏或者毁坏直流电压开关15。在具有在子模块7上分布的电容的多级变流 器拓朴结构中，在接通直流电压中间电路4时电容器中的电荷保持，因为续流 二极管9不允许放电。直流电压开关15由此无电压和电流地切换，/人而避免直 流电压开关15的损坏。最后闭合交流电压开关16。在中间电路4中短路的情 况下由供电网11驱动的短路电流流过子模块7。根据合适的电流测量这可以快 速地、也就是在微秒的范围内被识别，紧接着发送用于触发半导体保护装置、 即晶闸管10的触发信号。通过预充电的储能器5、 13,可以触发晶闸管10的 触发的控制并且由此保护并行的功率半导体8、 9。
合适地，直流电压开关15是简单的隔离开关。而交流电压开关16是功率 开关。功率开关可以在由电压驱动的电流情况下被切换到其分离位置，其中产 生的电弧被熄灭。换言之功率开关能够极为有效地切换即使是高的功率。而隔 离开关设置为无电流地断开，其中避免了电弧形成。由此隔离开关主要可以价 格低廉地获得。
权利要求
1.一种用于转换电流的装置(1)，具有至少一个相模块(3a，3b，3c)，该相模块具有交流电压接头(31，32，33)和至少一个与直流电压中间电路(4)相连的直流电压接头(p，n)，并且具有至少一个储能器(5，13)，其中，在每个直流电压接头(p，n)和每个交流电压接头(31，32，33)之间形成相模块支路(6ap，6bp，6cp，6an，6bn，6cn)，以及其中，每个相模块支路(6ap，6bp，6cp，6an，6bn，6cn)具有由子模块(7)组成的串联电路，这些子模块分别具有至少一个功率半导体(8，9)，其中与每个子模块(7)的功率半导体(8，9)并联设置半导体保护装置(10)和用于控制所述半导体保护装置(10)的控制单元，以及所述储能器(5，13)用于为所述控制单元提供能量，其特征在于，所述每个相模块(3a，3b，3c)的至少一个直流电压接头(p)经过直流电压开关(15)与所述直流电压中间电路(4)相连。
2. 根据权利要求1所述的装置(1 )，其特征在于，每个交流电压接头(3P 32, 33 )经过交流电压开关(16)与供电网(11 )相连。
3. 根据权利要求1或2所述的装置(1 ),其特征在于，所述半导体保护装 置包括至少一个晶闸管(10)。
4. 根据上述权利要求中任一项所述的装置(l)，其特征在于，每个子模块 (7)包括具有与之反并联的续流二极管(9)的可关断功率半导体(8)，其中每个储能器(5)设置在所迷直流电压中间电路(4)中。
5. 根据权利要求1至3中任一项所述的装置(1 )，其特征在于，每个子模 块(7 )具有一个储能器(13 )和与该储能器(13 )并联的功率半导体电路(14 )。
6. 根据权利要求5所述的装置(1),其特征在于，所述功率半导体电路是 全桥式电路。
7. 根据权利要求5所述的装置(1 ),其特征在于，所述功率半导体电路(14 ) 具有两个互相串联的可关断功率半导体(8)，这些可关断功率半导体分别反并 联一个续流二极管(9)。
8. 根据上述权利要求中任一项所述的装置(1)，其特征在于，所述直流电 压开关(15)是隔离开关。
9. 一种限制具有功率半导体(8， 9)的变流器(2)损坏的方法，该变流 器(2)经过具有短路的直流电压中间电路(4)与至少一个变流器或者至少一 个机器相连，其中由所述变流器(2)的或者所述直流电压中间电路(4)的储 能器(5， 13)为控制单元供电，所述控制单元确定短路并且然后控制至少一个 与功率半导体(8, 9)并联的半导体保护装置(16),使得短路电流既流过半导 体保护装置(10)也流过与之并联的功率半导体(8, 9),其中，每个储能器(5, 13)在变流器(2)与直流电压中间电路(4)连接之前^皮充电。
10. 根据权利要求9所述的方法，其特征在于，每个功率半导体(8, 9) 借助直流电压开关(15)与所述直流电压中间电路(4)相连。
11. 根据权利要求IO所述的方法，其特征在于，在将所述变流器(2)与 供电网(11)连接之前断开每个直流电压开关(15)。
12. 根据权利要求11所述的方法，其特征在于，借助交流电压开关(16) 将所述变流器(2)与供电网(11)相连。
13. 根据权利要求12所述的方法，其特征在于，为了将所述变流器(2) 与直流电压中间电路(4)连接，首先断开所有交流电压开关(16)和所有直流 电压开关(15)，然后为了对所述储能器(5， 13)充电而闭合所述交流电压开 关(16)，最后在所述储能器(5， 13)充电之后断开每个交流电压开关(16), 为了将所述变流器(2)与直流电压中间电路相连而闭合直流电压开关(15), 并且最后为了将变流器(2)与交流电网(11)相连而闭合每个交流电压开关， 只要事先没有探测到DC短路。
全文摘要
提供了一种用于转换电流的装置(1)，具有至少一个相模块(3a，3b，3c)，该相模块具有交流电压接头(3<sub>1</sub>，3<sub>2</sub>，3<sub>3</sub>)和至少一个与直流电压中间电路(4)相连的直流电压接头(p，n)，并且具有至少一个储能器(5，13)，其中在每个直流电压接头(p，n)和每个交流电压接头(3<sub>1</sub>，3<sub>2</sub>，3<sub>3</sub>)之间形成相模块支路(6ap，6bp，6cp，6an，6bn，6cn)，每个相模块支路(6ap，6bp，6cp，6an，6bn，6cn)具有由子模块(7)组成的串联电路，这些子模块分别具有至少一个功率半导体(8，9)，与每个子模块(7)的功率半导体(8，9)并联设置半导体保护装置(10)和用于控制该半导体保护装置(10)的控制单元，并且储能器(5，13)为控制单元提供能量，该装置就是在接通供电网时也能可靠防止由于直流电压侧出现的短路造成的损坏，按照本发明，每个相模块(3a，3b，3c)的至少一个直流电压接头(p)经过直流电压开关(15)与直流电压中间电路(4)相连。
文档编号H02J3/36GK101611535SQ200780051738
公开日2009年12月23日 申请日期2007年3月13日 优先权日2007年3月13日
发明者乔格·兰, 乔格·多恩, 克劳斯·沃尔夫林格, 夸克-布·图, 英戈·尤勒, 迈克·多马希克 申请人:西门子公司