專利名稱：用于高壓和大功率范圍的頻率換流器的脈沖電阻器(斷路電阻器)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于適度高壓和大功率范圍的換流器的脈沖電阻器。
技術(shù)背景帶有直流電壓輸入的換流器越來(lái)越多地使用在適度高壓范圍內(nèi)的受控 電力驅(qū)動(dòng)裝置和供電設(shè)備中。這種類(lèi)型的換流器也稱為"電壓源逆變器"(U-Umrichter )。如2. 3 kV、 3.3 kV、 4.16 kV和6. 9 kV等的標(biāo)準(zhǔn)中壓在 此歸為所述的適度高壓。圖1顯示的是現(xiàn)有技術(shù)中的已知電壓源逆變器的等效電路圖，為清晰起 見(jiàn)，圖l僅對(duì)這個(gè)電壓源逆變器的負(fù)載側(cè)三相換流器2進(jìn)行了圖示。由于涉 及的是高壓范圍，因此，這個(gè)負(fù)載側(cè)三相換流器2的換流閥T1-T6分別具有 多個(gè)串聯(lián)的可斷半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)4，這些半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)分別與一個(gè)二極管6反向并 聯(lián)。由于每個(gè)換流閥Tl-T6均具有三個(gè)可斷半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)4,因此，這種換流 器拓樸結(jié)構(gòu)也稱為"串聯(lián)數(shù)為三的開(kāi)關(guān)換流器"。每?jī)蓚€(gè)換流閥T1和T2、 T3 和T4、 T5和T6構(gòu)成一個(gè)橋接旁路8，橋接旁路8構(gòu)成開(kāi)關(guān)換流器2的相位 模塊。每?jī)蓚€(gè)換流閥T1和T2、 T3和T4、 T5和T6之間的連接點(diǎn)10分別構(gòu) 成三相負(fù)載(例如三相電動(dòng)機(jī))的接點(diǎn)Ll、 L2或L3。三相換流器2的三個(gè) 相位模塊8通過(guò)兩根母線P。和N。形成并聯(lián)。這兩^^艮母線P。和N。之間連接有 直流電壓中間電路電容器Czw,其由一個(gè)電容器或多個(gè)串聯(lián)和/或并聯(lián)電容器 構(gòu)成。這個(gè)直流電壓中間電路電容器Czw上存在有一個(gè)直流電壓Ud。在串聯(lián) 數(shù)為三的開(kāi)關(guān)換流器的這個(gè)等效電路圖中，可斷半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)4用的是絕緣柵 雙極晶體管(IGBT)。串聯(lián)數(shù)與直流電壓中間電路電容器C^上的直流電壓Ud以及可以購(gòu)得的IGBT的阻斷能力有關(guān)。將能量暫時(shí)回收到直流電壓中間電路電容器Czw中時(shí)，直流電壓中間電 路電容器Czw上的直流電壓Ud有可能會(huì)上升到超過(guò)允許的最大值。這種情況主要出現(xiàn)在連接在接點(diǎn)Ll、 L2和L3上的三相電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)過(guò)程中。其他在 一般情況下持續(xù)時(shí)間較短的原因(例如電網(wǎng)電壓的迅速波動(dòng)或負(fù)荷波動(dòng))也 會(huì)引起這種過(guò)壓情況?？梢越鉀Q這一問(wèn)題的已知措施有—連接一個(gè)能量回收換流器，這個(gè)能量回收換流器與直流電壓中間電路電容器Czw并聯(lián)。借此可將直流電壓中間電路電容器Czw中的過(guò)剩能量輸送回可以接收能量的電網(wǎng)中。一在直流電壓中間電路的母線P。、 N。上連接脈沖控制電阻器，以便將直 流電壓中間電路電容器Czw的剩余能量轉(zhuǎn)化成熱量。圖2顯示的是一個(gè)脈沖控制電阻器(也稱為"脈沖電阻器")的等效電 路圖。這種已知的脈沖電阻器由執(zhí)行元件12和電阻元件14構(gòu)成。執(zhí)行元件 12用的是相位模塊8，其中，無(wú)需使用下部換流閥T8的可斷半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)4。 這個(gè)相位模塊8的上部換流閥T7的實(shí)現(xiàn)方式與圖1所示的負(fù)載側(cè)三相換流 器2的換流閥T1、 T3、 T5的實(shí)現(xiàn)方式相同。為清晰起見(jiàn)，等效電路圖中并 未詳細(xì)顯示脈沖電阻器的執(zhí)行元件12的下部換流閥T8的可斷半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)4。 但這些可斷半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)4有可能存在于相位模塊8中，只是在執(zhí)行"制動(dòng)" 功能時(shí)未受到控制。電阻元件14與串聯(lián)數(shù)為三的下部換流閥T8并聯(lián)。這個(gè) 電阻元件14具有一個(gè)電阻部分16和一個(gè)電感部分18。電感部分18顯示的 是其寄生電感。對(duì)于高壓范圍而言，這種脈沖電阻器的缺點(diǎn)在于以下幾點(diǎn)a) 脈沖電阻器的饋線20和22中的電流ip和"具有很高的電流上升率 di/dt，從而引起電磁干擾輻射。b) 為了對(duì)出現(xiàn)在可斷半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)4上的電壓進(jìn)行限制，須將饋線20和 22實(shí)施為較短的低電感導(dǎo)線。c) 這種脈沖電阻器具有開(kāi)關(guān)作用，在周期性脈沖模式下會(huì)使饋線20和22中的電流ip和"具有較高的交流分量。d)這種脈沖電阻器需要在盡可能近的位置上布置直流電壓電容器Czw才能正常工作。也就是說(shuō)，這種脈沖電阻器必須布置在直流電壓中間電路電容器Czw的附近。如果需要將脈沖控制電阻器14用作換流器2的附加性可選組件，a)和 b)這兩個(gè)缺點(diǎn)就特別難以克服。c)中所述的缺點(diǎn)會(huì)使串聯(lián)數(shù)為三的開(kāi)關(guān)換流 器2的直流電壓中間電路電容器G的直流電壓Ud的紋波含量上升。紋波含 量上升后會(huì)對(duì)連接在母線P。、N。上的其他換流器的功能產(chǎn)生非期望的反作用。 受d)中所述的缺點(diǎn)影響，這種脈沖電阻器無(wú)法應(yīng)用于不具有直流電壓中間電路電容器Czw的換流器拓樸結(jié)構(gòu)。發(fā)明內(nèi)容因此，本發(fā)明的目的是提供一種不具有上述缺點(diǎn)的脈沖電阻器。 根據(jù)本發(fā)明，這個(gè)目的通過(guò)權(quán)利要求1所述的特征而達(dá)成。 通過(guò)用至少兩個(gè)兩極子系統(tǒng)來(lái)代替可斷半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)，可將脈沖電阻器的 電阻元件直接與串聯(lián)子系統(tǒng)串聯(lián)。通過(guò)選擇子系統(tǒng)的數(shù)量，可對(duì)制動(dòng)電流進(jìn) 行精細(xì)控制并確定精細(xì)程度。由于這些兩極子系統(tǒng)各自具有一個(gè)單極存儲(chǔ)電 容器，因此，本發(fā)明的脈沖電阻器就不再需要直流電壓電容器。在此情況下， 這個(gè)脈沖電阻器也就無(wú)需布置在負(fù)載側(cè)換流器的直流電壓中間電路電容器 的附近。也就是說(shuō)，本發(fā)明的脈沖電阻器可借助兩根饋線(例如鋼絞線)與 負(fù)載側(cè)換流器的正、負(fù)極母線相連。通過(guò)接通和斷開(kāi)本發(fā)明的脈沖電阻器的子系統(tǒng)，可對(duì)制動(dòng)電流進(jìn)行分級(jí) 控制，也就是說(shuō)，本發(fā)明的脈沖電阻器并不具有開(kāi)關(guān)作用。在此情況下，脈 沖電阻器的饋線中的電流不再具有較高的交流分量。根據(jù)脈沖電阻器的 一種有利實(shí)施方式，串聯(lián)子系統(tǒng)的存儲(chǔ)電容器所采用 的電容值使得存儲(chǔ)在饋線和電阻元件的寄生電感中的能量低于存儲(chǔ)在這些存儲(chǔ)電容器中的能量。借此可將制動(dòng)電流被切斷時(shí)所產(chǎn)生的過(guò)壓最小化。通 過(guò)為存儲(chǔ)電容器確定足夠大的電容值，就可實(shí)現(xiàn)這一條件。根據(jù)脈沖電阻器的另 一種有利實(shí)施方式，串聯(lián)子系統(tǒng)的存儲(chǔ)電容器所采 用的電容值使得電阻元件和存儲(chǔ)電容器所構(gòu)成的時(shí)間常數(shù)小于子系統(tǒng)的任 何一個(gè)操作狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間。借此可避免串聯(lián)子系統(tǒng)的單極存儲(chǔ)電容器上的 電壓在切換操作中發(fā)生不必要的波動(dòng)。這個(gè)條件同樣通過(guò)為存儲(chǔ)電容器確定 足夠大的電容值而得到滿足。


下面借助附圖和附圖所示的本發(fā)明的脈沖電阻器的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，其中圖1為現(xiàn)有技術(shù)中的已知電壓源逆變器的負(fù)載側(cè)換流器的等效電路圖； 圖2為已知的脈沖控制電阻器的等效電路圖； 圖3為本發(fā)明的脈沖電阻器的等效電路圖；以及 圖4和圖5分別為子系統(tǒng)的電路布置圖。
具體實(shí)施方式
在圖3所示的本發(fā)明的脈沖電阻器的等效電路圖中，四個(gè)子系統(tǒng)24和 一個(gè)電阻元件14電性串聯(lián)。這個(gè)示意圖中的子系統(tǒng)24的數(shù)量為示范性數(shù)量。 也就是說(shuō)，串聯(lián)子系統(tǒng)24的數(shù)量可以任意選擇。舉例而言，所用子系統(tǒng)24 的數(shù)量可以取決于對(duì)制動(dòng)電流iB的精細(xì)控制的程度。這個(gè)脈沖電阻器通過(guò)饋 線26和28與負(fù)載側(cè)換流器2的母線P。和N。電性相連。對(duì)本發(fā)明的脈沖電阻 器的饋線26和28并不做對(duì)圖2所示的已知脈沖電阻器的饋線20和22那樣 的具體要求。只需接通和斷開(kāi)各子系統(tǒng)24即可實(shí)現(xiàn)對(duì)制動(dòng)電流iB的控制，其中，全 部子系統(tǒng)24同時(shí)或依次接通或斷開(kāi)。在空閑狀態(tài)下，當(dāng)制動(dòng)電流"為零時(shí)，所有子系統(tǒng)24均處于這樣一個(gè)操作狀態(tài)無(wú)論端電流方向如何，子系統(tǒng)24 的端電壓Um的值都不為零，每個(gè)子系統(tǒng)24均隨具體的端電流方向吸收或釋 放能量。根據(jù)DE 101 03 031 Al,這種操作狀態(tài)稱為"操作狀態(tài)II"。為能 實(shí)現(xiàn)最大制動(dòng)電流iBmax,將全部子系統(tǒng)都控制在這樣一個(gè)操作狀態(tài)無(wú)論端 電流方向如何，子系統(tǒng)24的端電壓仏21的值都為零。根據(jù)DE 101 03 031 Al, 這種操作狀態(tài)稱為"操作狀態(tài)I"。為能實(shí)現(xiàn)制動(dòng)電流的精細(xì)分級(jí)中間值 (0<iB<itoax),只將n個(gè)子系統(tǒng)24中的一個(gè)到n 1個(gè)子系統(tǒng)24控制在操 作狀態(tài)I 。其余的子系統(tǒng)24仍處于操作狀態(tài)II 。DE 101 03 031 Al中所公開(kāi)的對(duì)n個(gè)子系統(tǒng)24的存儲(chǔ)電容器40上的電 壓Uc進(jìn)行調(diào)諧的方法是將n個(gè)串聯(lián)子系統(tǒng)24中電容器電壓Uc最高的子系統(tǒng) 24優(yōu)選轉(zhuǎn)換到操作狀態(tài)I 。為避免這些電容器電壓Ue在操作過(guò)程中發(fā)生不必要的劇烈波動(dòng)，有利及 有意義的做法是為每個(gè)操作狀態(tài)選擇相對(duì)于由歐姆電阻元件14和n個(gè)子系 統(tǒng)24的存儲(chǔ)電容器40構(gòu)成的時(shí)間常數(shù)而言較短的持續(xù)時(shí)間。如果n個(gè)子系 統(tǒng)24的存儲(chǔ)電容器40的電容值足夠大，就可實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。第二種實(shí)現(xiàn)方式 是選擇足夠高的操作頻率。為能將制動(dòng)電流ib被切斷時(shí)出現(xiàn)在n個(gè)子系統(tǒng)24的存儲(chǔ)電容器4 0上的 過(guò)壓最小化，有利的做法是使存儲(chǔ)在饋線26、 28和電阻元件14的寄生電感 30和18中的能量低于存儲(chǔ)在n個(gè)子系統(tǒng)24的存儲(chǔ)電容器40中的能量。這 一點(diǎn)還是可以通過(guò)為n個(gè)子系統(tǒng)24的存儲(chǔ)電容器40確定足夠大的電容值而 實(shí)現(xiàn)。圖4顯示的是DE 101 03 031 Al中所公開(kāi)的、適用于圖3所示的脈沖 電阻器子系統(tǒng)24的簡(jiǎn)單的電路布置圖。圖5所示的電路布置圖是一種就功 能而言完全等效的實(shí)施方案。這種已知的兩極子系統(tǒng)24具有兩個(gè)可斷半導(dǎo) 體開(kāi)關(guān)32和34、兩個(gè)二極管36和38以及一個(gè)單極存儲(chǔ)電容器40。這兩個(gè) 可斷半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)32和34電性串聯(lián)，這一串聯(lián)電路又與存儲(chǔ)電容器40并聯(lián)。每個(gè)可斷半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)32和34分別與兩個(gè)二極管36和38中的一個(gè)并l關(guān)，且 其連接方式使得二極管與對(duì)應(yīng)的可斷半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)32或34反向并聯(lián)。子系統(tǒng) 24的單極存儲(chǔ)電容器40或者為一個(gè)電容器，或者為一個(gè)由多個(gè)這種電容器 構(gòu)成的總電容為C。的電容器組?？蓴喟雽?dǎo)體開(kāi)關(guān)32的發(fā)射極與二極管36的 陽(yáng)極之間的連接點(diǎn)構(gòu)成子系統(tǒng)24的接線端子X(jué)I。兩個(gè)可斷半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)32 和34與兩個(gè)二極管36和38之間的連接點(diǎn)構(gòu)成子系統(tǒng)24的第二接線端子X(jué)2 。在圖5所示的子系統(tǒng)24的實(shí)施方式中，這個(gè)連接點(diǎn)構(gòu)成第一接線端子 XI。可斷半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)34的漏極與二極管38的陰極之間的連接點(diǎn)構(gòu)成子系統(tǒng) 24的第二接線端子X(jué)2。當(dāng)子系統(tǒng)24處于操作狀態(tài)I時(shí)，可斷半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)32接通，可斷半導(dǎo)體 開(kāi)關(guān)34斷開(kāi)。為能實(shí)現(xiàn)操作狀態(tài)II,將可斷半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)32斷開(kāi)，將可斷半 導(dǎo)體開(kāi)關(guān)34接通。當(dāng)子系統(tǒng)24處于操作狀態(tài)I時(shí)，子系統(tǒng)24的端電壓UX21 等于零，而當(dāng)子系統(tǒng)24處于操作狀態(tài)II時(shí)，端電壓U^等于存儲(chǔ)電容器40上的電容器電壓Uc。通過(guò)選擇圖3所示的脈沖電阻器的串聯(lián)子系統(tǒng)24的數(shù)量，可以筒單的 方式調(diào)節(jié)本發(fā)明的脈沖電阻器使其與任意一種標(biāo)準(zhǔn)中壓相匹配。通過(guò)選擇圖3所示的脈沖電阻器的子系統(tǒng)24的數(shù)量，還可預(yù)先確定每個(gè)存儲(chǔ)電容器40 上的電容器電壓Ue。這個(gè)電容器電壓Ue也決定了兩個(gè)可斷半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)32和 34的耐壓強(qiáng)度。如圖4和圖5所示，可斷半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)32和34用的是絕緣柵 雙極晶體管(IGBT)。也可使用MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管(也稱為"MOSFET")。借助本發(fā)明的脈沖電阻器可以克服前文a)至d)所述的全部缺點(diǎn)。除此 之外，本發(fā)明的脈沖電阻器還具有以下優(yōu)點(diǎn)一可對(duì)制動(dòng)電流iB進(jìn)行精細(xì)程度的控制，其中間級(jí)數(shù)量與串聯(lián)子系統(tǒng) 24的數(shù)量相符。一與DE 101 03 031 Al中所公開(kāi)的子系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式相一致。 這些特性就整體而言證明了較大的組件數(shù)量，特別是適度高壓和大功率范圍內(nèi)的換流器的組件數(shù)量是合理的。
權(quán)利要求
1.一種用于適當(dāng)高壓和大功率范圍的換流器的脈沖電阻器，所述脈沖電阻器包括至少兩個(gè)兩極子系統(tǒng)(24)與一電阻元件(14)，其中，所述子系統(tǒng)(24)與所述電阻元件(14)電性串聯(lián)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖電阻器，其特征在于， 所述兩極子系統(tǒng)(24)包括兩個(gè)可斷半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)(32, 34 )、兩個(gè)二極管(36， 38)與一單極存儲(chǔ)電容器(40),其中，所述兩個(gè)可斷半導(dǎo)體開(kāi)關(guān) (32， 3"電性串聯(lián)，且這一串聯(lián)電路又與所述單極存儲(chǔ)電容器(40)電性 并聯(lián)，每個(gè)可斷半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)(32, 34 )分別與一個(gè)二極管(36， 38)反向并 聯(lián)。
3. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的脈沖電阻器，其特征在于，所述兩極子系統(tǒng)(24 )的存儲(chǔ)電容器(4 0 )的電容值使得存儲(chǔ)在饋線(26, 28)和所述電阻元件(14)的寄生電感(30, 18)中的能量低于存儲(chǔ)在所述 存儲(chǔ)電容器(40)中的能量。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的脈沖電阻器，其特征 在于，所述兩極子系統(tǒng)(24)的存儲(chǔ)電容器(40)的電容值使得所述電阻元件 (14 )和所述存儲(chǔ)電容器(40 )所構(gòu)成的時(shí)間常數(shù)小于操作狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的脈沖電阻器，其特征在于，每個(gè)子系統(tǒng)(24)的接線端子(XI, X2)均與所述串聯(lián)的可斷半導(dǎo)體開(kāi) 關(guān)(32, 34 )中的下部可斷半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)(32)的接頭電性相連。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的脈沖電阻器，其特征在于，每個(gè)子系統(tǒng)(24)的接線端子(XI, X2)均與所述串聯(lián)的可斷半導(dǎo)體開(kāi) 關(guān)(32， 34)中的上部可斷半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)(34)的接頭電性相連。
7. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的脈沖電阻器，其特征在于，所述可斷半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)(32, 34 )為絕緣柵雙極晶體管。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的脈沖電阻器，其特征在于，所述可斷半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)(32， 34)為MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的脈沖電阻器，其特征 在于，所述可斷半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)(32, 34 )為門(mén)極可關(guān)斷晶閘管。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的脈沖電阻器，其特征在于，所述可斷半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)(32, 34 )為集成門(mén)極換流晶閘管。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于高壓和大功率范圍的換流器的脈沖電阻器。所述脈沖電阻器具有至少兩個(gè)兩極子系統(tǒng)(24)與一電阻元件(14)，其中，所述子系統(tǒng)(24)與所述電阻元件(14)串聯(lián)。由此而實(shí)現(xiàn)的脈沖電阻器不再具有已知脈沖電阻器的缺點(diǎn)，借助這種脈沖電阻器可對(duì)制動(dòng)電流(i_B)進(jìn)行精細(xì)的分級(jí)控制，此外還可以簡(jiǎn)單的方式使這種脈沖電阻器與任何中壓相匹配。
文檔編號(hào)H02P3/22GK101253677SQ200680031290
公開(kāi)日2008年8月27日 申請(qǐng)日期2006年7月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月26日
發(fā)明者雷納·薩默 申請(qǐng)人:西門(mén)子公司