Изобретение относится к субмодулю для образования инвертора с первым субблоком, который содержит первый накопитель энергии, включенное параллельно первому накопителю энергии первое последовательное соединение двух мощных полупроводниковых переключающих блоков, которые содержат, соответственно, подключаемый и отключаемый мощный полупроводник с одинаковым направлением пропускания и, соответственно, являются проводящими обратно упомянутому направлению пропускания, и первую соединительную клемму, которая соединена с точкой потенциала между мощными полупроводниковыми переключающими блоками первого последовательного соединения, и со вторым субблоком, который содержит второй накопитель энергии, включенное параллельно второму накопителю энергии второе последовательное соединение двух мощных полупроводниковых переключающих блоков, которые содержат, соответственно, подключаемый и отключаемый мощный полупроводник с одинаковым направлением пропускания и, соответственно, являются проводящими обратно упомянутому направлению пропускания, и вторую соединительную клемму, которая соединена с точкой потенциала между мощными полупроводниковыми переключающими блоками второго последовательного соединения.
Изобретение также относится к инвертору, например, для высоковольтных применений с мощными полупроводниковыми вентилями, которые находятся, соответственно, между выводом переменного напряжения и выводом постоянного напряжения и образуют мостовую схему, причем каждый мощный полупроводниковый вентиль имеет последовательное соединение двухполюсных субмодулей, и каждый субмодуль имеет по меньшей мере один накопитель энергии и по меньшей мере одну мощную полупроводниковую схему.
Такой субмодуль и такой инвертор уже известны из DE 10103031 А1. Описанный там инвертор содержит мощные полупроводниковые вентили, которые соединены между собой по мостовой схеме. Каждый из этих мощных полупроводниковых вентилей имеет вывод переменного напряжения для подключения фазы сети переменного напряжения и вывод постоянного напряжения, который может быть соединен с полюсом промежуточного контура постоянного напряжения. При этом каждый мощный полупроводниковый вентиль состоит из последовательного соединения двухполюсных субмодулей, которые, соответственно, имеют униполярный накопительный конденсатор, а также мощную полупроводниковую схему в параллельном подключении к накопительному конденсатору. Мощная полупроводниковая схема состоит из последовательного соединения одинаково ориентированных подключаемых и отключаемых мощных полупроводниковых переключателей, как, например, IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором) или GTO (двухоперационный триодный тиристор), к которым встречно-параллельно подключен безынерционный диод. Одна из двух соединительных клемм каждого субмодуля соединена с накопительным конденсатором, а другая соединительная клемма соединена с точкой потенциала между обоими подключаемыми и отключаемыми мощными полупроводниковыми переключателями. В зависимости от состояния переключения обоих управляемых мощных полупроводников, к обеим выходным клеммам субмодуля может прикладываться либо падающее на накопительном конденсаторе напряжение, либо нулевое напряжение. Ввиду последовательного соединения субмодулей внутри мощного полупроводникового вентиля, обеспечивается так называемый запоминающий постоянное напряжение многоступенчатый инвертор, причем высота ступеней напряжения определяется высотой соответствующего конденсаторного напряжения. Многоступенчатые или многопозиционные инверторы, по сравнению с двух- или трехступенчатыми инверторами с центральными конденсаторными батареями, имеют преимущество, состоящее в том, что предотвращаются высокие токи разряда при коротком замыкании на стороне постоянного напряжения инвертора. Кроме того, при многоступенчатых инверторах снижаются затраты на фильтрацию высших гармоник по сравнению с двух- или трехпозиционными инверторами.
Многопозиционные инверторы также предпочтительным образом пригодны для построения пространственно протяженных разветвленных сетей постоянного напряжения, которые, в частности, требуются в так называемых прибрежных ветроэнергетических установках и в связи с сетями солнечной энергии в пустынных регионах.
Важной предпосылкой для применения инверторов в этих областях является, однако, надежное управление короткими замыканиями в сети постоянного тока. Ввиду основополагающих физических проблем, не имеется полезных механических переключателей для сверхвысоких постоянных напряжений, которые могли бы коммутировать под нагрузкой высокие токи неисправности. Также технически реализуемые времена отключения и коммутационное перенапряжение механических переключателей являются мешающими факторами.
В ЕР 0867998 В1 описано использование электронных мощных полупроводниковых переключателей в промежуточном контуре постоянного напряжения системы передачи постоянного тока высокого напряжения. При использовании мощных полупроводниковых переключателей при постоянных напряжениях в несколько сотен киловольт, однако, имеется недостаток, состоящий в том, что высокое напряжение делает необходимым большое количество последовательно включенных мощных полупроводников. Тем самым на этих компонентах также устанавливаются высокие потери при пропускании. Кроме того, должны обеспечиваться ограничители перенапряжения в параллельном включении к мощным полупроводникам, из-за чего дополнительно повышаются затраты. Ограничители перенапряжения не имеют, как правило, идеальной характеристики ограничения, так что количество последовательно включенных мощных полупроводников должно проектироваться более высоким, чем это требовалось бы номинальным напряжением. Из-за этого расчета с запасом потери при пропускании еще больше увеличиваются.
В WO 2008/067786 А1 описан многопозиционный инвертор с последовательными соединениями субмодулей, причем каждый субмодуль наряду с конденсатором в параллельном включении к мощной полупроводниковой схеме имеет тиристор. Тиристор включен параллельно безынерционному диоду мощной полупроводниковой схемы, который в случае неисправности проводит весь ток короткого замыкания. При коротком замыкании срабатывает параллельный тиристор, так что безынерционный диод разгружается.
Наряду с вышеприведенными применениями в области передачи и распределения электроэнергии, запоминающие постоянное напряжение многопозиционные инверторы также пригодны для использования в области техники приводов.
Вышеупомянутые многопозиционные или многоступенчатые инверторы имеют недостаток, заключающийся в том, что ток короткого замыкания через инвертор может ограничиваться в обоих направлениях не без дополнительных мер, так что полупроводники инвертора и внешние компоненты в цепи короткого замыкания оказываются под угрозой и могут быть разрушены.
Задачей изобретения является предоставить субмодуль и инвертор вышеуказанного типа, с помощью которых могут эффективным образом ограничиваться возникающие в случае неисправности токи короткого замыкания и надежным образом предотвращаться повреждения установки. Кроме того, неисправные участки сети постоянного напряжения должны быстро обесточиваться и таким образом отсоединяться от остальной сети постоянного напряжения.
Наконец, при коротком замыкании на стороне постоянного напряжения инвертора, на токи на его стороне переменного напряжения должно оказываться по возможности малое влияние, и должно предотвращаться срабатывание механических переключателей стороны переменного напряжения.
Исходя их вышеуказанного субмодуля, изобретение решает эту задачу тем, что первый субблок и второй субблок соединены между собой средствами соединения, которые выполнены таким образом, что в по меньшей мере одном выбранном состоянии переключения всех мощных полупроводниковых переключающих блоков протекание тока между первой соединительной клеммой и второй соединительной клеммой в обоих направлениях осуществляется только через первый накопитель энергии и/или второй накопитель энергии.
Исходя из вышеуказанного инвертора, изобретение решает эту задачу тем, что субмодуль представляет собой соответствующий изобретению субмодуль.
В соответствии с изобретением два субблока, которые имеют, соответственно, накопитель энергии, например конденсатор, и последовательное соединение двух мощных полупроводниковых переключающих блоков, соединены друг с другом с помощью средств соединения. Средства соединения, в отличие от уровня техники, выполнены таким образом, что при соответствующем управлении мощными полупроводниковыми переключающими блоками протекание тока между обеими соединительными клеммами соответствующего изобретению субмодуля должно осуществляться всегда через по меньшей мере один накопитель энергии. Соответствующий используемый накопитель энергии, независимо от полярности тока клемм, всегда формирует обратное напряжение, которое вызывает быстрое затухание протекания тока. Выбранное состояние переключения в соответствии с изобретением зависит от топологии средств соединения и их компонентов.
В соответствии с изобретением высоким током короткого замыкания можно управлять без внешних дополнительных переключателей. В противоположность уровню техники, в рамках изобретения гарантируется, что высокие токи короткого замыкания посредством самого инвертора в обоих направлениях могут устраняться быстро, надежно и эффективно. Дополнительные переключатели, например, в контуре постоянного напряжения, который соединен с инвертором, или полупроводниковые переключатели, включенные параллельно мощному полупроводнику субмодуля, в рамках изобретения становятся излишними. В случае неисправности, соответствующие изобретению субмодули почти исключительно воспринимают высвобождающуюся энергию, так что она полностью поглощается. Поглощение энергии имеет следствием обратное напряжение и может рассчитываться определенным и желательным образом, так что предотвращаются нежелательно высокие напряжения. Кроме того, в соответствии с изобретением для повторного запуска инвертора никакие накопители энергии не должны заряжаться контролируемым образом. Более того, соответствующий изобретению инвертор может в любой момент повторно входить в свой нормальный режим работы.
Целесообразно, средства соединения имеют блок переключения. Этот блок переключения в упомянутом выбранном состоянии находится, например, в положении прерывания. Однако в отличие от этого, в соответствии с изобретением также возможно, что блок переключения в выбранном состоянии переключения находится в своем положении пропускания. Выполнение блока переключения в рамках этого дальнейшего развития изобретения, в принципе, может быть любым. Так, он может представлять собой, например, механический блок переключения, подходящий полупроводниковые переключатель или мощный полупроводниковый переключающий блок, который подобен остальным мощным полупроводниковым переключающим блокам инвертора. Выполнение мощных полупроводниковых переключающих блоков далее будет рассмотрено более подробно.
Целесообразно, средства соединения имеют по меньшей мере один диод разъединения потенциала, который выполнен для сохранения разности напряжений между первым субблоком и вторым субблоком. Согласно этому предпочтительному дальнейшему развитию, можно увеличивать число реализуемых ступеней напряжения. Так, например, возможно, формировать на соединительных клеммах субмодуля сумму напряжений, падающих на первом накопителе энергии и на втором накопителе энергии. Кроме того, в этом выполнении изобретения существует возможность, в зависимости от состояния переключения мощных полупроводниковых переключающих блоков, формировать на соединительных клеммах только одно напряжение, а именно падающее либо на первом накопителе энергии, либо на втором накопителе энергии. Таким способом первый и второй субблоки, с точки зрения техники регулирования, могут работать как два субмодуля согласно уровню техники. Установленные до сих пор способы регулирования могут, таким образом, применяться и в соответствующем изобретению субмодуле.
Кроме того, является предпочтительным, если средства соединения имеют по меньшей мере один демпфирующий резистор. Демпфирующий(е) резистор(ы) поддерживает(ют) накопители энергии, чтобы в случае неисправности поглощать энергию. Для этого демпфирующие резисторы таким образом соединены с остальными компонентами средств соединения, что в упомянутом выбранном состоянии переключения ток, независимо от полярности клеммного тока, по меньшей мере частично проходит также через демпфирующий резистор.
Согласно предпочтительному выполнению изобретения, соответствующие изобретению средства имеют эмиттерную соединительную ветвь, которая соединяет эмиттер первого мощного полупроводникового переключающего блока первого последовательного соединения с эмиттером первого мощного полупроводникового переключающего блока второго последовательного соединения, и в котором размещен диод разъединения потенциала, коллекторную соединительную ветвь, которая соединяет коллектор второго мощного полупроводникового переключающего блока первого последовательного соединения с коллектором второго мощного полупроводникового переключающего блока второго последовательного соединения, и в котором размещен диод разъединения потенциала, и ветвь переключения, в которой размещен блок переключения и которая соединяет катод диода разъединения потенциала эмиттерной соединительной ветви с анодом диода разъединения потенциала коллекторной соединительной ветви. Эмиттер мощного полупроводникового переключающего блока обозначается также как исток или катод.
Согласно относящемуся к этому целесообразному дальнейшему развитию, в эмиттерной соединительной ветви и в коллекторной соединительной ветви размещен соответствующий демпфирующий резистор. Как уже было изложено, блок переключения ветви переключения в принципе может выбираться любым образом. Существенным является, что время переключения между положением прерывания, в котором он прерывает протекание тока, и положение пропускания, в котором он является проводящим, могут переключаться туда и обратно. Так, например, возможно, в качестве блока переключения использовать механический мощный переключатель, экономичный полупроводниковый переключатель или мощный полупроводниковый переключающий блок, который подобен остальным мощным полупроводниковым переключающим блокам субмодуля. Также в рамках изобретения в качестве блока переключения могут применяться другие управляемые мощные полупроводники.
Как уже было упомянуто выше, выбранное состояние переключения реализуется согласно этому целесообразному дальнейшему развитию, если все мощные полупроводниковые переключающие блоки и блок переключения находятся в их состоянии прерывания. Клеммный ток проводится тогда в каждом случае через по меньшей мере один накопитель энергии или демпфирующий резистор.
Блок переключения в каждом случае следует выбирать таким образом, чтобы возникающая на нем в нормальном режиме работы субмодуля мощность потерь была по возможности малой.
Если все мощные полупроводниковые переключающие блоки субмодуля выполнены идентичными, иными словами, все полупроводниковые переключатели идентичны, то они имеют одинаковое запирающее напряжение и структуру. Это является предпочтительным при высоком напряжении, потому что для экстремально высоких напряжений и мощностей пригодно лишь мало полупроводниковых переключателей. Единая комплектация субмодулей обеспечивает возможность использования соответственно самых подходящих и самых высокопроизводительных полупроводников.
Выгодным образом каждый мощный полупроводниковый переключающий блок имеет подключаемый и отключаемый мощный полупроводник, встречно-параллельно которому включен безынерционный диод. Такие отключаемые мощные полупроводники представляют собой, например, коммерчески доступные IGBT или GTO и т.п. Эти мощные полупроводники обычно используются с встречно-параллельно включенным безынерционным диодом. В общем случае, в соответствии с изобретением могут использоваться обратно проводящие мощные полупроводники. Отдельные безынерционные диоды тогда не требуются.
Выгодным образом каждый накопитель энергии выполнен как конденсатор и, в частности, как униполярный накопительный конденсатор.
Другие преимущества и выполнения являются предметом последующего описания примеров выполнения со ссылками на приложенные чертежи, на которых одинаковыми ссылочными позициями обозначены одинаково действующие компоненты, и на которых показано следующее:
Фиг.1 - схематичное представление примера выполнения соответствующего изобретению инвертора,
Фиг.2 - более подробное представление примера выполнения соответствующего изобретению субмодуля.
На Фиг.1 показано схематичное представление примера выполнения соответствующего изобретению инвертора 1. Можно видеть, что инвертор 1 имеет мощные полупроводниковые вентили 2, которые соединены между собой по мостовой схеме. Каждый из мощных полупроводниковых вентилей 2 находится между выводом L1, L2, L3 переменного напряжения и выводом 31, 32, 33 или 41, 42, 43 постоянного напряжения. Выводы 31, 32, 33 постоянного напряжения через положительный полюсный вывод 5 соединяются с положительным полюсом и через отрицательный полюсный вывод 6 - с отрицательным полюсом не показанной на чертеже сети постоянного напряжения.
Выводы L1, L2, L3 переменного напряжения соединены соответственно со вторичной обмоткой трансформатора, первичная обмотка которого подключена к также не показанной на чертеже сети переменного напряжения. Для каждой фазы сети переменного напряжения предусмотрен соответствующий вывод L1, L2, L3 переменного напряжения. В показанном примере выполнения сеть переменного напряжения является трехфазной. Таким образом, инвертор 1 имеет три вывода L1, L2, L3 переменного напряжения. Между выводом L1, L2, L3 переменного напряжения и трансформатором предпочтительным образом предусмотрены механические мощные переключатели, чтобы в случае неисправности отсоединить сеть переменного напряжения от инвертора 1. Мощные переключатели также не представлены на Фиг.1.
Инвертор 1 в показанном примере выполнения является частью установки передачи постоянного тока высокого напряжения и служит для соединения сетей переменного напряжения, чтобы между ними передавать высокие электрические мощности. Здесь, однако, следует упомянуть, что инвертор также может быть частью, так называемой, установки FACTS, которая служит для стабилизации сети или обеспечения требуемого качества напряжения. Кроме того, также возможно применение инвертора согласно Фиг.1 и 2 в технике приводов.
На Фиг.1 также можно видеть, что каждый мощный полупроводниковый вентиль 2 имеет последовательное соединение из субмодулей 7, а также дроссель 8. При этом каждый субмодуль 7 имеет две соединительные клеммы х1 или х2.
Фиг.2 более подробно показывает пример выполнения соответствующего изобретению субмодуля 7. Следует отметить, что все схематично представленные на Фиг.1 субмодули 7 выполнены идентично. Поэтому Фиг.2 показывает строение всех субмодулей 7 инвертора 1 на примере некоторого субмодуля 7.
Субмодуль 7 согласно Фиг.2 имеет первый субблок 9, а также второй субблок 10, которые обрамлены пунктирной линией и выполнены идентичным образом. Так первый субблок 9 имеет первое последовательное соединение 11 из мощных полупроводниковых переключающих блоков 12 и 13, которые в показанном примере выполнения имеют IGBT 14 или 15 в качестве подключаемых и отключаемых мощных полупроводников и соответствующий безынерционный диод 16 и 17, которые встречно-параллельно подключены к соответственно ассоциированному IGBT 14, 15. IGBT 14, 15 имеют одинаковое направление пропускания, то есть ориентированы одинаково. Точка потенциала между мощными полупроводниковыми переключающими блоками 12 и 13 соединена с первой соединительной клеммой х2. Последовательное соединение 11 является параллельным к первому конденсатору 18 в качестве первого накопителя энергии, на котором падает напряжение UC1.
Второй субблок 10 имеет второе последовательное соединение 19 из первого мощного полупроводникового переключающего блока 20 и второго мощного полупроводникового переключающего блока 21, которые имеют, соответственно, IGBT 22 или 23 в качестве подключаемых и отключаемых мощных полупроводников. IGBT 22, 23 имеют в последовательном соединении 19 одинаковое направление пропускания, так что мощные полупроводниковые переключающие блоки 20 и 21 ориентированы одинаково. К каждому IGBT 22 или 23 второго последовательного соединения 19 встречно-параллельно включен безынеционный диод 24 или 25. Второе последовательное соединение 19 включено параллельно второму конденсатору 26, на котором падает напряжение UC2. Точка потенциала между мощными полупроводниковыми переключающими блоками 20 и 21 соединена со второй соединительной клеммой х1.
Субблоки 9 и 10 связаны друг с другом посредством средств 27 соединения. Средства 27 соединения имеют эмиттерную соединительную ветвь 28, а также коллекторную соединительную ветвь 29. Эмиттерная соединительная ветвь 28 соединяет эмиттер IGBT 15 первого последовательного соединения 11 с эмиттером IGBT 23 второго последовательного соединения 19. Коллекторная соединительная ветвь 29, напротив, соединяет коллектор IGBT 14 первого последовательного соединения 11 с коллектором IGBT 22 второго последовательного соединения 19. В эмиттерной соединительной ветви 28 размещены диод 30 разъединения потенциала, а также ограничительный резистор 31. Коллекторная соединительная ветвь 29 имеет также диод 32 разъединения потенциала, а также ограничительный резистор 33. Эмиттерная соединительная ветвь 28 соединена с коллекторной соединительной ветвью 29 через ветвь 34 переключения, в которой расположен блок 35 переключения. В показанном примере выполнения блок переключения реализован как мощный полупроводниковый переключающий блок 35 и включает в себя IGBT 36, а также встречно-параллельно подключенный к нему безынерционный диод 37. При этом ветвь 34 переключения соединяет катодную сторону диода 30 разъединения потенциала с анодной стороной диода 32 разъединения потенциала, причем ограничительный резистор 33, расположенный между упомянутым анодом и ветвью 34 переключения, опущен.
Далее будет описан способ работы схемы субмодуля 7. Прежде всего, следует отметить, что требуемое запирающее напряжение всех мощных полупроводников, то есть как безынерционных диодов 16, 17, 24 и 25, так и подключаемых и отключаемых мощных полупроводниковых переключателей 14, 15, 22 и 23, следует максимальному напряжению обоих униполярных накопительных конденсаторов 18 и 26, которые в выбранном примере выполнения одинаковы. Таким способом можно избежать нежелательного расчета с запасом запирающих напряжений упомянутых мощных полупроводников.
В целом можно провести различие между несколькими состояниями переключения, которые отличаются друг от друга в отношении клеммных напряжений Ux.
В выбранном в качестве примера состоянии 1 переключения падающее на соединительных клеммах х2 и х1 клеммное напряжение Ux независимо от направления клеммного тока равно нулю. В этом состоянии 1 переключения IGBT 15, 22 и 36 находятся в их положении пропускания, в котором возможно протекание тока в направлении пропускания через соответствующий IGBT. Остальные IGBT, то есть IGBT 14 и 23, находятся, напротив, в своем положении запирания, так что протекание тока через эти IGBT прервано. При положительном направлении тока ix (ix положительно), которое на Фиг.2 на первой соединительной клемме х2 обозначено стрелкой, мощные полупроводники 15, 37 и 22 являются токоведущими. При отрицательном направлении тока ix (ix отрицательно) токоведущими являются мощные полупроводники 24, 36 и 17.
В последующей таблице приведены предпочтительно используемые состояния переключения
Столбцы WC1 и WC2 должны наглядно показывать, получают или отдают энергию накопительные конденсаторы 18 и 26, причем +1 соответствует получению, а -1 соответствует отдаче энергии.
Из таблицы можно видеть, что в состояниях 2, 3 и 4 переключения на соединительных клеммах х2 и х1 всегда генерируется положительное напряжение. Это справедливо независимо от направления клеммного тока. Так, например, на соединительных клеммах может существовать конденсаторное напряжение UC1, или конденсаторное напряжение UC2, или сумма конденсаторных напряжений UC1+UC2.
В состоянии 5 переключения все управляемые мощные полупроводники, то есть IGBT 14, 15, 22, 23 и 36 находятся в их положении прерывания, так что протекание тока через IGBT прерывается. В этом состоянии переключения клеммное напряжение Ux образует независимо от полярности клеммного тока ix всегда обратное напряжение, так что сумодуль 7 всегда принимает энергию. При отрицательном направлении тока, ix отрицательно, формируется отрицательное обратное напряжение посредством параллельного включения накопительных конденсаторов 26 и 18, а также посредством падения напряжения на демпфирующих резисторах 30 и 32. Если конденсаторные напряжения UC1 и UC2 не точно согласованы, то они самостоятельно симметрируются. В состоянии 5 переключения с хорошим приближением справедливо
Причем UR соответствует падению напряжения на демпфирующих резисторах 32 и 30.
При положительном направлении тока формируется положительное обратное напряжение
И здесь протекание тока может осуществляться только при зарядке накопительных конденсаторов 18 или 25. При этом является предпочтительным, что возникающий ток направляется через оба конденсатора, так как на них тогда возникает меньшее перенапряжение, чем в случае, если бы только один конденсатор должен был принимать энергию.
Из вышеприведенной таблицы, кроме того, можно видеть, что с помощью субмодуля 7 и его обоих субблоков 9 и 10 могут вырабатываться одинаковые выходные напряжения на выходных клеммах, как в случае двух последовательно соединенных субмодулей согласно уровню техники (DE 10103031 А1). Субблоки 9, 10 соответствуют примерно соответствующему субмодулю согласно уровню техники. Иными словами, соответствующий изобретению субмодуль согласно Фиг.2 может управляться аналогично тому, как два субмодуля согласно уровню техники. Все известные способы регулирования поэтому могут применяться. В более узком смысле существует, однако, дополнительное условие, состоящее в том, что число последовательно включенных сумодулей согласно уровню техники всегда должно давать четное число. При высоковольтных применениях число последовательно включенных субмодулей, однако, настолько велико, что это дополнительное условие является несущественным.
Состояние 5 переключения используется в случае неисправности для полного исчезновения тока. Когда все субмодули 7 переводятся в это состояние переключения, токи ветвей инвертора 1 и, в результате, также токи стороны переменного напряжения и постоянного напряжения вследствие суммы обратных напряжений всех последовательно включенных субмодулей 7 очень быстро спадают до нуля. Скорость этого спадания тока получается из вышеназванного обратного напряжения и суммарно имеющихся в токовых цепях индуктивностей. Она имеет в показанном примере выполнения в типовом случае порядок величины нескольких миллисекунд.
Время запаздывания до начала спада тока, по существу, зависит от времени срабатывания блока 35 переключения. Если для блока 35 переключения используется мощный полупроводниковый переключающий блок согласно Фиг.2, то этим временем запаздывания можно пренебречь. Время запаздывания тогда, по существу, обусловлено инерционностью различных измерительных датчиков и преобразователей тока, с помощью которых распознается случай неисправности. Эта инертность такого определения измеренных значений в настоящее время лежит обычно в диапазоне нескольких десятков микросекунд.
Преимущества соответствующего изобретению субмодуля и соответствующего изобретению инвертора 1 могут быть сформулированы следующим образом. С одной стороны, промежуток времени до полного спада возникающего в случае неисправности тока короткого замыкания является очень коротким. Тем самым переключатели, предусмотренные на стороне переменного напряжения инвертора 1, не должны сначала срабатывать. Как ток стороны переменного напряжения, так и ток стороны постоянного напряжения превышают номинальный ток лишь несущественно. Мощные полупроводники субмодулей не должны, как в уровне техники, защищаться тиристорами или иными шунтирующими элементами. Надежность отключения тока очень высока, потому что из-за большого числа последовательно включенных суббмодулей в мощных полупроводниковых вентилях инвертора 1 гарантируется избыточность. В связи с надежностью еще следует отметить, что инвертор 1 со всеми своими компонентами постоянно находится в работе и постоянно контролируется средствами измерений. Такая функциональная надежность в сопоставимых устройствах для отключения тока в случаях неисправности, которые активируются только в таком случае неисправности, не обеспечивается.
Другое существенное преимущество изобретения состоит в том, что в любое время возможно возвращение в нормальный режим работы, так что и при ошибочном ненужном срабатывании или детектировании, негативные влияния на работу установки могут минимизироваться.
С помощью соответствующего изобретению инвертора 1, кроме того, является возможным, и в разветвленной сети постоянного тока быстро сводить к нулю токи постоянного напряжения. Таким способом в цепи постоянного тока возможно обесточенное разъединение, например, с помощью вакуумных ламп или антипараллельных тиристоров. При разветвленных сетях постоянного напряжения должны, разумеется, также остальные инверторы, которые соединены с сетью постоянного напряжения, снижать ток, таким образом, быстро переходить в состояние 5 переключения субмодуля 7. За счет этого неисправный участок сети постоянного напряжения может просто и экономично обесточенным образом отсоединяться с помощью известных механических переключателей от остальной сети постоянного напряжения. Неисправный участок сети может затем с целью деионизации или локализации неисправности «делать паузу» и затем с помощью своего ассоциированного инвертора вновь запускаться. За очень короткое время остальные инверторы могут всю сеть постоянного напряжения вновь включать в работу.
Изобретение относится к области электротехники. Для того чтобы предоставить субмодуль (7) для образования инвертора (1) для области высоких напряжений с первым субблоком (5), который содержит первый накопитель (18) энергии, включенное параллельно первому накопителю (18) энергии первое последовательное соединение (11) двух мощных полупроводниковых переключающих блоков (12, 13), которые содержат, соответственно, подключаемый и отключаемый мощный полупроводник (14, 15) с одинаковым направлением пропускания и, соответственно, являются проводящими обратно упомянутому направлению пропускания, и первую соединительную клемму (х2), которая соединена с точкой потенциала между мощными полупроводниковыми переключающими блоками (12, 13) первого последовательного соединения, и вторым субблоком, который содержит второй накопитель (26) энергии, включенное параллельно второму накопителю (26) энергии второе последовательное соединение (19) двух мощных полупроводниковых переключающих блоков (20, 21), которые содержат, соответственно, подключаемый и отключаемый мощный полупроводник (22, 23) с одинаковым направлением пропускания и, соответственно, являются проводящими обратно упомянутому направлению пропускания, и вторую соединительную клемму (х1), которая соединена с точкой потенциала между мощными полупроводниковыми переключающими блоками (20, 21) второго последовательного соединения (19), который быстро, надежно и эффективно ограничивает возникающие при неисправности токи короткого замыкания, предложено, что первый субблок и второй субблок (10) соединены между собой средствами (27) соединения, которые выполнены таким образом, что в выбранном состоянии переключения всех мощных полупроводниковых переключающих блоков (12, 13, 20, 21) протекание тока между первой соединительной клеммой (х2) и второй соединительной клеммой (х1) в обоих направлениях осуществляется только через первый накопитель (18) энергии и/или второй накопитель (26) энергии. Технический результат - повышение надёжности защиты от коротких замыканий. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.
1. Субмодуль (7) для образования инвертора (1), содержащий
первый субблок (5), который содержит
- первый накопитель (18) энергии,
- включенное параллельно первому накопителю (18) энергии первое последовательное соединение (11) двух мощных полупроводниковых переключающих блоков (12, 13), которые содержат, соответственно, подключаемый и отключаемый мощный полупроводник (14, 15) с одинаковым направлением пропускания и, соответственно, являются проводящими обратно упомянутому направлению пропускания, и
- первую соединительную клемму (х2), которая соединена с точкой потенциала между мощными полупроводниковыми переключающими блоками (12, 13) первого последовательного соединения (11), и
второй субблок, который содержит
- второй накопитель (26) энергии,
- включенное параллельно второму накопителю (26) энергии второе последовательное соединение (19) двух мощных полупроводниковых переключающих блоков (20, 21), которые содержат, соответственно, подключаемый и отключаемый мощный полупроводник (22, 23) с одинаковым направлением пропускания и, соответственно, являются проводящими обратно упомянутому направлению пропускания, и
- вторую соединительную клемму (х1), которая соединена с точкой потенциала между мощными полупроводниковыми переключающими блоками (20, 21) второго последовательного соединения (19),
отличающийся тем, что
первый субблок (9) и второй субблок (10) соединены между собой средствами (27) соединения, которые выполнены таким образом, что в по меньшей мере одном выбранном состоянии переключения всех мощных полупроводниковых переключающих блоков (12, 13, 20, 21) протекание тока между первой соединительной клеммой (х2) и второй соединительной клеммой (х1) в обоих направлениях осуществляется только через первый накопитель (18) энергии и/или второй накопитель (26) энергии,
причём средства (27) соединения имеют эмиттерную соединительную ветвь (28), которая соединяет эмиттер первого мощного полупроводникового переключающего блока (13) первого последовательного соединения (11) с эмиттером первого мощного полупроводникового переключающего блока (21) второго последовательного соединения (19) и в котором размещен диод (30) разъединения потенциала, коллекторную соединительную ветвь (29), которая соединяет коллектор второго мощного полупроводникового переключающего блока (12) первого последовательного соединения (11) с коллектором второго мощного полупроводникового переключающего блока (20) второго последовательного соединения (19) и в котором размещен диод (32) разъединения потенциала, и ветвь (34) переключения, в которой размещен блок (35) переключения и которая соединяет катод диода (30) разъединения потенциала эмиттерной соединительной ветви (28) с анодом диода (32) разъединения потенциала коллекторной соединительной ветви (29).
2. Субмодуль (7) по п.1, отличающийся тем, что средства (27) соединения имеют блок (35) переключения.
3. Субмодуль (7) по п.2, отличающийся тем, что блок (35) переключения представляет собой механический блок переключения, полупроводниковый переключатель или мощный полупроводниковый переключающий блок.
4. Субмодуль (7) по любому из пп.1 или 2, отличающийся тем, что средства (27) соединения имеют по меньшей мере один диод (30, 32) разъединения потенциала, который выполнен для сохранения разности напряжений между первым субблоком (9) и вторым субблоком (10).
5. Субмодуль (7) по п.4, отличающийся тем, что средства (27) соединения имеют по меньшей мере один демпфирующий резистор (31, 33).
6. Субмодуль (7) по п.1, отличающийся тем, что в эмиттерной соединительной ветви (28) и в коллекторной соединительной ветви (29) размещен соответствующий демпфирующий резистор (31, 33).
7. Субмодуль (7) по п.4, отличающийся тем, что в выбранном состоянии переключения все мощные полупроводниковые переключающие блоки (12, 13, 20, 21, 35) находятся в их положении прерывания.
8. Субмодуль (7) по п.7, отличающийся тем, что средства (27) соединения имеют по меньшей мере один блок (35) переключения, который в выбранном состоянии переключения находится в его положении прерывания.
9. Субмодуль (7) по п.4, отличающийся тем, что мощные полупроводниковые переключающие блоки (12, 13, 20, 21, 35) являются обратно проводящими подключаемыми и отключаемыми мощными полупроводниковыми переключателями.
10. Субмодуль (7) по п.4, отличающийся тем, что каждый мощный полупроводниковый переключающий блок (12, 13, 20, 21, 35) содержит соответствующий подключаемый и отключаемый мощный полупроводник (14, 15, 22, 23, 26), встречно-параллельно которому включен безынерционный диод (16, 17, 24, 25, 37).
11. Субмодуль (7) по п.4, отличающийся тем, что каждый накопитель энергии представляет собой униполярный накопительный конденсатор (18, 26).
12. Инвертор (1), в частности, для высоковольтных применений с мощными полупроводниковыми вентилями (2), которые находятся, соответственно, между выводом (L1, L2, L3) переменного напряжения и выводом (31, 32, 33, 41, 42, 43) постоянного напряжения и образуют мостовую схему, причем каждый мощный полупроводниковый вентиль (2) имеет последовательное соединение двухполюсных субмодулей (7) и каждый субмодуль (7) имеет по меньшей мере один накопитель (18, 26) энергии и по меньшей мере одну мощную полупроводниковую схему (11, 19), отличающийся тем, что упомянутый субмодуль представляет собой субмодуль (7) согласно любому из пп. 1-11.
| US7269037B2, 11.09.2007 | |||
| ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ | 2002 |
|
RU2231903C2 |
| WO2008067786A1, 12.06.2008 | |||
