專利名稱：用于非線性的、在時間上改變的負(fù)載的電源裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于非線性的、在時間上改變的負(fù)載的電源裝置，-其中電源裝置具有帶有多個相的供電系統(tǒng)，-其中在供電系統(tǒng)的這些相上連接了非線性的、在時間上改變的負(fù)載和無功補償器，-其中無功補償器設(shè)計為具有多個支線的多電平變換器，-其中多電平變換器的這些支線一方面與供電系統(tǒng)的這些相中的各一個彼此連接，并且另一方面在公共星形節(jié)點上彼此連接。
背景技術(shù)：
例如三相電電弧爐的非線性的、在時間上改變的負(fù)載可以明顯地引起了電網(wǎng)反作用，特別是所謂的閃爍?；谠撛颍糜诜蔷€性的、在時間上改變的負(fù)載的供電設(shè)備通常具有無功補償器。無功補償器與非線性的、在時間上改變的負(fù)載并聯(lián)。在最簡單的情況下，無功補償器可以設(shè)計為所謂的TCR (thyristor controlled reactor),例如參見EP0847612B1。開頭所述類型的電源裝置例如由DE102008049610A1和EP2202 863A1已知。在現(xiàn)有技術(shù)中盡管明顯涉及多電平變換器可替代地可以在星形或角形連接(Dreieckschaltung)中連接供電系統(tǒng)的這些相。然而在實際情況中，多電平變換器持續(xù)地在角形連接中連接供電系統(tǒng)的這些相?；诖嗽?，多電平變換器在確定的時間點必須通過其支線吸收能量，并且同時經(jīng)過其另一個支線輸出能量。這-不僅在角形連接中也在星形電路中-會非常迅速地導(dǎo)致超過允許的電壓極限，其引起對多電平變換器的閉鎖。然而在將多電平變換器連接在角形連接中時已知的是，電壓極限由此來接通，即在多電平變換器的支線構(gòu)成的電路內(nèi)部產(chǎn)生相應(yīng)的電流，其維持在運行的范疇中形成的電壓。這樣的零電流在星形電路中可能是有問題的。此外已知的是，在多電平變換器的內(nèi)部設(shè)置高頻驅(qū)動的交流電壓電路，其將多電平變換器的所有支線的所有模塊的單個的直流電壓電路彼此連接。在該設(shè)計中經(jīng)過直流電壓-交流電壓轉(zhuǎn)換包括后接的交流電壓-直流電壓轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)能量交換。多電平變換器的設(shè)計不僅可在角形連接中而且可在星形電路中應(yīng)用。然而多電平變換器的該設(shè)計在此情況下非常復(fù)雜。此外每個時間單位的可能的能量傳輸相對較低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，這樣設(shè)計一種開頭所述類型的電源裝置，即多電平變換器能以簡單的方式運行安全地被驅(qū)動。該目的通過具有權(quán)利要求1的特征的電源裝置來實現(xiàn)。根據(jù)本發(fā)明的電源裝置的有利的設(shè)計是從屬權(quán)利要求2至11的內(nèi)容。根據(jù)本發(fā)明提出，由此設(shè)計一種開頭所述類型的電源裝置，即
-多電平變換器的公共星形節(jié)點與連接在供電系統(tǒng)的這些相上的另一個裝置的星形節(jié)點連接，從而使公共星形節(jié)點不僅通過多電平變換器的這些支線而且通過另一個裝置與供電系統(tǒng)的這些相連接，并且-這樣設(shè)計經(jīng)過另一個裝置的連接，即在供電系統(tǒng)的供電零序系統(tǒng)方面存在多電平變換器的公共星形節(jié)點與供電系統(tǒng)的這些相的低歐姆連接，并且在供電系統(tǒng)的供電正序系統(tǒng)和供電系統(tǒng)的供電負(fù)序系統(tǒng)的方面存在多電平變換器的公共星形節(jié)點與供電系統(tǒng)的這些相的高歐姆連接。在根據(jù)本發(fā)明的電源裝置的可能的第一設(shè)計中提出，另一個裝置設(shè)計為之字形繞組。通常電源裝置具有電網(wǎng)變壓器，供電系統(tǒng)的這些相能通過電網(wǎng)變壓器供給電能。在此情況下，之字形繞組可替代地作為次級繞組裝入電網(wǎng)變壓器中，或者設(shè)計為與電網(wǎng)變壓器不同的之字形變壓器。當(dāng)新制造電源裝置時，首先提到的設(shè)計是特別有利的。當(dāng)存在的電源裝置應(yīng)被改造為根據(jù)本發(fā)明的電源裝置時，則也可實現(xiàn)后面提到的設(shè)計。如果將之字形變壓器設(shè)計為與電網(wǎng)變壓器不同的之字形變壓器，則電網(wǎng)變壓器的和之字形變壓器的星形節(jié)點中的至少一個是非接地的。電源裝置通常具有濾波電路，經(jīng)過濾波電路能過濾負(fù)載電流和變換器電流的諧波。濾波電路在此情況下具有多個支線，這些支線一方面與供電系統(tǒng)的這些相中的各一個彼此連接，并且另一方面在濾波電路的公共星形節(jié)點上彼此連接?？赡艿氖?，另一個裝置與濾波電路相同。在此情況下不需要之字形繞組。在將濾波電路用作另一個裝置時，在濾波電路的公共星形節(jié)點和多電平變換器的公共星形節(jié)點之間優(yōu)選地布置有扼流圈。特別可以這樣確定扼流圈的大小，即扼流圈和濾波電路的組合的阻抗為零。通常電源裝置具有至少一個另外的濾波電路，經(jīng)過該另外的濾波電路同樣能過濾負(fù)載電流和變換器電流的諧波。供電系統(tǒng)的相的數(shù)量可以根據(jù)要求確定。通常存在三個相。


其他的優(yōu)點和細節(jié)由以下對實施例結(jié)合附圖的說明得出。在原理圖中示出:圖1是用于非線性的、在時間上改變的負(fù)載的電源裝置的原理結(jié)構(gòu)，和圖2-4分別是圖1的電源裝置的可能的根據(jù)本發(fā)明的設(shè)計。
具體實施例方式根據(jù)圖1，非線性的、在時間上改變的負(fù)載1-純實例地-設(shè)計為電弧爐。電弧爐I經(jīng)過供電系統(tǒng)2被供給電能。供電系統(tǒng)2具有多個相3。電弧爐I連接在供電系統(tǒng)2的這些相3上?？梢愿鶕?jù)需要來確定相3的數(shù)量。通常并且相應(yīng)于圖1的描述，存在三個相3。施加在電弧爐I上的電壓通常相對較低。其典型地位于幾百伏特和兩千伏特之間的范圍中。供電系統(tǒng)2的電壓相反地通常明顯較高。其大多位于兩位數(shù)的千伏范圍中或者超過其一點。供電系統(tǒng)2的典型的電壓為11千伏，30千伏和110千伏。此外，在電弧爐I和供電系統(tǒng)2的這些相3之間布置了爐變壓器。在本發(fā)明的范疇中，爐變壓器然而僅僅是次要的并且因此在圖1中未示出。供電系統(tǒng)2涉及外部的、較大的供電系統(tǒng)?？商娲?，涉及電弧爐I的驅(qū)動器的內(nèi)部供電系統(tǒng)。在內(nèi)部供電系統(tǒng)的情況下，涉及獨立的供電系統(tǒng)?？商娲兀娫囱b置具有電網(wǎng)變壓器4，通過其可從外部電網(wǎng)給供電系統(tǒng)2的這些相3供給電能。外部電網(wǎng)可以具有相對較高的電壓，例如110千伏或380千伏。此外在供電系統(tǒng)2的這些相3上連接有無功補償器5。無功補償器5設(shè)計為具有多個支線6的多電平變換器。根據(jù)圖1，多電平變換器5的支線6 —方面與供電系統(tǒng)2中的各一個相3連接，并且另一方面在公共星形節(jié)點7上彼此連接。多電平變換器5本身通常已知。其中存在來自模塊的多電平串聯(lián)電路的每個支線6，其中每個模塊包括存儲電容器和自換相的半導(dǎo)體開關(guān)?！白該Q相”的概念意味著，這些半導(dǎo)體開關(guān)通過從外部向該半導(dǎo)體開關(guān)輸送的控制信號可接通并可斷開。自換相的半導(dǎo)體開關(guān)例如可以設(shè)計為IGBT或者設(shè)計為GTO三極管。因此“自換相”的概念與“電網(wǎng)換相(netzgefilhrt)”的概念相反。該概念意味著，相應(yīng)的開關(guān)元件盡管可以適合地接通，但是并不能通過外部的控制信號來斷開。電網(wǎng)換相的半導(dǎo)體開關(guān)元件的實例是“標(biāo)準(zhǔn)”三極管。每個模塊的半導(dǎo)體開關(guān)可與其他模塊的半導(dǎo)體開關(guān)無關(guān)地接通相同的支線6和其他的支線6。取決于相應(yīng)模塊的半導(dǎo)體開關(guān)的相應(yīng)開關(guān)狀態(tài)，相應(yīng)模塊的相應(yīng)的存儲電容器可替代地跨接或激活。例如由US6075350 A和EP2202863A1獲取關(guān)于多電平變換器的結(jié)構(gòu)、工作方式和運行的細節(jié)。電源裝置此外通常具有至少一個濾波電路8，9。在圖1中示出了兩個這樣的濾波電路8，9。經(jīng)過每個濾波電路8，9可對負(fù)載電流和變換器電流的諧波進行濾波。諧波由電弧爐I的運行而產(chǎn)生。每個濾波電路8，9設(shè)計具有確定的濾波頻率。每個濾波電路8，9具有多個支線10，11。相應(yīng)的濾波電路8，9的每個支線10，11 一方面與供電系統(tǒng)2的這些相3中的各一個連接。此外相應(yīng)的濾波電路8，9的支線10，11在相應(yīng)的濾波電路8，9的相應(yīng)的公共星形節(jié)點12，13上彼此連接。在應(yīng)用濾波電路8，9的情況下出現(xiàn)相應(yīng)需要補償?shù)臑V波功率。濾波電路8，9的濾波功率通常彼此不同。濾波電路8，9設(shè)計具有分別需要補償?shù)臑V波功率。多電平變換器5的單個的支線6必須能吸收并輸出電流。在多電平變換器5的單個的支線6中流動的電流通常彼此不同。在支線6的角形連接中，多電平變換器5的支線6與供電系統(tǒng)2的這些相3中的各兩個彼此連接，與其相反地，在多電平變換器5內(nèi)部的環(huán)形電流是不可能的或是至少可能有問題的。結(jié)合圖2至4，以下闡述圖1的電源裝置的根據(jù)本發(fā)明的設(shè)計，其中另外可實現(xiàn)零電流-在圖2至4中以Itl表示_。根據(jù)圖2和3存在之字形繞組14。之字形繞組14連接在供電系統(tǒng)2的這些相3上。在根據(jù)圖2的設(shè)計中，之字形繞組14作為次級繞組裝入電網(wǎng)變壓器4中。其因此承擔(dān)次級繞組的“標(biāo)準(zhǔn)的”功能，以從外部電網(wǎng)對供電系統(tǒng)2的這些相3進行饋送。在根據(jù)圖3的設(shè)計中，之字形繞組14設(shè)計為與電網(wǎng)變壓器4不同的之字形變壓器。多電平變換器5的公共星形節(jié)點7在圖2和3的設(shè)計中與之字形繞組14的星形節(jié)點15連接。多電平變換器5的公共星形節(jié)點7由此不僅通過多電平變換器5的支線6還通過之字形繞組14與供電系統(tǒng)2的相3連接。通過之字形繞組14的連接(基于之字形繞組的構(gòu)造類型典型的特征)是這樣的，即-參照經(jīng)過之字形繞組14的連接-在供電系統(tǒng)2的供電零序系統(tǒng)方面存在多電平變換器5的公共星形節(jié)點7與供電系統(tǒng)2的這些相3的低歐姆連接。在供電系統(tǒng)2的供電正序系統(tǒng)和供電系統(tǒng)2的供電負(fù)序系統(tǒng)的方面-參照經(jīng)過之字形繞組14的連接-然而僅僅存在多電平變換器5的公共星形節(jié)點7與供電系統(tǒng)2的這些相3的高歐姆連接。概念“供電零序系統(tǒng)”，“供電正序系統(tǒng)”和“供電負(fù)序系統(tǒng)”聯(lián)系三相電系統(tǒng)對于每個技術(shù)人員來說是熟悉并可信賴的。它們在三相供電系統(tǒng)中具有以下意義:供電正序系統(tǒng)具有三個振幅相同的矢量，以下稱為A, B和C。三個矢量A, B, C在電方面彼此相對具有120°的相偏移。矢量A，B, C相對于這些相3的電壓順時針旋轉(zhuǎn)。供電負(fù)序系統(tǒng)同樣具有三個振幅相同的矢量，以下稱為A'，B'和C'。矢量A'，B' , C1也在電方面彼此相對具有120°的相偏移。它們相對于供電正序系統(tǒng)的矢量A, B和C順時針旋轉(zhuǎn)。然而供電負(fù)序系統(tǒng)的矢量A'，B'和C'的順序相對于供電正序系統(tǒng)的矢量A，B和C被交換。順序因此是C'，B' ,K'。供電零序系統(tǒng)也具有三個振幅相同的矢量，以下稱為A' '，B''和C''。矢量K' ' W ' ,C丨彼此相對的相偏移為零。矢量A' '，B''和C''因此等相地旋轉(zhuǎn)。它們相對于供電正序系統(tǒng)的矢量A，B和C順時針旋轉(zhuǎn)。通過矢量A，和V '說明的電流流入供電系統(tǒng)2的這些相3中的一個。電流B，B'和B''流入供電系統(tǒng)2的這些相3中的另一個。電流GCi和Ci '流入供電系統(tǒng)2的這些相3中的第三個。供電正序系統(tǒng)的矢量A，B，C的振幅、供電負(fù)序系統(tǒng)的矢量V , Bi , C1的振幅和供電零序系統(tǒng)的矢量A' '，B' ' ,C '的振幅可以不同。矢量A相對于A'的相角和相對于矢量A'，的相角可以彼此不同。供電正序系統(tǒng)、供電負(fù)序系統(tǒng)和供電零序系統(tǒng)共同定義了流入供電系統(tǒng)2的這些相3中的電流。在圖2的設(shè)計中，之字形繞組14的(公共)星形節(jié)點15可以接地。在圖3的設(shè)計中，電網(wǎng)變壓器4和之字形繞組14的兩個星形節(jié)點15，16中的一個接地。可替代地，在圖3的設(shè)計中可能的是，電網(wǎng)變壓器4和之字形繞組14的兩個星形節(jié)點15，16中的任一個都不接地。但兩個星形節(jié)點15，16不應(yīng)接地。對于之字形繞組的存在(參見根據(jù)圖2和圖3的設(shè)計)可替代地，根據(jù)圖4可能的是，多電平變換器5的公共星形節(jié)點7與濾波電路8，9的星形節(jié)點12，13連接。在根據(jù)圖4的設(shè)計中，多電平變換器5的公共星形節(jié)點7因此一方面經(jīng)過多電平變換器5的這些支線6并且另一方面經(jīng)過相應(yīng)的濾波電路8與供電系統(tǒng)2的這些相3連接。也在根據(jù)圖4的設(shè)計中，經(jīng)過相應(yīng)的濾波電路8的連接是這樣的，即-參照該連接-在供電系統(tǒng)2的供電零序系統(tǒng)方面存在多電平變換器5的公共星形節(jié)點7與供電系統(tǒng)2的這些相3的低歐姆連接，并且在供電系統(tǒng)2的供電正序系統(tǒng)和供電系統(tǒng)2的供電負(fù)序系統(tǒng)的方面存在多電平變換器的公共星形節(jié)點與供電系統(tǒng)的這些相的高歐姆連接。為此目的例如相應(yīng)于圖4的描述在濾波電路8的星形節(jié)點12和多電平變換器5的公共星形節(jié)點7之間布置有扼流圈17。扼流圈17可以特別這樣設(shè)計大小，即扼流圈17和濾波電路8的組合阻抗為零。代替之字形繞組14和濾波電路8，也可以可替代地應(yīng)用另外的裝置，如果其具有以下特性的話:-其連接在供電系統(tǒng)2的這些相3上。-其具有星形節(jié)點。-提到的裝置的星形節(jié)點與多電平變換器5的公共星形節(jié)點7連接。-經(jīng)過提到的裝置的連接是這樣的，即在供電系統(tǒng)2的供電零序系統(tǒng)方面存在多電平變換器5的公共星形節(jié)點7與供電系統(tǒng)2的這些相3的低歐姆連接。-此外經(jīng)過提到的裝置的連接是這樣的，即在供電系統(tǒng)2的供電正序系統(tǒng)和供電系統(tǒng)2的供電負(fù)序系統(tǒng)的方面存在多電平變換器5的公共星形節(jié)點7與供電系統(tǒng)2的這些相3的高歐姆連接。本發(fā)明具有多個優(yōu)點。特別地，在根據(jù)本發(fā)明的設(shè)計中，多電平變換器5的電壓負(fù)載比在角形連接中低了因數(shù)1.7320。根據(jù)本發(fā)明的電源裝置在此在有效功率相等時可以比現(xiàn)有技術(shù)中類似的電源裝置明顯更節(jié)約成本地實現(xiàn)。在新設(shè)備中，其中之字形繞組14可以作為次級繞組裝入電網(wǎng)變壓器4中，可能節(jié)約20%到40%。在輔助設(shè)備中，同樣也可能實現(xiàn)節(jié)約，即使其較低一些。以上的說明僅僅用于闡述本發(fā)明。本發(fā)明的保護范圍相反地不應(yīng)僅僅通過附加的權(quán)利要求來確定。
權(quán)利要求
1.一種用于非線性的、在時間上改變的負(fù)載(I)的電源裝置， -其中所述電源裝置具有帶有多個相(3)的供電系統(tǒng)(2)， -其中在所述供電系統(tǒng)(2)的這些所述相(3)上連接了所述非線性的、在時間上改變的負(fù)載(I)和無功補償器(5)， -其中所述無功補償器(5)設(shè)計為具有多個支線(6)的多電平變換器， -其中所述多電平變換器(5)的這些所述支線(6) —方面與所述供電系統(tǒng)(2)的這些所述相(3)中的各一個彼此連接，并且另一方面在公共星形節(jié)點(7)上彼此連接， 其特征在于， -所述多電平變換器(5)的公共星形節(jié)點(7)與連接在所述供電系統(tǒng)(2)的這些所述相(3)上的另一個裝置(8，14)的星形節(jié)點(12，15)連接，從而使所述公共星形節(jié)點(7)不僅通過所述多電平變換器(5 )的這些所述支線(6 )而且通過所述另一個裝置(8，14 )與所述供電系統(tǒng)(2 )的這些所述相(3 )連接，并且 -這樣設(shè)計經(jīng)過所述另一個裝置(8，14)的連接，即在所述供電系統(tǒng)(2)的供電零序系統(tǒng)方面存在所述多電平變換器(5)的所述公共星形節(jié)點(7)與所述供電系統(tǒng)(2)的這些所述相(3)的低歐姆連接，并且在所述供電系統(tǒng)(2)的供電正序系統(tǒng)和所述供電系統(tǒng)(2)的供電負(fù)序系統(tǒng)的方面存在所述多電平變換器的所述公共星形節(jié)點與所述供電系統(tǒng)的這些所述相的高歐姆連接。
2.根據(jù)權(quán)利要 求1所述的電源裝置，其特征在于，所述另一個裝置(8，14)設(shè)計為之字形繞組(14)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電源裝置，其特征在于，所述電源裝置具有電網(wǎng)變壓器(4)，所述供電系統(tǒng)(2)的這些所述相(3)能通過所述電網(wǎng)變壓器供給電能，并且所述之字形繞組(14)作為次級繞組裝入所述電網(wǎng)變壓器(4)中。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電源裝置，其特征在于，所述電源裝置具有電網(wǎng)變壓器(4)，所述供電系統(tǒng)(2)的這些所述相(3)能通過所述電網(wǎng)變壓器供給電能，并且所述之字形繞組(14)是與所述電網(wǎng)變壓器(4)不同的之字形變壓器。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電源裝置，其特征在于，所述電網(wǎng)變壓器(4)的所述電網(wǎng)變壓器(4)的和所述之字形變壓器(14)的所述星形節(jié)點(15，16)中的至少一個是非接地的。
6.根據(jù)權(quán)利要求2至5中任一項所述的電源裝置，其特征在于，所述電源裝置具有濾波電路(8)，經(jīng)過所述濾波電路能過濾負(fù)載電流和變換器電流的諧波，并且所述濾波電路(8)具有多個支線(10)，這些所述支線一方面與所述供電系統(tǒng)(2)的這些所述相(3)中的各一個彼此連接，并且另一方面在所述濾波電路(8)的公共星形節(jié)點(12)上彼此連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電源裝置，其特征在于，所述電源裝置具有濾波電路(8)，經(jīng)過所述濾波電路能過濾負(fù)載電流和變換器電流的諧波，并且所述濾波電路(8)具有多個支線(10)，這些所述支線一方面與所述供電系統(tǒng)(2)的這些所述相(3)中的各一個彼此連接，并且另一方面在所述濾波電路(8)的公共星形節(jié)點(12)上彼此連接，并且所述另一個裝置(8，14)與所述濾波電路(8)相同。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的電源裝置，其特征在于，在所述濾波電路(8)的所述公共星形節(jié)點(12)和所述多電平變換器(5)的所述公共星形節(jié)點(7)之間布置有扼流圈(17)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電源裝置，其特征在于，這樣確定所述扼流圈(17)的大小，SP扼流圈(17)和濾波電路(8)的組合阻抗為零。
10.根據(jù)權(quán)利要求7，8或9所述的電源裝置，其特征在于，所述電源裝置具有至少一個另外的濾波電路(9)，經(jīng)過所述另外的濾波電路能過濾負(fù)載電流和變換器電流的諧波。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的電源裝置，其特征在于，所述供電系統(tǒng)(2)的所述相(3)的數(shù)量為三個。`
全文摘要
一種用于非線性的、在時間上改變的負(fù)載(1)的電源裝置，具有帶有多個相(3)的供電系統(tǒng)(2)。在供電系統(tǒng)(2)的這些相(3)上連接了非線性的、在時間上改變的負(fù)載(1)和無功補償器(5)。無功補償器(5)設(shè)計為具有多個支線(6)的多電平變換器。多電平變換器(5)的這些支線(6)一方面與供電系統(tǒng)(2)的這些相(3)中的各一個彼此連接，并且另一方面在公共星形節(jié)點(7)上彼此連接。多電平變換器(5)的公共星形節(jié)點(7)與連接在供電系統(tǒng)(2)的這些相(3)上的另一個裝置(8，14)的星形節(jié)點(12，15)連接，從而使公共星形節(jié)點(7)不僅通過多電平變換器(5)的這些支線(6)而且通過另一個裝置(8，14)與供電系統(tǒng)(2)的這些相(3)連接。這樣設(shè)計經(jīng)過另一個裝置(8，14)的連接，即在供電系統(tǒng)(2)的供電零序系統(tǒng)方面存在多電平變換器(5)的公共星形節(jié)點(7)與供電系統(tǒng)(2)的這些相(3)的低歐姆連接，并且在供電系統(tǒng)(2)的供電正序系統(tǒng)和供電系統(tǒng)(2)的供電負(fù)序系統(tǒng)的方面存在多電平變換器的公共星形節(jié)點與供電系統(tǒng)的這些相的高歐姆連接。
文檔編號H02J3/18GK103201926SQ201180050720
公開日2013年7月10日 申請日期2011年10月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月19日
發(fā)明者黃國棟 申請人:西門子公司